化工原理換熱器設計

T

烯

蒸

汽

冷

凝

器

的

設

計

年級:2014級

姓名：逢江華

學號：2014094068

班級：化學工程與工藝班

前言

一、換熱器的種類

固定管板式換熱器

管板式換熱器I浮頭式換熱器

X.填料涵式換熱器

換熱器］套管式換熱器

【蛇形式換熱器

二、換熱器的特點

1o管殼式換熱器

管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備，它具有結構簡單，堅固耐用，

造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應性強等優點，應用最為廣泛。管殼式換熱器根據結構特點

分為以下幾種：

固定管板式換熱器

固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結構簡單，價格低廉，但管外清

洗困難，宜處理兩流體溫差小于50℃且殼方流體較清潔及不易結垢的物料。

帶有膨脹節的固定管板式換熱器，其膨脹節的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用

于兩流體溫差小于70℃且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況.

浮頭式換熱器

浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而

與外殼的膨脹無關.浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的

各種物料的換熱，應用極為普遍，但結構復雜，造價高.

填料涵式換熱器

填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結構簡單，造價低，但殼程流

體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。

2。蛇管式換熱器

蛇管式換熱器是管式換熱器中結構最簡單，操作最方便的一種換熱設備，通常按照換熱方式

不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。

3.套管式換熱器

套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內管用u型時管順次連接,

外管與外管互相連接而成，其優點是結構簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據需要增減，適當地選

擇管內、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高

溫，高壓及小流量流體間的換熱。

三、換熱器的發展趨勢

70年代的世界能源危機，有力地促進了傳熱強化技術的發展。為了節能降耗，提高工業生

產經濟效益，要求開發適用于不同工業過程要求的高效能換熱設備。這是因為，隨著能源的

短缺(從長遠來看，這是世界的總趨勢)，可利用熱源的溫度越來越低，換熱允許溫差將變得更

小，當然，對換熱技術的發展和換熱器性能的要求也就更高.所以，這些年來，換熱器的開發與

研究成為人們關注的課題。最近，隨著工藝裝置的大型化和高效率化，換熱器也趨于大型化,

并向低溫差設計和低壓力損失設計的方向發展.同時，對其一方面要求成本適宜，另一方面要

求高精度的設計技術。當今換熱器技術的發展以CFD(ComputationaIFluidDynamics)＞模

型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發等形成了一個高技術體系。近年來，隨著制造技

術的進步，強化傳熱元件的開發，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發展，根據不同的

工藝條件與換熱工況設計制造了不同結構形式的新型換熱器，并已在化工、煉油、石油化工、

制冷、空分及制藥各行業得到應用與推廣，取得了較大的經濟效益。

設計任務

(一)設計題目：丁二烯蒸汽冷凝器的設計

(二)設計任務及操作條件

1:處理能力7510kg/h飽和丁二烯蒸汽，

2：設備形式立式列管冷凝器

3：操作條件

(1)飽和丁二烯蒸汽：(溫度40℃,冷凝潛熱為373kJ/kg),冷凝液于飽和溫度離開冷凝器

(2)冷卻介質：水入口溫度15℃,出口溫度35℃,流量：自己計算

(3)允許壓強降：不大于150kpa

(4)飽和丁二烯定性溫度下的物性數據：自查

(5)每年按330天計，每天24h連續運行

(三).設計內容：

1、設計方案的選擇及流程說明

2、工藝計算，及校核

3、主要設備工藝尺寸設計

(D立式列管冷凝器結構尺寸的確定

(2)傳熱面積、兩側流體壓降校核

(3)接管尺寸的確定

4、設計結果匯總

5、換熱器裝備圖及工藝流程圖(手工繪圖要求2號或3號；若計算機繪

圖要求3號或4號)

6、設計評述

設計與選型的具體步驟

一.估算傳熱面積，初選換熱器型號

1o查取冷熱流體在該定性溫度下的物性。

2?根據換熱任務,計算傳熱量。

3.確定流體在換熱器中的流動途徑。

4o計算平均溫度差，并根據溫度差校正系數不應小于0。8的原則，確定

殼程數。

5o根據兩流體的溫度差和設計要求，確定換熱器的型號

6o根據換熱流體的性質及設計經驗，選取總傳熱系數值K選

7o根據總傳熱系數方程，初步計算傳熱面積S,并確定換熱器的基本尺寸

或按系列標準選設備規格。

二.計算管殼程壓力降

1,殼程壓力降.

