化工原理课程设计列管式换热器.docx

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化工原理课程设计列管式换热器

XXX学院

本科课程设计

题目：

列管式换热器的设计

专业：

XXXXXXXX

学院：

XXXXXXXXXX学院

班级：

XXXXXXX

姓名：

XXXX

学号：

XXXXXXXXXX

指导教师：

XXXXXX

浮头式换热器设计说明说书

1概述

1.1课程设计学习目的及其重要性

设计是一项创造劳动，是设计者对许多构思加以综合，应用基础知识和专业知识去实现设计目标的一个过程。

化工原理课程设计是化工类相关专业的本科生运用化工原理及有关先修课程的基本知识去完成某一设计任务的一次较为全面的化工设计训练，可以增强我们独立学习，独立思考，独立分析的能力。

在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。

所以，课程实践是培养学生解决实际工程问题能力的有益实践。

通过课程设计，我们应该注重以下几个能力的训练和培养：

1.初步掌握化工单元操作设计的基本方法和程序。

2.查阅资料，选用公式和搜集数据的能力。

3.树立既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性，并注意操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力。

4.提高运用工程语言表达设计思想的能力。

5.提高正确的进行工程计算和利用AutoCAD画图的能力。

6.提高用简洁明了的文字，清晰的图表来表达自己设计思想和撰写设计报告的能力。

1.2列管式换热器设计的重要性及其步骤

1.2.1重要性：

换热设备是化工工业应用典型的工艺设备，主要用于实现热量传递，使热量由高温流体传给低温物体。

一般来说，换热设备在化工厂装置中所占的比例在建设费用方面高达10%~40%。

因此从能源节省以及工厂投资的角度来讲，合理地选择和使用换热设备，可节省投资，降低能耗，具有重要意义。

随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。

为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。

换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：

一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。

1.2.2列管式换热器设计的步骤：

①设计方案简介：

对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

②换热器的工艺计算：

确定换热器的传热面积。

③换热器的主要结构尺寸设计。

④主要辅助设备选型。

⑤绘制换热器总装配图。

2课程设计任务书：

现生产车间需要一台列管式换热器，用于油品回收柴油的热量。

流量为36000kg/h的柴油从180℃降至130℃，油品从60℃升至110℃。

试设计一台换热器完成该任务。

1.操作条件：

①操作压力常压（绝压）

②当地大气压96kPa（绝压）

2.设计要求：

①设计该热量回收利用的原则流程；

②设计计算该主体设备换热器的主要尺寸及型号规格，并绘制出该换热器的设备图。

3.编制设计说明书。

3设计方案的确定

3.1选择换热器的类型

两流体的温度变化情况:

热流体进口温度180℃，出口温度130℃;

冷流体进口温度60℃，出口温度110℃.

柴油定性温度为：

（180+130）/2=155℃

油品定性温度为：

（60+110）/2=85℃

∴两流体的温差∆tm=tm柴-tm油品=155-85=70℃

可选用带温度补偿的固定管板式换热器，但考虑到该换热器用不适用于热冷流体温差较大（大于70℃）的场合，故选用浮头式换热器。

3.2管程的安排

由于油品黏度大，为减少损失且充分利用柴油的热量、便于清洗，所以安排柴油走管程，油品走壳程。

4生产条件及其物料的物性参数

4.1生产条件及工艺参数

生产条件：

（1）操作压力常压（绝压）

（2）当地大气压96kPa（绝压）

（3）柴油流量为36000kg/h

（4）冷却介质：

油品，入口温度60℃，出口温度110℃

（5）柴油：

入口温度180℃，出口温度130℃

物性参数有：

柴油（油品）的密度、黏度、定压比热容、流速以及雷诺数等。

4.2主要物料的物性参数

柴油进口温度为180℃，出口温度为130℃。

油品进口温度为60℃，出口温度为110℃。

柴油定性温度为：

（180+130）/2=155℃

油品定性温度为：

（60+110）/2=85℃

根据定性温度分别查取柴油和油品的有关物性参数：

物料

密度/kg·m-3

比热/kJ·kg-1·K-1

导热/W·m-1·K-1

粘度/Pa·s

柴油

715

2.48

0.133

6.4*10-4

油品

880

2.2

0.199

5.2*10-3

5工艺设计计算

5.1传热面积估算

（1）热流量

QT=qm,hCp,0t0=36000*2.48*（180-130）=4464000（kJ/h）=1240KW

（2）油品的用量

qm,c=QT/Cp,iti=1240*103/2.2*103*（110-60）=11.27（㎏/s）=40572（㎏/h）

（3）初算传热面积

查传热手册，参照总传热系数的大致范围，同时考虑到壳程气体的压力，根据资料查得柴油和油品之间的传热系数大概在250（W/㎡·℃）假设K=250（W/㎡·℃），则估算的传热面积

S估=QT/K·∆tm=1240×103/（250×70）=70.86（㎡）

5.2工艺结构尺寸计算及选型

5.2.1管径和管内流速

查《化工原理课程设计》换热器结构设计选用Φ25㎜×2.5㎜较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速ui=1.1m/s

