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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 1设计任务书 1.1 设计题目 列管式换热器 原油预热器 的设计 1.2 操作条件 某炼油厂用柴油将原油预热；柴油和原油的有关参数如下表 , 两侧的污垢热阻均可取0.3105Pa；1.72 10-4m 2.K/W,要求两侧的阻力缺失均不超过物料温 度 质量流量比热密 度导热系数粘度入口出口kg/h kJ/kg. 3 kg/mW/m.Pa.s 柴油175 T236900 2.48 715 0.133 -3 0.64 10原油70 110 48350 2.20 815 0.128 3.0 10-31.3 设计要求及内容 1、查阅文献资料,明白换热设
2、备的相关学问,熟识换热器设计的 方法和步骤；2、依据设计任务书给定的生产任务和操作条件,进行换热器工艺 设计及运算；3、依据换热器工艺设计及运算的结果,进行换热器结构设计；4、以换热器工艺设计及运算为基础,结合换热器结构设计的结 果,绘制换热器装配图；5、编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结,设计说明书 应当用简洁的文字和清楚的图表表达设计思想、运算过程和设计结名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 果；目录1. 设计任务书 3 2. 概述 5 3. 设计标准 7 4. 方案设计和拟订 8 5. 设计运算 12 6
3、. 参考文献 . 22 7. 附录 . 23 8. 设计小结 29 9CAD图32名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器 , 简称为换热器；在换热器中至少要有两种温度不同的流体 , 一种流体温度较高 , 放出热量；另一种流体就温度较低 , 吸取热量；在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器 ,它们也是这些行业的通用设备, 并占有非常重要的位置；随着换热器在工业生产中的位置和作用不同,换热器的类型也多种 多样,不同类型的换热器也各有优缺点,性能各异；列
4、管式换热器是 最典型的管壳式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至 今仍在全部换热器中占据主导位置；列管式换热器有以下几种：1）固定管板式 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体,当两流体的温度差 较大时,在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈,（或膨胀节）；当壳 体和管束热膨胀不同时,补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应 力引起的热膨胀；特点：结构简洁,造价低廉,壳程清洗和检修困 难,壳程必需是干净不易结垢的物料；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2）U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形,流体进、出口分
5、别安装在同一端的两侧,封头内用隔板分成两室,每根管子可自由伸缩,来解决热 补偿问题；特点：结构简洁,质量轻,适用于高温顺高压的场合；管 程清洗困难,管程流体必需是干净和不易结垢的物料；3 浮头式换热器两端的管板,一端不与壳体相连,该端称浮头；管子受热时,管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩,完全排除了温差应 力；特点：结构复杂、造价高,便于清洗和检修,完全排除温差应 力,应用普遍；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3. 方案设计和拟订 依据任务书给定的冷热流体的温度,来挑选设计列管式换热器中的 浮头式换热器；再依据冷热流
6、体的性质,判定其是否易结垢,来挑选 管程走什么,壳程走什么；在这里,柴油走管程,原油走壳程；从手 册中查得冷热流体的物性数据,如密度,比热容,导热系数,黏度；运算出总传热系数,再运算出传热面积；依据管径管内流速,确定传热管数,标准传热管长为6m,算出传热管程,传热管总根数等等；再来就校正传热温差以及壳程数；确定传热管排列方式和分程方法；根 据设计步骤,运算出壳体内径,挑选折流板,确定板间距,折流板数 等,再设计壳程和管程的内径；分别对换热器的热量,管程对流系 数,传热系数,传热面积进行核算,再算出面积裕度；最终,对传热 流体的流淌阻力进行运算,假如在设计范畴内就能完成任务；依据固定管板式的特点
7、：结构简洁,造价低廉,壳程清洗和检修困难,壳程必需是干净不易结垢的物料；U形管式特点：结构简洁,质量轻,适用于高温顺高压的场合；管程清洗困难,管程流体必需是干净 和不易结垢的物料；浮头式特点：结构复杂、造价高,便于清洗和检名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 修,完全排除温差应力,应用普遍；我们设计的换热器的流体是油,易结垢,再依据可以完全排除热应力原就我们选用浮头式换热器；依据以下原就： 1 不干净和易结垢的流体宜走管内,以便于清洗管子； 2 腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗和检修；
8、3 压强高的流体宜走管内,以免壳体 受压； 4 饱和蒸气宜走管间,以便于准时排除冷凝液,且蒸气较洁 5 被冷却的流体宜走管间,可 净,冷凝传热系数与流速关系不大；利用外壳向外的散热作用,以增强冷却成效；6 需要提高流速以增 大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程,且可采纳多管程以增大流速；7 粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流淌时,由于流速和流向的不断 转变,在低 ReRe100下即可达到湍流,以提高对流传热系数；我们 挑选柴油走管程,原油走壳程；流体流速的挑选：增加流体在换热器中的流速,将加大对流传热系 数,削减污垢在管子表面上沉积的可能性,
