山东轻工业学院化工原理课程设计列管式换热器设计

列管式换热器设计说明书

目录

一、方案简介 (3)

二、方案设计 (4)

1、确定设计方案 (4)

2、确定物性数据 (4)

3、计算总传热系数 (4)

4、计算传热面积 (5)

5、工艺结构尺寸 (5)

6、换热器核算 (7)

三、设计结果一览表 (10)

四、对设计的评述 (11)

五、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）·································

六、参考文献 (12)

七、主要符号说明 (12)

附图··········································································

一、方案简介

本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。利用热传递过

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2 程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器

.

选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。

二、方案设计

某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从93℃冷却到50℃。处理能力为1×105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度27℃，出口温度37℃。要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa 。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按300天，每天24小时连续运行）

1．确定设计方案

（1）选择换热器的类型

两流体温度变化情况：

热流体进口温度93℃，出口温度50℃冷流体。

冷流体进口温度27℃，出口温度37℃。

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3 从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。

（2）流动空间及流速的确定

由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。

2、确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程硝基苯的定性温度为：℃＝＋＝5.7125093T

管程流体的定性温度为： ℃＝＋＝

322

3727t 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

硝基苯在71.5℃下的有关物性数据如下：

密度 ρo =1154 kg/m 3

定压比热容 c po =1.558kJ/(kg ·℃)

导热系数 λo =418.4×30.9×10-5＝0.129 W/(m ·℃)

粘度 μo =0.000979 Pa ·s

冷却水在32℃下的物性数据：

密度 ρi =994.3kg/m 3

定压比热容 c pi =4.24 kJ/(kg ·℃)

导热系数 λi =0.618 W/(m ·℃)

粘度 μi =0.000818 Pa ·s

3．计算总传热系数

（1）热流量

W o =1×105×1000÷300÷24≈13889kg/h

Q o =W o c po Δt o =13889×1.558×(93-50)=930479.7 kJ/h=258.5 kW

（2）平均传热温差

℃1.3727

503793ln )2750()3793(ln 't 2121≈-----=???-?=?t t t t m （3）冷却水用量

h g Q W O /k 3.21945273724.4930479.7t c i pi i =-?=?=）

（ （4）总传热系数K

管程传热系数

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4 12115000818

.03.9945.002.0p u d i i

i i e =??==μR 4.0i

i pi 8.0i i i i i i i c p u d d 023.0）（）（λμμλα=4.038.0618

.0000818.0104.241211502.0618.0023.0）（?????= ℃）（?=m /2.2618W

壳程传热系数

假设壳程的传热系数αo=290 W/(m 2·℃)；

污垢热阻Rsi=0.000344 m 2·℃/W , Rso=0.000172 m 2·℃/W

管壁的导热系数λ=45 W/(m ·℃)

o

so m o i o i i i o 1d bd d d d d 1αλα＋＋＋＋R R K = 2901000712.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.02.2618025.01＋＋＋＋????=

℃）（?=m /400W

4、计算传热面积

23

m '

'24.191.37400105.285t m K Q S =??=?=

考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×19.24=22.12m 2

5、工艺结构尺寸

（1）管径和管内流速及管长

选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s ，选用管长为3m

（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

根实943

025.014.312.22l d o s =??==πA N 按单程管计算其流速为

s m W /21.049402.014.3)3.9943600/(3.219454

n d 3.9943600/u 2s 2i i =???=?=π）（

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5 按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。则该换热器管程数为

221

.05.0u u i p ≈==N (管程) 传热管总根数 N=94 (根)

（3）平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

43.223

5627503793==--=R

41.056

2337932750==--=P 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得90.0t =?φ

平均传热温差

℃39.331.3790.0t 't m =?=??=??m t φ

（4）传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25 d 0，则

t=1.25×25=31.25≈32(mm)

横过管束中心线的管数

根117.10941.1≈==C N

得到各程之间可排列11支管，即正六边形可排6层。则实际排管数设为102根，其中4根拉杆，则实际换热器为98根

（5）壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为

mm 4.3897

.0983205.1t 05.1=?==ηN

D 圆整可取D ＝400mm

（6）折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为h ＝0.25×400＝100mm ，故可取h ＝100 mm 。

取折流板间距B ＝0.5D ，则B ＝0.3×400＝200mm ，可取B 为200。

折流板数 N B =传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(块)

折流板圆缺面水平装配。

（7）接管

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