5.2.2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

N=qv/πdi2ui/4=36000/（3600×715）/（0.785×0.022×1.1）=40（根）按单程管的计算，所需的传热管长度为

L=A估/πd0N=70.86/（3.14×0.025×40）=23m

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

依据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=6m,则该换热器的管程数NP=

=

，传热管总根数n=NS*NP=40×4=160（根）

5.2.3平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数计算如下

P=（t2-t1）/（T1-T1）=（110-60）/（180-60）=0.42

R=（T1-T2）/（t2-t1）=（180-130）/（110-60）=1

按单壳程、四管程结构，查《化工原理课程设计》温度差校正系数图得

=0.852,平均传热温差∆tm=

·∆tm=0.852×70=59.5℃

∵Φ∆t=0.852>0.8,同时壳程流体流量较大∴采用单壳程适宜.

5.2.4传热管排列和分程方法

因流体黏度大、易结垢，为便于清洗，故采用正方形错列排列法。

管子间距Pt，一般是管外径的1.25倍左右，以保证胀管时管板的刚度。

取管心距Pt=1.25d0,则Pt=1.25×25=31.25≈32（㎜）

隔板中心到离其最近的一排管中心距离

Z=Pt/2+6=32/2+6=22mm

各程相邻管的管心距为44㎜。

5.2.5壳体直径

采用多管程结构，壳体直径D=1.05Pt

估算。

取管板利用率η=0.45，则壳体直径

D=1.05Pt

=1.05×32×

≈634（㎜）

圆整后的壳体直径D=800mm

5.2.6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h=800×0.25=200（㎜）

取折流板间距B=0.7D（0.2D

折流板数目NB=（传热管长/折流板间距）-1=（6000/600）-1≈9

5.2.7接管

壳程流体进出口接管：

取接管内流体流速u1=1m/s，则接管内径为D1=

1=

=0.128m=128mm

圆整后可取管内直径为130㎜

管程流体进出口接管：

取接管内流体流速u2=1.3m/s，则接管内径为D2=

=0.117m=117mm

圆整后可取管内直径为110㎜。

5.3换热器核算

5.3.1传热面积核算

（1）管程传热膜系数

根据α=0.023（λ/di）Re0.8Pr0.3

管程流体流通截面积：

Si=0.785

=0.013m2

管程流体流速和雷诺数分别为:

ui=qv,1/Si=［36000/（3600×715）]/0.013=1.08（m/s），

Re=diuiρ1/μ1=（0.02×1.11×715）/6.4×10-4≈24131

普朗特数：

Pr=CP,1·μ1/λ1=（2.48×103×0.64×10-3）/0.133=11.93

αi=0.023×（0.133/0.02）×（24131）0.8×（11.93）0.3=1031（w/㎡·℃）

（2）壳程传热膜系数

根据α=0.36（λ/de）·Re0.55·Pr0⅓·（μ/μw）0.14，

管子按正方形排列，传热当量直径为：

de=｛4×［Pt2-（Π/4）·d02]｝/Πd0

=［4×（0.0322-0.785×0.0252）]/（3.14×0.025）

=0.027（m）

壳程流通截面积：

S0=BD（1-d0/Pt）=600×800×（1-25/32）=0.105（㎡）

壳程流体流速和雷诺数分别为:

U0=qv,2/S0=[40572/（3600×880）]/0.105=0.12（m/s），

Re0=deu0ρ2/μ2=（0.03×0.12×880）/5.2×10-3≈548

普朗特数：

Pr0=CP,2·μ2/λ2=（2.22×103×5.2×10-3）/0.119=96

黏度校正：

（μ/μw）0.14≈1.05

∴α0=0.36×（0.119/0.03）×（548.1）0.55×（96）⅓×1.05=1712（w/㎡·℃）（3）污垢热阻和管壁热阻

查《化工原理课程设计》附录9知，管外侧污垢热阻R0=5×10-4（㎡·℃/w），管内侧污垢热阻Ri=5×10-4（㎡·℃/w）。

已知管壁厚度b=0.0025m，碳钢在该条件下的热导率为50w/㎡·℃。

（4）总传热系数K

K=1/[（d0/αidi）+（Rid0/di）+（bd0/λdm）+R0+（1/α0）]