9、即降低了污垢热阻,使总 传热系数增大,从而可减小换热器的传热面积；但是流速增加,又使 流体阻力增大,动力消耗就增多；所以相宜的流速要通过经济衡算才 能定出；此外,在挑选流速时,仍需考虑结构上的要求；例如,挑选 高的流速,使管子的数目削减,对肯定的传热面积,不得不采纳较长 的管子或增加程数；管子太长不易清洗,且一般管长都有肯定的标 准；单程变为多程使平均温度差下降；这些也是挑选流速时应予考虑 的问题；在本次设计中,依据表换热器常用流速的范畴,取管内流速u 110. m/s；管子的规格和排列方法：挑选管径时,应尽可能使流速高些,但一名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 23 页精
10、选学习资料 - - - - - - - - - 般不应超过前面介绍的流速范畴；易结垢、粘度较大的液体宜采纳较大的管径；我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有 25 2.5mm及 19 mm两种规格的管子；在这里,挑选 25 2.5mm管子；管长的挑选是以清洗便利及合理使用管材为原就；长管不便于清洗,且易弯曲；一般出厂的标准钢管长为6m,就合理的换热器管长应为1.5 、2、3或6m；此外,管长和壳径应相适应,一般取L/D为46 对直径小的换热器可大些 ；在这次设计中,管长挑选4m；管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等,等边三角形排 列的优点有 : 管板的强度高；流体走短
11、路的机会少,且管外流体扰动较 大,因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子；正方 形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁,适用于壳程流体易产生污 垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低；正方形错列排列就介于上述两者之间,即对流传热系数 较直列排列的 可以适当地提高；在这里挑选正方形错列排列；管子在管板上排列的间距 指相邻两根管子的中心距 ,随管子与管板的连接方法不同而异；通常,胀管法取 t=1.3 1.5d2,且相邻两管外壁间距不应小于 6mm,即 t d+6 ；焊接法取 t=1.25d2；管程和壳程数的确定 当流体的流量 较小或传热面积较大而需管数许多时,有时会使管内流速较低,
12、因而 对流传热系数较小；为了提高管内流速,可采纳多管程；但是程数过 多,导致管程流体阻力加大,增加动力费用；同时多程会使平均温度 差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积削减,设计时应考虑这些问题；列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种；采纳多程时,通常应使每程的管子数大致相等；依据运算,管程为 6程,壳程为单程；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 折流挡板：安装折流挡板的目的,是为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧,以提高壳程对流传热系数；最常用的为圆缺形挡板,切去的弓形高度约为外壳内径的1040
13、,一般取 2025,过高或过低都不利于传热；两相邻挡板的距离 板间距 B 为外壳内径 D的0.2 1 倍；系列标准中采纳的 B值为 : 固定管板式的有 150、 300和600mm三种,板间距过小,不便于制造和检修,阻力也较大；板间距过大,流体就难于垂直地流过管束,使对流传热系数下降；这次设计选用圆缺形挡板；换热器壳体的内径应等于或稍大于 对浮头式换热器而言 管板的直径；初步设计时,可先分别选定两流体的流速,然后运算所需的管程和壳程的流通截面积,于系列标准中查出外壳的直径；主 要 构 件 的 选 用：（1）封头 封头有方形和圆形两种,方形用于直径小的壳体 一般小于 400mm,圆形用于大直径
14、的壳体；（ 2）缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击,可在进料管口装设缓冲挡板；（3）导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流淌的空间 死角 ,为了提高传热成效,常在管束外增设导流筒,使流体进、出壳程时必定经过这个空间；（4）放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔,以排除不凝性气体和冷凝液等；（5）接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出；最终材料选用：列管换热器的材料应依据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用；在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降；同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的；名师归纳总结 - - - - - - -第
15、 8 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等；不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好,但价格高且较稀缺,应尽量少用；这里选用的材料为碳钢；4设计运算4.1 确定设计方案4.1.1 挑选换热器的类型由于,Q 1Q 2 =qm2Cp2T22 .2103 11070所以,qm 1Cp1T 1369002.48103T248350 17536003600T 2128 .51两流体温度变化情形：热流体（柴油）进口温度175,出口温度128.51 ；冷流体（原油）进口温度 70,出口温度 11
