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1、磷酸钾冷却器的设计1概论Ll设备综述在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。而在诸多种类的换热器中，列管式换热器的应用则最为广泛。列管式换热器的应用已有很悠久的历史。现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量
2、使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。在此，我们只对列管式换热器进行介绍。1.2列管式换热器简介(1)固定管板式换热器固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。
3、当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（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。固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（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。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀
4、接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。（2）浮头式换热器新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成
5、，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布,浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。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，完全消除了温差应力。在凹型和梯型凹槽之间钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，设浮头法兰为凸型和梯型凸台双密封，分程隔板与梯型凸台相通并位于同一端面的宽面法兰，且凸型和梯型凸台及分程隔板分别与浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相对应匹配
6、，该浮头法兰与无折边球面封头组配焊接为浮头盖，其法兰螺孔与浮头管板的丝孔或螺杆相组配，用螺栓或螺帽紧固压紧浮头管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其垫片，该结构必要时可适当加大浮头管板的厚度和直径及圆筒的内径，同时相应变更加大相关零部件的尺寸；另配置一无外力辅助钢圈，其圈体内径大于浮头管板外径，钢圈一端设法兰与外头盖侧法兰内侧面凹型或梯型密封面连接并密封，另一端设法兰或其他结构与浮头管板原凹型槽及其垫片或外圆密封。(3)填料函式换热器这种设备的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，
7、不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于4MPa以下的工作条件,且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。(4)U型管式换热器管壳式换热器的一种，属石油化工设备，由管箱、壳体及管束等主要部件组成，因其换热管成u形而得名。u形管式换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管
8、程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。2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(磷酸钾)进口温度65,C,出口温度32C。冷流体(循环水)进口温度20C,
9、出口温度32C。考虑到该换热器的管壁温度和壳体壁温相差不大，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循环冷却水较易结垢，为了便于对水垢进行清洗，应使循环水走管程，磷酸钾溶液走壳程。选用25mX。2.5mm的碳钢管，管内流速取U=O.6m/s。3确定物性参数定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程磷酸钾的定性温度为T.=(65+32)/2=48.5(eC)管程循环水的定性温度t=(20+32)/2=26(C)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关数据。磷酸钾在48.5C下的有关物性数据如下：密度：Po=13OOkgm3定压比热容：Cp0=3.169103J(kgC
10、)导热系数：入o=O.57W(m)黏度：0=l.194103Pas循环冷却水在26C下的物性数据如下：密度：Pi=998kgm3定压比热容：Cpi=4.18IO3J/(kgC)导热系数：i=0.61W(mC)黏度：i=8.737IO-4Pas4计算总传热系数和传热面积(1)热流量Qo=qnoCpt0=7.5X3.169103(65-32)=784327.5(W)(2)平均传热温差At；=tJ 2(65-32)-(32-20)165-32ln32-20=20.8(3)冷却水用量Q0784325.5qmi=ticpi=(32-20)4.18103=当股份(4)总传热系数K管程传热系数：d；Uipi