2.管程壓力降。

三.核算總傳熱系數

1.殼程對流傳熱系數

2o管程對流傳熱系數

3.污垢熱阻

4。總傳熱系數K

5.K值與K選比較，若K/K選二1。15^1025,則初選換熱器合適，否則另

選K選，重新計算，步驟同上。

1、估算傳熱面積，初選換熱器型號

1.1基本物性數據的查取：

因為是用水冷凝1,3一丁二烯，所以其溫度不變，其定性溫度為40c

此溫度下的丁二陸的物性參數：

3

po=595kg/mCpo=2.0kJ/(kg?℃)

XPo=0.248W/(m.℃)y0-O.OOO275Pa?s

15+30

冷卻水的定性溫度：T==25(℃)

此溫度下的水的物性參數：

Pi=996.8kg/m3Mo0008937Pa

CA

PMOl79kJ/(Kg.℃)pi=0.6075W/(m.℃)

2、計算冷凝量、熱負荷、水耗量、普蘭特準數、平均傳熱溫差

7510

冷凝量％=數而=2.09kg/s

2801230kJ

熱負荷Q=W1r=7510x373=-------------=778.lkj/s

Q2801230

水耗量叫==4.17(35.15)=33587,9k8/h=933kg/s

Ci”ui4.16x1000x0.0008

普蘭特準數Pr=F；=------------0^16-------------=54

平均傳熱溫差

AG=40-15=25(℃)^t2=40-35=5(c)

△b25

由

g-岫5-25

At-=TT=-5-=1243(°C)

D_TI-Ti40-40n

八—-------------------=--------------------=U

t2—ti35-15

p_t2-ti3515

=0.8

T\-ti-4O15

由R、P值，查圖571(a)中〃=1.0,因為①4>0。8,選用單殼程可行。

3、確定管徑和初選管速

從腐蝕性、傳熱面積和價格三方面綜合考慮后，選用僅5X2?5mm無縫鋼管，此管的內徑dj。。

02m.

綜合考慮管內Re,管程壓降AP及單程管數三方面的因石，水的流速選為0。6

4、估算總傳熱系數K

2

有機物蒸汽-水系統冷凝操作的傳熱系數K值范圍為50。-1500W/(m.?C)

diPiui0.02x996x0.6

RC=~~T~=0.0008937=13374

、A..0.80.4

XiaUipiLrPjUi

Qi=0.0237r(——)

Qi11iA.i

0.4

0.60754-.179x103x0.0008937

=0.023x不祈T(13374嚴(?)

U?VZ乙XZ0.6075

=2892.lW/(m2.℃)

殼程傳熱系數:

假設殼程的傳熱系數ao=25OOW/(m2?c)

污垢熱阻

2

Rsi=0.00058m.K/W

2

Rs0=0.000176m.K/W

管壁的導熱系數人=45W/(m.-)

1

~~bd；F

―3-+Rsi丁+d+%+—

aiaiaiXao

1

0.0250?025~~0.0025x0.0251

-----------------------+0.00058x--------+---------------------+0.000176+——

2892.1x0,020漢0.02045x0,0202500

=554.8W/(m2.℃)

5、計算傳熱面積

傳熱面積

3

IQ778.1x10

s==112.83(m2)

KA%】-554.8X12.43

6、確定換熱器工藝結構尺寸

6o1單程管數為：

W4X9.33

=497?50（根）

n0.6X3.14x0.022X996.8=

U---Qf-p

4

6.2單程管長為：

S，9.3

p=______=__________________=24（m）

n，jid050x3.14x0.025''>

6.3選定換熱器管長1=2m,則管程數所為

2.4

NP=-=1-2

取Np=2程,則總管數為：

n=2n*=2x50=100（根）

6o4初選換熱器

根據S'=112.83m2,n=100根，4=2,選用G700-2T6758。4列管換熱器，其實際傳熱面積

1

為158.4m,有關參數如下：

公稱直徑DN700mm公稱壓力PN1.6x106Pa

2

傳熱面積s158.4m管程數-2

管教11342管長12m

管子規格025x2.5mm管心距t32mm

管子排列方式正三角形

6o5管程壓降的計算

dipjUj

Re,=--------

其中，內為選定換熱器的實際操作流速，由下式計算

Vi

W9.33

式中vi=—=QQZ-Q=0-0093(m3/s)