16、0；该换热器用柴油预热原油,为易结垢的流体；该换热器的管壁温顺壳体壁温之差较大,因此初步确定选用浮头式换热器；4.1.2 流淌空间及流速的测定为削减热缺失和充分利用柴油的热量,采纳柴油走管程,原油走壳程 ； 选 用 25 2.5mm的 碳 钢 管 , 根 据 表 三 管 内 流 速 取 u i =1.0m/s；. 4.2 确定物性数据依据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 柴油的有关物性数据如下：密度 1 715 kg / m 3定压比热容 c p 1 2 . 48 k
17、J / kg）导热系数 1 0 . 133 W / m）黏度 1 0 . 64 10 3 Pa s原油的物性数据：密度2815 kg/m3）定压比热容c p22 . 20 kJ/kg导热系数20 . 128 W /m）黏度23 . 0103Pas4.3 运算总传热系数4.3.1 热流量Qqm 1Cp1T 1369002. 48103175128. 51 1. 182106W36004.3.2 平均传热温差t mt12t2 1751102 127.47061. 764.3.3 总传热系数 K 管程传热系数名师归纳总结 Red1 u110 . 02.107152 . 23104第 10 页,共 2
18、3 页16 4.104- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 10.023d1d 1u 11.08cp110.4110.023/0 .1332.231040.82.4810364.1040.40 .0200.133970 Wm2壳程传热系数假设壳程的传热系数2540 W/m2污垢热阻R d1R d21 . 721042 m/W管壁的导热系数45 W /mKd21Rd1d212R d21bd1dd1dm210. 02521.721040.0250 .00250. 0251 .7210419700 .0200.020450. 0225540278 6. W/m4
19、.4 运算传热面积S KQ.1 18210668 . 70 m2S 1 . 1568.7079m2t278 .661 . 76mS1. 15考虑15%的面积裕度,4.5 工艺结构尺寸4.5.1 管径和管内流速名师归纳总结 选用252.5传热管 碳钢, 取管内流速u 11 0.m/s第 11 页,共 23 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 4.5.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数n s4V2 1u369007152360045.6546（根）0. 7850. 021.0d按单程管运算 , 所需的传热管长度为LSs3. 14794
20、621. 88ml6m,d2n0 .025按单程管设计 , 传热管过程 , 宜采纳多管程结构；现取传热管长就该换热器管程程数为N pL21.88（管程）184（根）l6传热管总根数N4644.5.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R175128.511 . 1611070P11070 700 .38175按单壳程 , 4 管程结构 , 温差校正系数应查附图六对数平均温度校正系数 t；可得t .0 92平均传热温差名师归纳总结 tmttm0 . 9261 . 7656 8.第 12 页,共 23 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 4.5.
21、4 传热管排列和分程方法nc采纳组合排列法 , 即每程内均按正三角排列 , 隔板两恻采纳正方形排列. 取管心距t.125 d2, 就31. 2532mmt1 .2525横过管束中心线的管数1 1.N.1118414 . 9215（根）4.5.5 壳体内径采纳多管程结构 , 取管板利用率 0 6. , 就壳体内径为D .1 05 t N .1 05 32 184 .0 6 588 . 4 mm圆整可取 D 600 mm4.5.6 折流板采纳弓形折流板 , 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%,就切去的圆缺高度为h0.25600150mmD,取折流板间距B0 .25就B0.5600300mm可
22、取B为300mm；折流板数NB传热管长16000119（块）折流板间距300折流板圆缺面水平装配；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.5.7 接管壳程流体进出口接管 : 取接管内流速为u1 .0 m/s,就接管内径为d4 V4483503600815.0 1449（m）.3 141 0.u取标准管径为 150mm；管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u1 m/s,就接管内径为d4 V4369003600715.0135（m）.3141 . 0u取标准管径为 150mm；4.6 换热器核算4.6.1 热量核算4
23、.6.1.1 壳程对流传热系数对圆缺形折流板 , 可采纳克恩公式20.36d2Re.0 55Pr132.014e2w当量直径 , 由正方形排列得d e4t24d 224.02 032.0785.02 0250 . 027 m 3 . 140 . 025d2壳程流通截面积SoBD1d23.00 . 610 . 0250 . 040 m t0 . 032壳程流体流速及其雷诺数分别为名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - u24835036008150. 47m/s0.035Re00 .0270 .478153 .45103
