很用心做的换热器课程设计Word文件下载.docx

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入口温度80.1℃出口温度40℃

（2）冷却介质：

循环水入口温度25℃出口温度35℃

（3）允许压降：

管程不大于30kPa

壳程不大于30kPa

三、设计内容

（1）、概述

管壳式换热器的优点

管壳式换热器的类型及工作原理

（2）.设计参数

苯的定性温度：

，该温度下的物性如下：

质量流量

Ws1=1500t/day

相对分子质量

Mr=78

密度

ρ1=836.6kg/m3

粘度

μ=0.381×

10-3Pa.s

导热系数

λ1=0.132W/（m.K）

比热容

Cph=1.828kJ/（kg.K）

进口温度

T1=80.1℃

出口温度

T2=40℃

允许压强降Δp=30kpa

水的定性温度：

ρ2=995.7kg/m3

μ2=0.800×

λ2=0.6176W/（m.K）

Cpc=4.174kJ/（kg.K）

t1=25℃

t2=35℃

（3）、根据任务要求，确定设计方案

（1）类型的选择。

根据流体压强，管壁与壳壁温差及其污垢的清洗等多个方面考虑，采用固定管板式换热器。

因为固定板式换热器具有结构简单和造价低廉等优点。

虽然它仅适用于壳程流体压强小于0.6Mpa，管、壳程壁温差小于70℃，且管间只能通过清洁流体的场合。

但针对本任务，管程和壳程都不大于30Kpa，用水冷却（水走壳程）满足管间通过清洁流体。

（2）流动路径的选择。

满足以下主要考虑：

A：

对于固定关板式换热器，将易结垢的流体排走管程，而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，安排走管间（即壳程）

B：

由于变换气被冷却且要求压力降不允许超过30kpa，且考虑到具有腐蚀性的流体宜走管程，以免管束和壳体同时收到腐蚀节约耐腐蚀材料，降低成本，因此安排有腐蚀性的苯走管程。

（苯对一些塑料有一定腐蚀性，特别在高温的时候，塑料会被苯溶解；

苯对一些无机材质，如金属，陶瓷等，基本没有腐蚀性）

C：

虽然笨为被冷却的流体宜走壳程，但因为有毒流体宜走管程，减少泄露的机会。

因此综合考虑还是安排有毒性的苯走管程。

综合结论：

苯走管程，冷却水走壳程。

（3）流速的选择：

根据换热器中常用的流体的流速范围，苯这类有一定粘度的流体，流速一般在0.5m/s-1.5m/s之间，所以苯在管内的流速取ui=0.68m/s

（4）换热器型号：

BEM800-0.6-138.16-4.5/25-4-I

（4）、初算换热器的传热面积So

（1）热负荷及冷却介质消耗量的计算

标准状况下变换气的质量流量Ws1=1500t/day=62500kg/h

热负荷Q=WhCph（T1-T2）=62500×

1.828×

（80.1-40）=4581425kJ/h=1272.618KW

冷却水的消耗量Ws2=

=109761kg/h

（2）计算平均温度差Δtm，并确定管程数。

选取逆流流向（逆流传热系数大，传热效果好，广泛应用于一般冷却），先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差Δtm’：

Δtm’=

=

=27.3℃

此温度差按照全逆流计算，但流体在关内并非完全逆流，因此需要进行温度校正。

有关参数:

R=

=4.01，P=

=0.18

根据R,P值，查《化工原理》上册P233图4-19可读得，温度校正系数

Φw=0.87>

0.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差

Δtm=Δtm’×

0.87=23.79℃

（3）按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=430W/（m2.K）

（4）所需传热面积So'

：

So'

=123.0m2

（5）、主要工艺及结构基本参数的计算

选用Φ25mm×

2.5mm钢管。

5.2换热管数量及长度的确定

管数n=

=98根总管数目392管长l’=

=15.99m

按商品管长系列规格，取管长L=4.5m<

6m（若大于6m下面算得的实际Ko会不对），Np=

=3.71选用四管程。

管子的排列方式，采用正三角形排列（三角形比较好算，而且传热系数比较大，相同面积可布的管多）；

管子与管板的连接，采用焊接法。

5.4计算外壳内直径Di

由于管中心距:

t=1.25do=1.25Χ25=32mm,横过管束中心线的管数nc=1.1

=21.78取整nc=22根,管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离b’=1.5do=1.5×

