化工原理设计多管程列管式换热器的设计.docx

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化工原理设计多管程列管式换热器的设计

南京工程学院

化工原理课程设计

报告书

课程名称：

化工原理课程设计B

课题名称：

多管程列管式换热器的设计

院（系、部）：

环境工程系

专业：

环境工程

班级：

环境111

姓名：

王志远

学号：

216110127

起止日期：

2013-12-2～2013-12-13

指导教师：

李乾军

前言

换热器是一种实现物料之间的热量传递的设备，广泛应用与化工，冶金，电力，食品等行业。

它不仅可以单独作为加热器，冷却器等使用，而且是化工单元操作的重要附属设备。

在化工装置中换热设备占设备数量的40%左右，占总投资的35%~46%。

目前在换热设备中，使用量最大的是列管式换热器，尤其在高温高压和大型换热设备中占有绝对优势。

一般来说，列管式换热器有易于加工制造，成本低，可靠性高，而且能适应高温高压的特点。

随着新型高效传热管的不断出现，使得列管式换热器的应用范围得以不断夸大。

列管式换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器，蒸发器，再沸器及冷凝器使用。

固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体，因此它具有结构简单和造价低廉的优点。

但由于管板和壳体间结构的原因，使得管外侧不能进行机械清洗，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。

当管壁于壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生很大的温差应力，以至于管子扭曲或使管子从管板上松脱，以致毁坏整个换热器，因此，一般管壁和壳体的温度相差50℃以上时，换热器应有温度补偿装置。

一、符号说明：

1、物理量（英文字母）

B折流板间间距m

Cp定压比热容kJ/（kg·℃）

d管径m

D换热器内径m

f摩擦因数

F系数

G重力加速度m/s2

P压力pa

n指数

N管数

S传热面积㎡

t管心距m

u流速m/s

2、物理量（希腊字母）

Δ有限差值

λ导热系数W/（㎡·℃）

ρ密度kg/m3

μ粘度Pa·s

α对流传热系数W/（㎡·℃）

下标O管外m平均

二、设计目的

通过课题设计进一步巩固课程所学内容，培养学生运用理论知识进行化工单元过程设计的能力，使学生能够系统的运用知识。

通过本次设计，学生应该了解设计的内容，方法和步骤，使学生具有调研技术资料，自行确定设计方案，独自设计计算，准确绘制图样，编写设计说明。

三、参数与条件设置

1、已知参数

（1）热流体（油）：

T1=130℃T2=50℃Wh=6000kg/h

（2）冷流体（水）：

t1=30℃t2=40℃压力0.4MPa

2、设计条件

管程数：

2

压力降：

Δp<10~100kPa（液体）1~10kPa（气体）

雷诺数：

Re<5000~20000（液体）10000~100000（气体）

流动空间管材尺寸：

Φ25mm×2.5mm

管内流速：

0.50m/s

传热管排列方式：

正三角形排列

传热面积裕量S：

20%

传热管长L：

3

折流挡板切口高度与直径之比：

0.30

管壁内外污垢热阻：

自选

四、设计计算

1、确定设计方案

⑴、选择换热器的类型

两流体温度变化情况：

热流体（油品）进口温度130℃，出口温度50℃，冷流体（水品）进口温度30℃，出口温度40℃。

该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会减低，考虑这一因素，估计该换热器的的管壁温和壳体壁温和壳体之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