P\7VO.O

342

n=亍=171(根)

0.0093

所以由=------------------=0.17(m/s)

171xgXO.O22

0.02x0.17x996.8

Re,=---------------------=3792.2

故0.0008937

由于KH=3792.2,根據傳熱管相對粗糙度0。0075,查莫狄圖得i=0.039W/(m.℃),又取

管程結垢校正系數耳=1,5,故存管程壓降為

(1\P相

APi=卜+3,t?與.——

/6\996.8x0.172

=0039X+3X1-5X2x------5------

=635.2(N/m2)<9.8x103(Pa)

因此，壓降滿足要求.

6.6計算管內給熱系數四

16

因為Re=3792,而且不=以=30。＞50

故

入idjUjpj%口i

01=0.023^(——)

aiUi入i

(0.6075\r

=0.0231——1(3792)0no8(6.15)°-4=1054.1W/(m2.℃)

6o7計算冷凝給熱系數0。

一般情況下，水平管的冷凝給熱系數大于垂直管的冷凝給熱系數,所以列管換熱器選用水平安

裝方式。對于n根水平管束，可用下式計算冷凝給熱系數

5952X6X342

p2ln

2

ao=2.02￡入32.02x0,6x0,2487510=3280|W/(m.℃)]

[W0000275X3600

6.8計算K值

K

1

d°d0bd01

麗+降不+忻+Rso+￡

1

0.0250^25~~0.0025x0.0251

1054.10x0.02+0,00058x0^20+45x0.0225+0,000176+3280

=408.2[W/(m2-℃)]

6.9計算傳熱面積及安全系數

3

Q778.1x109

S===408.2x1243=1534⑺)

9

實際換熱器的傳熱面積為158o4m，故安全系數為

158.4

1534=103

有合適的傳熱面積裕度，該換熱器能夠完成生產任務。

6。10計算管束與殼體溫差

根據對流傳熱速率可得

Q=小仁-tw)

故

,Q778100

tw=豕+1=1054,1X158.4+285=33，1°C

而管束的平均溫度為

4+tw'40+33.1

tnig「一=-2—=36.6(?

則殼體與管束的溫差為

\t=T-ting=40-36.6=3.45<6.47

以上各項計算結果表明，所選型號的換熱器合用。

6o11.計算接管

殼程流體進出接管:

已知飽和丁二烯蒸汽的密度P=2.453kg/m3,取丁二烯流速為25m/s

,則丁二烯入口接管內徑為:

7510

I4V4x_____________

d=；-3600x2.453=0,208(m)

Jiru

-3.14X25

取標準管徑為207叫取標準管0219x6mm

取接管內丁二烯流速為u=l,0m/s,則接管內徑為

7510

4*3600X595=0,067(m)

d

7TU

-3.14X1.0

取標準管徑為70nlir,取標準管076x3mm

管程流體進出接管：取接管內循環水流速u=l-5m/s,則接管內徑為

2801230

(4x___________

d=3600X996=0.81

-3.14x1.5-

取標準管徑為150mm,取標準管0159x4.5mm

6.12計算折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%,則切去的圓缺高度為

h=0.3x700=210mm

取折流板間距BR.3D,則

B=0.3x700=240(mm),可取B為300mm。

傳熱管長6000,、

1=-300-=19(塊)

折流板數折流板間距

折流板圓缺面水平裝配.

7、換熱器的主要結構尺寸和計算結果

表1冷熱流體物性數據表

物料操作壓操作溫污垢系導熱系數比熱流體密粘度

名稱度數度

2

MPa℃m-K/WW/(m-K)kj/kgKgMmPa/s

冷卻0.115/350o000580.60754.179996.80.0008937

水

丁二0.1400o0.2482.05950.000275

烯000176

表2管程、殼程計算數據表

名流量流傳熱總傳熱對流傳熱阻力程數使用材

稱速量系數系數降料

22

kg/hm/sKWW/m-KW/m-KMPa

管33587o90o1054o1635.22無縫鋼

778d4C8o2

程17管

殼751032801無縫鋼

程管

表3工藝設備尺寸表

換熱換熱