管壳式换热器课程设计

管壳式换热器课程设计

一、管壳式换热器的介绍

管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备，它的特点是结构坚固、可靠高、适应性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范

围广、换热面的清洗比较方便、高温和高压下亦能应用。但从传热效率、结构的紧凑性以及位换热面积所需金属的消耗量等方面均不如一些新型

高效率紧凑式换热器。管壳式换热器结构组成：管子、封头、壳体、接管、

管板、折流板；如图1－1所示。根据它的结构特点，可分为固定管板式、

浮头式、U形管式、填料函和釜式重沸器五类。

二、换热器的设计

2.1设计参数

参数名称壳程管程

设计压力（MPa） 2.6 1.7

操作压力（MPa） 2.2 1.0/0.9（进口/出口）

设计温度（℃） 250 75

操作温度（℃） 220/175(进口、出口) 25/45(进口/出口)

流量（Kg/h） 40000 选定

物料（-）石脑油冷却水

程数（个） 1 2

腐蚀余度（mm） 3 -

2.2设计任务

1. 根据传热参数进行换热器的选型和校核

2.对换热器主要受压原件进行结构设计和强度校核，包括筒体、前端封头管箱、外头盖、封头、法兰、管板、支座等。

3.设计装配图和重要的零件图。

2.3热工设计

2.3.1基本参数计算

2.3.1.1估算传热面积

-=220-45=175

-=175-25=150

因为,所以采用对数平均温度差

算术平均温度差：=

P=

R=

查温差修正系数表得

因此平均有效温差为0.82

放热量

考虑换热器对外界环境的散热损失,则热流体放出的热量将大于冷流体吸收的热量，即：

取热损失系数,则冷流体吸收的热量：

由可的水流量：

==31372.8

这里初估K=340W/(),由稳态传热基本方程得传热面积：

=16.55

2.3.1.2由及换热器系列标准，初选型号及主要结构参数

选取管径卧式固定管板式换热器，其参数见上表。从而查《换热器设计手

册》表1-2-7，即下表

公称直径管程数管子根数中心排管管程流通换热面积换热管长

换热管排列规格及排列形式：

换热管外径壁厚：d=50mm

排列形式：正三角形

管间距： =32mm

折流板间距：

2.1.1.3实际换热面积计算

实际换热面积按下式计算

2.2计算总传热系数，校核传热面积

总传热系数的计算

式中：——管外流体传热膜系数，W/(m2·K)；

——管内流体传热膜系数，W/(m2·K)；

,——分别为管外、管内流体污垢热阻，(m2·K) /W；

—管壁厚度，m；

——管壁材料的导热系数，W/(m2·K) oαiαiorr,δwλ

2.2.1管内传热膜系数

管内未冷却水流入，其速度为：

雷诺数：

对于湍流，由Dittus –Boelter关系式，有传热膜系数：

其中，普朗特数： =4.87

由于冷却水要被加热,故取n=0.4,即管内传热膜系数为：

=927.4W/()

2.2.1管外传热膜系数

因换热管呈正三角形排列，根据Kern法

当量直径：=

故

0.55

流体流过管间最大截面积是

其中壳体内径估算为=0.37

因此，=0.216.7

=

雷诺数：

普朗特数：

壁温可视为流体平均温度，即：

2.2.3总传热系数

因为有污垢热阻，因此查看表《GB151-1999管壳式换热器》可有管外有机物污垢热阻：/W

管内冷却水污垢热阻：/W

插入法得到=

因此得到

故

2.2.4总换热面积

由稳态传热基本方程：

=8.5

（1+25%）=10.6

2.3计算管程压力降

管程压力降有三部分组成，可按照如下公式进行计算

—流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa;

--流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa;

—流体流经管箱进出口的压力降，Pa;

—结构矫正因素，无因次，对Φ25×2.5mm，取为1.4；

--管程数，取2；

--串联的壳程数，取1

其中：

对光滑管，Re=3时，由伯拉修斯式，得：

因此，

因此，

管程压力降在允许范围内

1.3.2壳程压力降

采用埃索法计算公式：

式中：--流体横过管束的压力降，Pa;

--流体通过折流板缺口的压力降，Pa;

—壳程压力降的结垢修正系数，无因此，对液体取1.15;

其中：

式中：F—管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形F=0.5;

—壳程流体摩擦系数，当Re>500时，;

--横过管束中心线的管子数，对三角形排列;

--按壳程流通截面积计算的流速，。

计算过程如下：

0.003Mpa

因此，壳程压力降在允许范围内。

三、结构设计

下面选取材料，并进行换热器的结构设计

3.1结构尺寸参数

a)根据换热器公称直径为400mm，选用圆筒作为换热器壳体。

壳体圆筒：公称直径DN=400mm，壁厚。

b)换热管：外径d=25mm，壁厚，换热管长度，根数

n=94，受压失稳当量长度，换热管呈正三角形排列，管间距

。

c)管板：刚度削弱系数，强度削弱系数。

d)螺栓：数量n=16，规格M27，30mm有效承载面积：（《换热器设计手册》）

e)管箱法兰：采用GB/T9113.2_2000，凹凸面整体钢制管法兰法兰外径

，螺栓孔径中心圆直径，法兰厚度C=32mm，管箱

圆筒厚度，法兰宽度：

3.2采用原件材料及数据

a)换热管材料：碳素钢钢管 20

设计温度下的许用应力

设计温度下的屈服点

设计温度下的弹性模量(GB150-89,表15)

管壁温度下的弹性模量

管壁温度下的膨胀系数

b)壳程圆筒材料：碳素钢Q235-B