11、0.020.6998Re=-Ljn= 3-= 1370i8.737x10-4-0.023(i)8(W)4di Hii0.61o.8/=0.023 X X 13707 X (0.02v8.73710-44.181030.61)o4=2927.3W/壳程传热系数：假设壳程的传热系数a=2941 W/ ( m2 X2 )污垢热阻 Ri=0.000344 m2 C / W, Re0= 0. 000172 m2 C / W壁管的导热系数入=45 W/ (mtC)l0.0252927.30.020+0.0003440.025.0.00250.0250.02+ 450.0225+0.000172+2941=
12、700W/(m2n)计算传热面积：Q0784327.5z.、T-=53.9(ma)ua20.8700KAtin考虑到15%的面积裕度，A=l.15Ax=62.0(m1)5工艺结构尺寸的计算(1)管径和管内流速选用。25mX2.5mm的传热管(碳钢)，取管内流速Ili=Il=06ms.(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。V15.6/9983、n=-5=G=82.97=83(根)S:#IIi0.7850.0220.6A62按单程管计算，所需的传热管总长度为L=-二C-d0ns3.140.02583=9.51(m)按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长i=6
13、m,则该换热器管程数为Nu*=2(管程)传热管总根数N=n=83X2=166(根)(3)平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数:R=TLT2t2-t165-3232-20=2.75TITl32-2065-20=0.27按单壳程，管程结构，温差校正系数应查有关图表。查图表可得，在R=2.75,P=O.27的情况下，t=0.82.平均传热温差t=im=O.82X20.8=17.1(eC)(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巷排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距a=L25d,则：a=l.2525=31.25j32()横过管束中心线的管束nc=l.19N=1.19166
14、=15.3%16(根)(5)壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n=o.7,则壳体内径为:D=L05aN7=L05X32/166/0.7=517.4(IDm)圆整可取D=550nun(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=025X550=137.5(mm),故可取h=150mm1(Pa)p1=(2014.2+537.1)1.52=7653.9(Pa)管程流体阻力在允许范围内。壳程阻力Po=(P+p2)FtN.N.=l,Ft=L15流体流经管束的阻力：AP1=Ffoc(N+l)F=O.5f0=5X69680228=0.6649nc=16NB=39
15、、Uo=O.320(ms).,CL.13000.3202p1=0.5X0.664916(39+1)=14161.8(Pa)流体流经折流板缺口的阻力：P2=Nb(3.5彳)等B=0.15(m)、D=0.55(m)AreKZSL2x0.15、xz13000.322p2=39X0.5-)X-=7670(Pa)总阻力EPO=(14161.8+7670)1X1.15=25106.57(pa)=2.5IO4(Pa)由于该换热器壳程流体的操作压力较高,所以壳程流体流动阻力也比较适宜。换热器主要尺寸和计算结果。换热器主要结构尺寸和计算结果见表Io表1换热器型式：固定管板式换热罂面积AP(Itf):78.2工艺
16、参数参数管程壳程物料名称循环水磷酸钾操作压力P(MPa)0.20.04操作温度tT(C)20/3265/32流量qm(kgs)7.515.6流体密度P/(kgm3)9981300流速u(ms)0.5990.320传热量Q(W)784327.5总传热系数K/(W/(m1C)699.3对流传热系数/(W/(m1C)29242951污垢系数Rs(m2.KW)0.0003440.000172阻力降Ap(MPa)0.00770.025程数2管程1壳程使用材料碳钢碳钢管子规格25mm2.5mm管数：166管长mm6000管间距a/mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距B(mm)150切口高度25%壳
17、体内径D(mm)550保温层厚度/(mm)无保温层核算数据。见下表2项目数据项目数据传热面积Ap(m2)78.2换热管管尺传热管尺寸25mmX2.5mm管程数NP(N)2管长l(mm)6.0管数N/(根)166管排列方式正三角形排列中心排管数n1(根)16管心距32mm壳径D(mm)550管数N(根)166折流板数Nb(块)39块管程对流传热系数i(w(m1C)2924面积裕度H19.2%壳程对流传热系数a0(w(m,C)2951磷酸钾流量qmo/(kgs)7.5管程流通面积Ajm20.0261冷却水流量qmi(kgs)15.6壳程流通面积A0m20.018057主要符号说明磷酸钾的定性温度T
18、m冷却水定性温度tm磷酸钾密度Po冷却水密度Pi磷酸钾定压比热容CpO冷却水定压比热容Cpi磷酸钾导热系数0冷却水导热系数l磷酸钾粘度Uo冷却水粘度Ui磷酸钾流量QmO冷却水流量Qmi热负荷Qo平均传热温差Atm总传热系数K管程雷诺数Rei温差校正系数t管程、壳程传热系数0ai初算初始传热面积A传热管数N初算实际传热面积AP管程数Np壳体内径D横过中心线管数nc折流板间距B管心距d折流板数Nb接管内径d管程压力降APO当量直径dm壳程压力降APioi面积裕度H8换热器主要结构尺寸换热器主要结构尺寸如图1所示。参考文献1马江权，冷一欣化工原理课程设计第二版北京：中国石化出版社，20092王志魁，刘丽英，刘伟化工原理第四版北京：化学工业出版社，20103匡国柱，史启才化工单元过程及设备课程设计北京：化学工业出版社，20084化工工艺算图第四册化工传热及燃烧北京：化学工业出版社，19905张洪流，张茂润化工单元操作设备设计华东理工大学出版社，2011
