化工原理换热器课程程设计.docx

1、化工原理换热器课程程设计 化工原理课程设计 换热器的设计姓名：班级：学院：学号：指导老师：1.1概述31.2.换热器设计任务书31.3换热器的结构类型41.4换热器材质的选择61.5设计方案简介72.1设计参数102.2计算总传热系数102.3工艺结构尺寸112.4换热器核算13热流量核算132.4.2换热器内流体的流动阻力153.1设计结果一览表173.2主要符号说明184.1设计心得185.1参考文献191.1概述 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管

2、外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.2设计任务及操作条件1

3、.2.1处理能力：356000kg/h的混合气体1.2.2.设备形式：列管式换热器1.2.3.操作条件1.2.4混合气体：入口温度103C出口温度42C1.2.5冷却介质：自来水 入口温度21C出口温度32C1.2.6允许压降:不大于100Kpa1.2.7混合气体定性温度下的物性数据： 密度90kg/m3 粘度1.5*10-5pa.s 比热容3.297kj/(kg.C)导热系数0.0279W/m.C1.2.7选择适宜的列管换热器并核算 1.2.7.1传热计算 管，壳程流体阻力的计算 3计算结果表 4总结1.3换热器的结构类型 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重

4、要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 1）间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混

5、合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。 2）蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。 3）紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。 4）这使得它在各种换热设

6、备的竞相发展中得以继续存在下来。 使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。1.4换热器制材的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换

7、热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 1.3.2管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显着的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa，设计温度不超过350的场合。1.5设计方案简介1.5.1 换热器类型的选择 根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。 这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器

8、的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。 U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管

9、间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。 浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。 填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的

10、温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。2.1设计参数混合气体的定性温度： 水的定性温度：定性温度下流体的物性 (kg /m3 )C kJ/(kg) (Pas) (W/m)混合气体903.2970.0150.0279水996.94.1780.90270.6082.2计算总传热系数Qo=m0cp0t0=求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350 W/()左右，先取K值为30

11、0W/()计算由Q=KAtm得2.3工艺结构尺寸选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u=0.5m/s。可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为 L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为 Np=传热管总根数 Nt=33792=6758 R= P=按单壳程，双管程结构得：平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列。 取管心距a=1.25d0 a=1.2525=31.2532m

12、m横过管中心线管数 b=1.1=1.1=90.1 取91壳体内径 采用多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径：式中 D壳体内径,mm； a 管心距，mm；b最外层的六角形对角线上的管数；e六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(11.5)d，取29mm。采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为： h=0.252.758=00.6895m，故可取h=0.690m取折流板间距B=0.4D，则 B=0.42.758=1.1032m折流板数目NB=2.4换热器核核算当量直径： =壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：粘度校正：管程流体流

13、通截面积： 管程流体流速： 普朗特数：管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w/(mK)： 传热面积Ac为： 换热器的实际传热面积为Ap 该换热器的面积裕度为：结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。换热器压降的计算为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；结垢校正因数，量纲为1，对的管子，取1.4；管程数串联的壳程数查表得 =（562.82+250.14）1.412=2276.29Pa100kPa流体横过管束的压强降(Pa);流体通过折流板缺口的压强降(Pa); 壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1，液体可取1.15。管子排列方法对压强降的校正因数，对

14、正三角形排列F=0.5壳程流体的摩擦系数，当Re500时,;横过管束中心线的管子数;折流挡板数;折流挡板间距(m);按壳程流通截面积计算的流速(m/s);而= (7698.05+149.24) 结论：壳程流动阻力也比较适宜。3.1设计结果一览表换热器型式：固定管板式换热器面积（）：2387.26工艺参数名称管程壳程物料名称循环水混合气体操作压力，MPa100100操作温度，21/32103/42流量，kg/h528.9198.89流体密度，kg/996.990流速，m/s0.4091.72传热量，kw19888.2总传热系数，w/k289.02对流传热系数，w/k2120509.04污垢系数，

15、k/w0.000530.00021阻力将，Pa2276.299024.38程数21使用材料碳钢碳钢管子规格管数 7758管长，mm4500管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距1103mm壳体内径/mm2758切口高度690mm3.2主要符号说明P压力，Pa ; Q传热速率，W；R热阻，K/W； Re雷诺准数；S传热面积，； t冷流体温度，；T热流体温度，； u流速，m/s;质量流速，/h; 表面传热系数W/(K);有限差值； 导热系数，W/(mK);粘度，Pas; 密度，/m3;校正系数。 r转速，n/(r/min)H扬程，m 必须汽蚀余量，mA实际传热面积， Pr普郎特系数NB

16、板数，块 K总传热系数，W/(K) 体积流量 Nt管数，根Np管程数 l管长，mKC传热系数，W/(mK) tm平均传热温差，4.1设计小结本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通

17、过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，希望老师批评指正。5.1参考文献1.王志魁，刘丽英，化工原理（第四版）M.北京：化学工业出版社，20101.夏清,陈常贵.化工原理(上册)M.天津:天津大学出版社,20052.中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺35774 .计手册(上册) M.北京:化学工业出版社,20033.常用化学手册编写组.常用化学手册M.北京:地质出出版社,19974. 陈敏恒,从德滋等.化工原理(上册) M.北京:化学工业出出版社,20065.化工原理（第三版）上、下册谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社20066.化工原理课程设计指导.马江泉 冷一欣.北京：中国石化出版社，2009