化工原理课程设计换热器.docx
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化工原理课程设计换热器
化工原理课程设计--换热器
化工原理课程设计题目
学院：
化学化工学院
专业：
化学工程与工艺
姓名：
何宽
学号：
2011133163
指导教师：
日期：
2013年8月25日
摘要
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。
它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。
它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。
换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。
由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。
随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器
二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。
以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。
30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。
接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。
30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。
在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。
60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。
此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。
70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。
70年代末随着能源矛盾的日益突出，国内冶金工业炉开始大量采用换热器，其中绝大多数是金属对流换热器。
当时最受青睐的是翅片管换热器，它的换热元件是带有内外翅片的铸钢管。
由于单位体积内的换热面积大，所以换热器整体效率高，占地小，适合旧有炉子改造位置紧张的条件。
但由于铸造产品质量控制难度大，裂、漏现象严重，而且膨胀问题也成为薄弱环节，更有令人头痛的积灰问题，限制了翅片管换热器的应用水平。
自80年代后期以来，各种轧制管材的换热器逐渐取代了翅片管换热器。
虽然其单位体积内的换热量没有翅片换热器大，但它的质量稳定，寿命长，阻力损失也不太大，得到广大用户的喜爱。
目前应用最多的是管式换热器，其换热管是无缝钢管，有时管内加插件以强化传热，材质是碳钢或碳钢渗铝或耐热钢。
近年来，材质水平又有了新的提高
管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点．在各工业领域中得到最为广泛地应用。
近年来．尽管受到了其他新型换热器的挑战．但反过来也促进了其自身的发展。
在换热器向高参数、大型化发展的今大，管壳式换热器仍占主导地位。
根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五类。
固定管板式换热器的典型结构如图1所示。
管束连接到管板上，管板与壳体焊接。
其优点是结构简单、紧凑、承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。
这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗。
管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。
为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。
图1固定管板式换热器
固定管板式换热器的主要组合部件有前端管箱，壳体和后端结构（包括管束）三部分组成。
管束连接在管板上，管板与壳体焊接。
其结构简单紧凑，排管多，能承受较高的压力，造价低，管内不宜结垢，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。
这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管程和壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。
管程
壳程
换热
面
积
推荐
材质
物料
名称
操作压力
操作
温度
物料
名称
操作压力
操作
温度
管
层
壳
层
冷却水
0.35
35-45
甲醇
0.45
35-90
126
20#
关键词：
换热器
概述
1.1换热器简介
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。
在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。
35％～40％。
随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。
在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。
换热器按传热方式的不同可分为：
混合式、蓄热式和间壁式。
其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。
表2-1传热器的结构分类
类 型
特 点
间壁式
管壳式
列管式
固定管板式
刚性结构
用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗
带膨胀节
有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力
浮头式
管内外均能承受高压，可用于高温高压场合
U型管式
管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难
填料函式
外填料函
管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质
内填料函
密封性能差，只能用于压差较小的场合
釜式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮
双套管式
结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中
套管式
能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器
螺旋管式
沉浸式
用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
板面式
板式
拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热
螺旋板式
可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能
平板式
结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净
板壳式
板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高
混合式
适用于允许换热流体之间直接接触
蓄热式
换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合
1.2设计目的和意义
（1）合理地实现所规定的工艺条件
传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。
设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。
其具体做法如下。
①增大传热系数?
在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。
②提高平均温差?
对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。
因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。
在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。
③妥善布置传热面?
例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。
错列管束的传热方式比并列管束的好。
如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。
（2）安全可靠
换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。
（3）有利于安装、操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。
设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。
（4）经济合理
评价换热器的最终指标是：
在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。
在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。
动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。
传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。
在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。
严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。
但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。
1.3换热器设计任务书
1．设计题目
某硫酸生产工艺，年生产硫酸26万吨。
已知浓硫酸浓度98.3%，温度90℃，要求经换热后硫酸出口温度小于60℃。
现选择水为换热介质，冬季选择进口温度10℃，出口温度60℃。
拟设计一换热器完成生产任务。
设计的目的：
2.通过对硫酸产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。
1.4确定设计方案
选择换热器的类型
两流体温度变化情况：
热流体进口温度90℃，出口温度50℃；冷流体进口温度10℃，出口温度60℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮选式换热器。
1.5确定工艺流程
从两物流的操作压力看，应使用硫酸走管程，循环冷却水走壳程。
但由于循环冷却水易结垢。
若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使用循环水走管程，硫酸走壳程。
1.6确定设计参数
硫酸的定性温度：
密度
＝1840
定压比热容 Cp0＝1.582kJ/kg℃
热导率 λ0＝0.109W/m℃
粘度 μ0＝Pa﹒s
水的定性温度：
密度 ρi＝992.2/m3
定压比热容 Cpi＝4.147KJ/kg℃
热导率 λi＝63.38
W/m℃
粘度 μi＝65.60
Pa﹒s
1.7计算总传热系数
1、热流量
kJ/h=521kw
平均传热温差
△tm1=（△t1-△t2）/㏑（△t1/△t2）=（100-10）/㏑（100/10）
式中：
℃,
℃
求得
℃
2、冷却水用量
（kg/s）=9047kg/h
3计算传热面积
求传热面积需要先知道K值，根据资料查得硫酸和水之间的传热系数在870W/（㎡.℃）左右，先取K值为800W/（㎡.℃）计算
由Q=KA△tm得
（㎡）
4.工艺结构尺寸
1．管径和管内流速选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=5.5m/s。
2．管程数和传热管数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=7m，则该换热器的管程数为
Np=
传热管总根数Nt=2640×0.046=264
3.平均传热温差校正及壳程数
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。
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形排列，隔板两侧采用正方形排列。
见下图
取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32㎜
隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算
S=t/2+6=32/2+6=22㎜
各程相邻管的管心距为44㎜。
管束的分程方法，每程各有传热管616根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按下图选取。
5．壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.75，则壳体内径为：
D=1.05t
按卷制壳体的进级档，可取D=634mm
6.
6．折流板采用弓形折流板，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=0.25×634=158.5m，故可
取h=159mm
取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×634=190.2mm，可取B为191mm。
折流板数目NB=
1.8换热器核算
1.8.1.热流量核算
（1）壳程表面传热系数用克恩法计算得：
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：
0
普朗特数：
粘度校正：
（2）管内表面传热系数：
管程流体流通截面积：
管程流体流速：
普朗特数：
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