0.025=0.038m

Di=t（nc-1）+2b=0.032（22-1）+2×

0.038=0.748m,

按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=800mm。

因为L/D=5.625，管长径比在4~25之间，合适。

根据壳体直径Di、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。

由排管图得出，中心有22根管道时，按照正三角形排列，可排352根，每边各加13根，总共可以排列394根，（正三角形排列，管数<

理论管数值，传热面积不够，因此要在边上加13根）除去4根拉杆，总共可以排出390，与上述计算相差不大，所以实际管子数目为n=390根。

5.6计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko（选）

So=Nπdo（L-0.1）=379×

3.14×

0.025×

（4.5-0.1）=124.41m2

Ko（选）=

=390.63W/（m2.K）

选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm，（选择原因：

折流板尽量选取与壳板间隙较小的，因为间隙太大会达不到折流效果）因此，折流板直径Dc=793mm

切去弓形高度h=0.25D=200mm

折流板数量NB=

-1

取折流板间距ho=600mm，那么NB=

-1=8.78

取整得NB=9块

实际折流板间距h=440mm

选用Φ12mm钢拉杆，数量6条。

定距管采用Φ25mm×

由于

<

50℃，故无需考虑设置温度补偿圈。

外壳直径：

Di=800mm

换热面积：

So=138.16mm

换热管数量：

N=388根

管长：

L=4500mm

管子规格：

Φ25mm×

2.5mm（钢管）

管中心距：

t=32mm

管子排列方式：

正三角形

管程数：

壳程数：

折流板数量：

NB=9块

折流板间距：

h=440mm

拉杆数量：

4根

拉杆直径：

Φ12mm

定距管：

与换热管相同规格

通过管板中心的管子数：

nc=22根

（6）、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定

换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。

主要接管有：

流体进出口接管，排液管等。

（1）筒体壁厚的确定

选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力

；

焊接系数

（单面焊），腐蚀裕度

，所以

根据钢板厚度标准，取厚度为12mm，即

=12mm

（2）封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。

根据壳体的直径为800mm，封头选择公称直径为800mm的标准封头，参数如下：

曲面高度为200mm，直边高度为25mm，厚度为6mm，质量36kg，具体参照JB/T4729-94

根据壳体的直径为800mm，筒体法兰选择公称直径800mm的甲型平焊法兰，D’为930mm，D1为890mm，厚度40mm，质量50.33kg具体可以参照TB4702-92

管板采用公称直径为800mm的管板，D为930mm，D1为890mm，D2为790mm，D3为793mm，厚度32mm，螺栓孔数目32。

支座选择公称直径为800mm的鞍式支座，高度200mm，质量35kg，具体尺寸参考JB/T4712-92

（3）流体进、出口接管直径计算。

苯进出口接管d1,苯的流速一般在0.5-1.5m/s之间，取u1=1.5m/s那么d1=0.1328m

经圆整采用

热轧无缝钢管（GB8163-87）实际苯的进出口管内流速为u1=1.806m/s

水的流速可以在1-3m/s之间，进出口接管d2,取u2=2m/s，那么d2=0.1397m

热轧无缝钢管（GB8163-87）实际水流速u2=2.381m/s

（7）、管、壳程压强降的校验

（1）管程压强降：

ΣΔpi=（Δp1+Δp2）FtNsNp

据上述结果可知：

管程数Np=4，串联壳程数Ns=1，对于Φ25mm×

2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。

流体流经直管段的压力降为:

