一、設計題目： 列管式換熱器設計
二、設計任務及操作條件
1、設計任務
處理能力： 3000噸/日
裝置型式： 固定管板式換熱器
2、操作條件
（1）苯：入口溫度 80.1℃ 出口溫度 40℃
（2）冷卻介質：迴圈水入口溫度 25℃ 出口溫度 35℃
（3）允許壓降：管程不大於30kpa
殼程不大於30kpa
三、設計內容
（一）、概述
目前板式換熱器產品達到了乙個成熟階段,憑藉其高效、節能、環保的優勢,在各行業領域中被頻繁使用,並被用以替換原有管殼式和翅片式換熱器,取得了很好的效果。
板式換熱器的優點
(1)換熱效率高,熱損失小
在最好的工況條件下,換熱係數可以達到6000w/m2k,在一般的工況條件下,換熱係數也可以在3000～4000w/m2k左右,是管殼式換熱器的3～5倍。裝置本身不存在旁路,所有通過裝置的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進行充分的換熱。完成同一項換熱過程,板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/3～1/4。
(2)占地面積小重量輕
除裝置本身體積外,不需要預留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0.6～0.8mm。同樣的換熱效果,板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。
(3)汙垢係數低
流體在板片間劇烈翻騰形成湍流,優秀的板片設計避免了死區的存在,使得雜質不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。
(4)檢修、清洗方便
換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當檢修、清洗時,僅需鬆開夾緊螺柱即可卸下板片進行沖刷清洗。
(5)產品適用面廣
裝置最高耐溫可達180℃,耐壓2.0mpa,特別適應各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱**、冷凝以及單元裝置食品消毒等方面,在低品位熱能**方面,具有明顯的經濟效益。各類材料的換熱板片也可適應工況對腐蝕性的要求。
當然板式換熱器也存在一定的缺點,比如工作壓力和工作溫度不是很高,限制了其在較為複雜工況中的使用。同時由於板片通道較小,也不適宜用於雜質較多,顆粒較大的介質。
板式換熱器的型別及工作原理
板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釺焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式;按照密封墊可以分為粘結式和搭扣式。各種形式進行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對性。比如同樣是人字形波紋的板片還因採用粘結式還是搭扣式密封墊而有所不同,採用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕,並且裝置拆裝更加方便。
又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好於可拆式板式換熱器,可以達到250℃、2.5mpa。因此同樣是板式換熱器,因其形式的多樣性,可以應用於較為廣泛的領域,在大多數熱交換工藝過程都可以使用。
雖然板式換熱器有多種形式,但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外力將換熱板片夾緊組裝在一起,介質通過換熱板片上的通孔在板片表面進行流動,在板片波紋的作用下形成激烈的湍流,猶如用筷子攪動杯中的熱水,加大了換熱的面積。冷熱介質分別在換熱板片的兩側流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸,通過板片來進行充分的熱傳遞,達到最終的換熱效果。
冷熱介質的隔離主要通過密封墊的分割,或者通過大量的焊縫來保證,在換熱板片不開裂穿孔的情況下,冷熱介質不會發生混淆。
（二）.設計引數
苯的定性溫度：，該溫度下的物性如下：
水的定性溫度：，該溫度下的物性如下：
（三）、根據任務要求，確定設計方案
(1)型別的選擇。
根據設計要求，採用固定管板式換熱器
(2)流動路徑的選擇。
由於變換氣被冷卻且要求壓力降不允許超過30kpa，按變換氣走管內考慮；而冷卻水為處理過的軟水，結垢不嚴重，安排走管間（即殼程）
(3)流速的選擇。
變換氣在管內的流速取ui=0.75m/s
（四）、初算換熱器的傳熱面積so
(1)熱負荷及冷卻介質消耗量的計算
標準狀況下變換氣的質量流量ws1=3000t/day=125000kg/h
熱負荷 q=whcph(t1-t2)=125000×1.82×(80.1-40)=9122750kj/h=2534kw
冷卻水的消耗量 ws2===218.561t/h