24、3103普兰特准数Pr2 .201033.103.51.560. 128粘度校正014105w20.360. 128.3451030. 5551.56131.055887. W/m20 .0274.6.1.2 管程对流传热系数10 Re8.Pr03.10 . 023d 1管程流通截面积S 10 .7850 .0221840.014m24管程流体流速及其雷诺数分别为u136900/36007151 .024291040 .014Re0. 02001.0247152 . 00064普兰特准数名师归纳总结 Pr02 .481030.64.1034119.11.903.9887. W/m2第 15 页
25、,共 23 页0.1331.0230. 13322910.080 .02- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 4.6.1.3 传热系数 K Kd21Rd1d212Rd21bd1dd1dm219880 .0250. 0001720.0250. 00250 .0250. 0001721.77.0. 0200.020450. 0225588293 .1 W/m20 m24.6.1.4 传热面积 S SKQm.1 1826 1071 .t293 . 156 8.该换热器的实际传热面积SpSpd2LNnc3. 140 .02561841579.60m2该换热器的面积
26、裕度为HSpSS10079.6.710.10012.1710传热面积裕度大 , 该换热器能够完成生产任务4.6.2 换热器内流体的流淌阻力名师归纳总结 4.6.2.1 s管程流淌阻力tF1 . 4第 16 页,共 23 页P 1P 2F tNsNpP 1N1 , Np4 , P 11lu2, P 2u2d22- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 由Re2.29104,传热管相对粗糙度0 .010. 005,查图摩擦系数20与 雷 诺 准 数 及 相 对 粗 糙 度 的 关 系 得10 . 033 W /m, 流 速u1.1024 m/s,715 kg/3
27、m,所以P 10. 033061 .02427153711.2Pa3105Pa.022P 2u237151. 013211246.Pa22P 1P 1P 2F tNsNp3711 . 21124 6.1 4.427080 .48 Pa.0管程流淌阻力在答应范畴之内；4.6.2.2 壳程阻力sP 1P 2F tNP 2Ns1tF1 . 15流体流经管束的阻力P 1Ff2ncNB1u218150. 4728431Pao2F0.42f53450.02280 . 7805nc15NB19,uo0 . 47P 10 4.0.780515192流体流过折流板缺口的阻力名师归纳总结 - - - - - -
28、-第 17 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - P 2NB3 5.2Bu22D2B03.m,D0.6m4275 . 79 Pa.0 3105PaP 2 1935.20 . 3815.0 4720 6.2总阻力P 2 84314275 .79 1 . 1514612 . 81 Pa壳程流淌阻力也比较相宜；4.6.2.3 换热器主要结构尺寸和运算结果表 1 冷热流体物性数据表物料名操作压操作温度污垢系数导热系数比热流体密度粘度称柴油0.03 175/128.51 0.000172 0.133 248 715 0.00064 原油0.03 70/110 0.000172
29、 0.128 2.20 815 0.00300 表 2 工艺设备尺寸表换热器换热管子规格管数管长管间距排列折流间切口壳体内径型式面积184 6000 32 方式板型距高度600 式/浮头式三角300 150 上下79.6 式形表 3 管口表名师归纳总结 符号尺寸用途连接第 18 页,共 23 页a DN150 柴油入口凹凸面b DN150 柴油出口凹凸面- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - c DN150 原油入口凹凸面d DN150 原油出口凹凸面6. 参考文献7. 附录符号说明英文字母 Cp -定压比热容,kJ/kg q -热容量流率比d- 管径, m
30、 D-换热器壳径, m f -摩擦因数2系数F-重力加速度, m/sg- B- 挡板间距, m K-总传热系数, W /m 2 l -长度, m L-长度, m n -管数 N-程数p-压强, Pa q-热通量, W/m名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - Q-r -kJ/kg R-S-t -传热速率或热负荷, W 汽化热或冷凝热,热阻, m 2 /W 2 传热面积, m 流体温度,T-流体温度,u -希腊字母 -流速, m/s 对流传热系数, W/m2 -导热系数, W/m 2 -传热系数 - -黏度, Pa s
31、3 密度, kg/m -校正系数下标名师归纳总结 2 -管外第 20 页,共 23 页当量e-管内1-污垢s-传热t-平均 m- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 8. 设计小结在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器 ,它们也是这些行业的通用设备, 并占有非常重要的位置；随着换热器在工业生产中的位置和作用不同,换热器的类型也多 种多样,不同类型的换热器也各有优缺点,性能各异；列管式换热器 是最典型的管壳式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且 至今仍在全部换热器中占据主导位置；列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式 换热器；这种换热器结构较简洁,操作牢靠,可用各种结构材料（主 要是金属材料）制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类 由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组 型；成；壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上；进行 换热的冷热两种流体,一种在管内流淌,称为管程