Δp1=（λ

+ξe+ξc）

=（λ

+1.5）

由于Gi=

=144.74Rei=

=29616.03

取ε=0.2mm,那么ε/di=0.2/20=0.01,可查得λ=0.035，故Δp1=1419.65N/m2

流体流经回弯管的压力降为Δp2=3（

）=570.71N/m2

所以ΣΔpi=11146.0N/m2<

30kpa，管程流体压强降满足要求。

（2）壳程压强降（冷却水走壳程）：

ΣΔp

=（Δp1’+Δp2’）FsNs

其中流体流经管束的压强降为：

Δp1’=FfoNc（NB+1）

由于管子排列方式对压强降的校正因子：

F=0.5（正三角形排列）

壳程流体的摩擦系数：

fo=5Re

横过管子中心的管子数：

Nc=22根

折流板数：

NB=9块Reo=

d

=0.0202m

u

=0.28m/s

Reo=6992.53>

500f

=0.664

Δp1’=2819.25N/m

Δp2’=2993.48N/m

Ns=1（单壳程）Fs=1.15（液体）

所以ΣΔp

=6684.64N/m2<

30kpa，壳程压强降满足题给要求。

（8）、总传热系数的校验

总传热系数由下式计算：

=

+R

+

其中，管内变换气的传热系数α

的计算

α

=0.023

R

=944.48W/（m

.K）

管间水的传热系数αo的计算αo=0.36

由于水被加热，取粘度校正系数Φw

=1.05

=2641.41W/（m

取水侧与苯侧污垢热阻分别为0.26Χ10-3（m2·

K/W）、1.7197Χ10

（m2·

K）/W，查得钢管导热系数λ=51W/（m·

K），故

=2.24

m2·

K/W

Ko（计）=446.08W/（m

·

K），所以，

一般Ko（计）/Ko（选）应在1.15~1.25之间。

本设计的换热器可适用。

（9）、换热器主要结构尺寸和计算结果

工艺参数

换热器型式

固定管板式

换热器面积（㎡）

138.16

名称

管程

壳程

物料名称

苯

循环水

操作压力，N/㎡

18114.66

6926

操作温度，℃

60.05

30

流量，kg/h

62500

109761.02

流体密度，kg/m3

836.6

995.7

流速，m/s

0.68

0.44

对流传热系数，w/㎡·

k

944.48

2641.41

污垢系数，㎡·

k/w

0.0026

0.000172

程数

4

1

使用材料

碳钢

传热量，kw

1272.62

总传热系数，w/㎡·

446.68

管子规格

Φ=25mmX2.5mm

管长，mm

4500

管间距，mm

25

正三角形

折流挡板型式

上下

间距，mm

440

切口高度25%

壳体内径，mm

800

传热面积

138.16m2

项目

数据

壳径D（DN）

800mm

管尺寸

¢

25mmX2.5mm

管程数Np（N）

管长l（L）

4.5m

管数n

390

管排列方式

正三角形排列

中心排管数nc

22

管心距

25mm

（十）、设计评述

图纸设计方面，基本上都用了所算得的符合要求的参数按图纸比例作图，并结合本小组的实际设计任务，画出列管式换热器工程图。

（即设计结果是怎样就怎样，相对于《常用化工单元设备设计》书上的有所改动,非照搬。

）另外，本设计还把图上把该放大的放大，该剖面的剖面。

虽然由于图纸不够大，设计图省略了一个折流板（图上以断开表示省略）。

总的来说，基本符合设计图纸标准。

在理论运算设计方面，在参考了一大堆资料和文献的基础上，本设计有了雄厚的理论知识背景，加上设计全过程遵循设计标准，因此设计成品大体符合要求，令人满意。

首先，本设计采用固定管板式换热器，其具有结构简单和造价低廉等优点。

其次，虽然设计的管程数为四，比起二管程、单管程，其流动阻力加大，增加动力费用；

但同时多程会使平均温度差下降，减少传热动力。

多管程隔板使管板上可利用的面积减少，而且四管程所需的管长及筒体长度较少，节省了制作材料的成本和放置的空间，保证了一定的传热系数。

再者，在找管程壳程安排上，水走壳程，苯作为热流体走管程，符合一般流动路径的选取原则。

另外，冷却剂选用水，其来源广、价格便宜，而且水的比热比较大，很适合作为传热介质，符合经济要求。

总的来说，该设计从工艺方面来说比较合理，从经济方面来说，只是所需动力费较其他管程多点，其他的还算节省，所以总体设计合理。

结束语

第一次进行的课程设计给我留下了太多记忆深刻的东西，学到了很多课本上学不到的知识。

设计过程真的有很多感慨，恨不得都把它们记录下来，下面就小抒几点，作为报告的体会：

第一，我们的设计任务“列管式换热器”还是上学期所学的知识，想要设计出高效合理的换热器，我得从新把上学期的知识温故，并且查阅更多的文献和资料，力求对理论有透彻的理解。

而在温故而知新得到过程中，我就像海绵吸水一样吸取着换热器方面的知识，开阔设计性的思维。

第二，在温故知新的学习过程，列管式换热器的设计蓝图已经在我脑海中浮现，剩下的就是把蓝图变为实物的工作，一次我一下子就有了逾理论于实践的激情。

因此，这次课程设计使我有了一次通过理论联系实际，来解决实际问题的经历，还培养了我分析问题，解决问题的能力，以及上网检索信息的能力。

第三，化工原理的课程设计和化工原理的理论课完全不一样，老师只是给出了任务，并没有具体的操作方法和更多详尽的介绍。

这才能真正地让我们锻炼到独立思考。

相反有时候觉得化工原理实验每个步骤都告诉我们该怎么做，对设计思维的锻炼就稍微欠缺。

其实学到的知识其实是次要的，重要的是我们探索知识的过程，这个过程便是一个人自主学习能力的体现，它将影响着我今后的发展。

第四，计过程中由于参数的可选定范围太大，而且有多个参数可以自由设定，而且往往算到最后才知道所设定的参数不符合条件，一切又要从新来过，因此很多同学都为之而抓狂，我也不例外。

但正是由于设计具有这样的难度，才更赋予我们挑战性，而当设计成功时所获得的成就感也才更无与伦比，以至到此时我还在怀念那种苦尽甘来的喜悦。

挑战和挫折往往磨砺我们的耐性和韧劲，更甚者迫使我们的潜能爆发，具体到本次设计表现为：

若不是用计算器算到抓狂都得不到合适参数，我们也不会想到用excel处理。

用excel不但可以避免认为的计算错误，还高效准确，即使重新设定参数再重头算一遍，也不至于让人抓狂。

我们都为能想到用excel处理数据而自豪。

第五，在本次课程学习中我真的学到很多知识，而且设计气氛自由，我可以在设计过程中验证了自己的一些猜想，开始感觉自己有点科学家精神了！

如果真的拿出了自己的全部精力去对待，就一定可以得到想要的结果！

最后，毕竟设计最终要以生产为实现。

就以本设计所得出的一些结论在生产上的应用作为结束吧：

从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为水的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K。

因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大。

通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。

参考文献

1.《常用化工单元设备设计》,李功祥,陈兰英,崔英德.广州：

华南理工大学出版社,2009.8；

2.《化工原理上册修订版》,夏清,陈常贵等.天津:

天津大学出版社,2005.1；

3.《画法几何与机械制图第二版》,冯开平,左宗义等.广州:

华南理工大学出版社,2007.7.

4．《化工数据手册》