(2)計算平均溫度差δtm，並確定管程數。
選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計算出平均溫度差δtm』：
δtm』===27.3℃
有關引數
r===4.01 ，p===0.18
根據r,p值，查《化工原理》上冊p233圖4-19可讀得，溫度校正係數
φw=0.99>0.8，可見用單殼程合適，因此平均溫度差δtm=δtm』×0.99=27℃
(3)按經驗數值初選總傳熱系數ko（估），選取ko（估）=500w/(
(4)所需傳熱面積so'：
so'===187.7m2
（五）、主要工藝及結構基本引數的計算
(1)換熱管規格及材質的選定。選用φ25mm×2.5mm鋼管。
(2)換熱管數量及長度的確定
管數 n===176根
管長 l』===13.6m
按商品管長系列規格，取管長l=4.5m，
np ==3.02 選用四管程。
(3)管子的排列方式及管子與管板的連線方式的選定。管子的排列方式，採用正三角形排列；管子與管板的連線，採用焊接法。
(4)計算外殼內直徑di
di=t(nc-1)+2b』
由於管中心距t=1.25do=1.25χ25=32mm
橫過管束中心線的管數 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根
管束中心線上最外層管的中心至殼體內壁的距離 b』=1.5do=1.5×0.025=0.038m
所以di=0.032（29-1）+2×0.038=0.972m,
按殼體直徑標準系列尺寸圓整，取d=1000mm。
因為l/d=4500/1000=4.5，管長徑比在4~25之間，合適。
(5)排管：根據殼體直徑di、管中心距t、橫過管束中心線的管數nc及其排列方式，繪出排管圖。由圖可知，中心排29根管時，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每邊各加14根(12+2,兩層)，共排715根，除去6根拉桿位置，實際排出709根。
因此，實際管子數n=n=709根。
(6)計算實際傳熱面積so及過程的總傳熱系數ko（選）
so=nπdo(l-0.1)=406×3.14×0.025×(9-0.1)=284m2
ko(選)= ==382.7w/(
(7)折流板直徑dc、數量及其有關尺寸的確定。選取折流板與殼體間的間隙為4.5mm，因此，折流板直徑 dc=1000-2×4.5=991mm
切去弓形高度 h=0.25d=0.25×1000=250mm
折流板數量 nb=-1
取摺流板間距ho=600mm，那麼
nb=-1=-1=6.3
取整得nb=7塊
實際折流板間距
h==550mm
(8)拉桿的直徑和數量與定距管的選定。選用φ12mm鋼拉桿，數量6條。定距管採用與換熱管相同的管子，即φ25mm×2.5mm鋼管。
(9)溫度補償圈的選用。
由於< 50℃，故無需考慮設定溫度補償圈。
(10)列出所設計換熱器的結構基本引數。
（六）、換熱器主要構件尺寸與接管尺寸的確定
換熱器主要構件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板、支座。主要接管有：流體進出口接管，排液管等。
(1)筒體壁厚的確定
選取設計壓力p=0.6mpa，殼體材料為q235，查的相應的許用應力；焊接係數（單面焊），腐蝕裕度，所以
根據鋼板厚度標準，取厚度為12mm，即=12mm
(2)封頭、筒體法蘭、管板、支座選取標準件。
((3)流體進、出口接管直徑計算。
變換器進出口接管d1,取u1=2m/s那麼
經圓整採用熱軋無縫鋼管（gb8163-87）實際苯的進出口管內流速為
水進出口接管d2,取u2=2m/s，那麼
經圓整採用熱軋無縫鋼管（gb8163-87）實際水流速
（七）、管、殼程壓強降的校驗
(1)管程壓強降：
σδpi=（δp1+δp2）ftnsnp
據上述結果可知：管程數np=4，串聯殼程數ns=1，對於φ25mm×2.5mm的換熱管，結構校正係數為ft=1.4。
流體流經直管段的壓力降為
δp1=（λ+ξe+ξc）=（λ+1.5）
由於 gi==624 rei===32000
取ε=0.2mm,那麼ε/di=0.2/20=0.01,可查得λ=0.041，故
δp1=（0.041×+1.5）×=2527.7 n/m2
流體流經回彎管的壓力降為δp2=3（）=3×（）=707.06 n/m2
所以σδpi=（2527.7+707.06）×1.4×1×4=18114.66 n/m2<30kpa，管程流體壓強降滿足要求。
(2)殼程壓強降（冷卻水走殼程）：σδp=（δp1』+δp2』）fsns
其中流體流經管束的壓強降為： δp1』=ffonc(nb+1)
由於管子排列方式對壓強降的校正因子：f=0.5（正三角形排列）
殼程流體的摩擦係數：fo=5re
橫過管子中心的管子數：nc=29根
折流板數：nb=7塊
reo=
d===0.0202m
列管式換熱器課程設計
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