⑵、流动空间及流速的确定

油品走壳程，水品走管程。

选Φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取0.50m/s。

壳程流速0.3m/s

2、确定物性数据

定性温度：

可取流体进口温度的平均值。

油的定性温度为T=（130+50）2=90℃

水的定性温度为T=（30+40）/2=35℃

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

油在90℃下的有关物性数据如下：

密度ρo=825kg/m3

定压比热容Cρo=2.22Kj/（kg·℃）

导热系数λo=0.140W/（m·℃）

粘度μo=0.715×10-3Pa·s

水在35℃下的物性数据：

密度ρi=994kg/m3

定压比热容Cρi=4.08KJ/（kg·℃）

导热系数λi=0.626W/（m·℃）

粘度μi=0.725×10-3Pa·s

3、计算总传热系数

（1）、热流量

QO=wOcpOtO=6000×2.22×（130－50）=1065600kJ/h=296000Kw/h

（2）、平均传热温差

Δt′m=（Δt1+Δt2）/（lnΔt1/Δt2）=（（13－40）+（30－50））/1.5=47℃

（3）、冷却水用量

Wi=QO/（cpiΔti）=1065600/（（40－30）×4.08）=26118kg/h

（4）、总传热系数K

Ⅰ.管程传热系数

Re=diuiρi/μi=0.02×0.5×994/0.0007=13170

αi=0.023λi/di（diuiρi/μi）0.8（cpμi/λi）0.4

=0.023×（0.626/0.02）（Re）0.8（pr）0.4

=2733w/（㎡·℃）

Ⅱ.壳程传热系数

w/（㎡·℃）

污垢热阻㎡·℃/w㎡·℃/w

管壁的导热系数λ=45w/（㎡·℃）

换热器列管的平均直径

4、设计传热面积

S′=Q/（KΔt）=296000/（311.43×4.7）=21㎡

考虑20%的面积裕面

S=1.20×S′=21×1.20=25.2㎡

五、工艺结构尺寸

1、管径和管内尺寸

选用Φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取0.50m/s

2、壳程数和传热壳数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

按单程管计算，所需的传热管长度为

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

取传热管长L=3m，换热器管程数位2，则

则每层的管道数n=111÷2=56根

管内流速

3、平均传热温差校正系数

根据R=8，P=0.1，按单壳程，双管程结构，温差校正系数查有关图表，得

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，隔板两侧采用正三角形排列。

取管心距t=1.25dO，则

t=1.25×25=31.25=32mm

横过管束中心线的管数

5、壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为

圆整可取D=450mm

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20%，则切去的圆缺高度为h=0.2×450=90mm，故取h=90mm

取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×450=135mm

折流板数

折流板圆缺水平装配

7、接管

壳程流体进出口接管：

取接管内油品流速u=1.0m/s，则接管内径为取标准管径为50mm

管程流体进出口接管：

取接管内水流速u=1.5m/s，则接管内径为取标准管径为80mm

六、换热器核算

1、热量核算

（1）壳程对流传热系数，

对圆缺形折流板，可采用克恩公式

当量直径，由正三角形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特准数

粘度校正

（2）管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速

普朗特准数

（3）、传热系数

（4）、传热面积

该传热器的实际传热面积

该换热器的面积裕度为

该换热器的面积裕度合适，能完成生产任务

2、换热器内流体的流动阻力

（1）、管程流动阻力

由传热管相对粗糙0.1/0.2=0,005，Re=12887，查莫狄图得

又因

所以

所以管程流动阻力在允许范围内

（2）、壳程阻力

流体流经管束的阻力

因为是三角形。

所以F=0.5

又因Re>500,所以

所以

流体流过折流板缺口的阻力

（3）、总阻力

壳程流动阻力比较适宜

换热器主要结构尺寸和计算结果，换热器主要结构尺寸和计算结果见表1-1

表1-1换热器主要结构尺寸和计算结果

换热器模式：

固定管板式

管口表

换热面积

25.2

管口

尺寸

连接形式

用途

工艺参数

A

D80

平面

油品入口

名称

管程

壳程

B

D80

平面

油品出口

物料名称

水

油

C

D50

凹凸面

水品入口

操作压力MPa

0.4

D

D50

凹凸面

水品出口

操作温度℃

30/40

130/50

E

D20

凹凸面

排气口

流量m/s

26118

6000

F

D20

凹凸面

放净口

传热量kw

29600

29600

总传热系数

2733

对流传热系数

601

2600

污垢系数

0.000344

0.000172

阻力降

3.02

2.04

程数

2

1

直径

25*2.5mm

450mm

长度

3000

管子规格

111根，管间距32mm，正三角排列

折流挡板规格

20块，单弓形，立式，间距135mm，切口高度30%

七、设计总结

通过这次的课程设计，我学到了很多，虽然比较累，但是很开心，感觉这两周的课程设计比上了十几周的课还要充实，从白天一直算到晚上，有时候为了能把一个图画好赖在教室里很晚才走。

当然在这其中我发现把学到的知识运用到实际操作中有很大的不同，要综合考虑很多其他方面的事,现在就来说说我设计的换热器吧。

首先课程设计任务书里给了一些数据，然后我要根据所学的知识去设计一个符合要求的换热器。

在正式写之前要试算，了解自己的数据在哪个范围内。

还有那庞大的计算量，如果有一步算错了，后面的全错，要重新算，当然，我在这里也犯错了，把污垢系数弄反了，导致我算了两遍，不过最后还是算好了。

画图也是个麻烦事，由于CAD是大一学的，现在基本忘完了，我不得不把书拿出来边看边画。

还有一点不得不说，同学之间的帮助也很重要，在这个过程中，有些不懂的问题通过问同学也得到了解答。

总之，在这短短两周的课程设计中，我学到很多，不光是把课本里的知识会运用，更主要的是知道了做一件事不能太着急，要有耐心，要一步一步慢慢来，只有这样才能做成事。

八、参考文献

1、化工传递与单元操作课程设计.贾绍义，柴诚敬。

天津大学出版社，2002。

2、化工原理.陈迁乔，王娟，曲虹霞，马卫华。

国防工业出版社，2007。

3、化工过程及设备设计.华南理工大学出版社，1986。

4、化工设计.王静廉，黄璐。

天津大学出版社，1989。