=336（w/㎡·℃）

（5）传热面积校核

S=QT/K·∆tm=1240×103/（336×59.5）=62（㎡）

换热器的实际传热面积为

S=Πd0LNt=3.14×0.025×6×160=75.36（㎡）

∴换热器的面积裕度为S/S=75.36/62=1.22

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

5.3.2换热器内压降核算

（1）管程阻力

∆Pi=（∆P1+∆P2）NsNpFt

Ns=1，Np=4，∆P1=λ（l/d）·（ρui2/2）

由Re=24131，传热管相对粗糙度0.01，则传热管相对粗糙度

由λ-Re双对数坐标

得λ=0.04，流速ui=1.08m/s，ρ=715kg/m³

所以∆P1=0.04×（6/0.02）×（715×1.082）/2=5003.856（Pa）

∆P2=3×（ρui2/2）=（3×715×1.082）/2=1250.964（Pa）

∆Pi=（5003.856+1250.964）×1×4×1.4=35026.992（Pa）

故管程流体阻力在允许范围内。

（2）壳程阻力

壳程流动阻力：

=（

）

，其中

=1，

流体流经管束的阻力：

=F

f0

nc

（NB+1）

=452（Pa）

NB（3.5-2h/D）

=

=162（Pa）

∑

6换热器主要结构尺寸和技术结果

参数

管程

壳程

流率/（kg/h）

36000

40572

进（出）口温度/℃

180（130）

60（110）

压力/MPa

物性

定性温度/℃

155

85

密度/（kg/m³）

715

880

定压比热容/[kJ/（kg·℃）]

2.48

2.2

黏度/Pa·S

6.4×10-4

5.2×10-3

热导率/[W/（m·℃）]

0.133

0.119

普朗特数

11.93

96

设备结构参数

型式

浮头式

壳程数

1

壳体内径/㎜

800

台数

1

管径/㎜

φ25×2.5

管心距/㎜

44

管长/㎜

6000

管子排列

正方形

管数目/根

160

折流板数/个

9

传热面积/㎡

75.36

折流板间距/㎜

600

管程数

4

材质

碳钢

主要计算结果

管程

壳程

流速/（m/s）

1.08

0.12

表面传热系数/[W/（㎡·℃）]

1031

1712

污垢热阻/（㎡·℃/W）

0.0005

0.0005

阻力/MPa

0.035

0.0007

热流量/KW

1240

传热温差/K

59.

传热系数/[W/（㎡·℃）]

335.9

裕度/%

1.22

7课程设计收获及建议

这是我第一次接触课程设计这门课，起初心里充满了新鲜感和期待，因为想着在大学里学到的东西终于可以加以实践了。

可是当老师把任务书发到手里时却是一头雾水，茫然不知所措，迟迟找不到入手点，浪费了不少时间。

后来经过与老师和同学的交流，从开始的一无所知，到进行整个设计的计算，再到对工业材料的选取与校核以及结构图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。

我课程设计的题目是浮头式换热器的设计。

在开始时，我们不知道如何下手，虽然有课程设计书作为参考，但是却不知道各种物性参数该如何去查。

且书上的计算步骤与我们自己的计算步骤有少许差异，在这些差异面前，我们显得有些不知所措，通过查阅《化工原理》，《化工设备机械基础》，《化工原理课程设计》等书籍，以及在网上搜索到的理论和经验数据。

我们慢慢地找到了符合自己的实验数据。

并逐渐建立了自己的模版和计算过程。

在这一个月中给我印象最深的是换热器面积裕度的计算，刚开始我们不管怎么算都算不到范围内，然后对各种参数进行了调整，还是没有算到范围内，起初大家都是不知所措，待冷静下来，我们仔细结合上课老师讲的内容，一步一步的讨论演算，经大家一下午的不懈努力，终于把面积裕度算了出来。

还有就是我们在进行换热器结构图的绘制过程中，刚开始对CAD绘图软件不是很熟悉，一直无从下手，后来通过查看各种有关CAD软件的书籍和视频，在经历了一次次的失败后，终于绘制出了令自己满意的结构图。

通过本次课程设计的训练，我了解到了化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。

让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识。

也让我对CAD绘图软件有了更进一步的认识与理解，熟练的掌握了这门绘图课程。

同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。

同时通过这次课程设计使我获得了很多知识，提高了自己的实际动手和知识的灵活应用能力。

锻炼了我们：

（1）查阅资料，选用公式和收集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中收集收集）的能力;

（2）树立既要考虑技术指标上的先进性与可行性，有考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力，（3）迅速准确的进行工程计算的能力。

（4）用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

通过这次设计，进一步巩固和深化学习的理论知识，弥补了单一的理论知识的不足，为毕业设计打好基础。

最后，我还要感谢我的指导老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持，与他们一起对一些问题的探讨和交流让我开拓了思路，也让我在课程设计时多了些轻松、愉快。

8附设备工程图样

9参考文献

[1]陈敏恒，丛德滋，方图南等.《化工原理》（上册）[M].第四版.北京:

化学工业出版社，2015.

[2]杨荣榛.《化工制图》[M].西安.陕西师范大学出版社，2011.

[3]申迎华,郝晓刚《化工原理课程设计》[M].北京化学工业出版社.2009.

[4]喻健良，王立业，刁玉玮.《化工设备机械基础》[M].大连：

大连理工大学出版社，2016.

[5]宋永辉，唐长斌.《AutoCAD课程教学研究》[M].化工高等教育，2007.

[6]周军，张秋利.《化工AutoCAD应用基础》[M].北京：

化学工业出版社，2008