列管式换热器的设计化工原理课程设计.docx
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列管式换热器的设计化工原理课程设计
§一.任务书
1.1.化工原理课程设计的重要性
1.2.课程设计的基本内容和程序
1.3.列管式换热器设计内容
1.4.设计任务和操作条件
1.5.主要设备结构图
§二.概述及设计要求
2.1.换热器概述
2.2.固定管板式换热器
2.3.设计要求
§三.设计条件及主要物理参数
3.1.初选换热器的类型
3.2.确定物性参数
3.3.计算热流量及平均温差
3.4.管程安排（流动空间的选择）及流速确定
3.5.计算传热系数k
3.6.计算传热面积
§四.设计结果汇总
§五.设计评述
§六.工艺流程图
§七.符号说明
§八.参考资料
§一化工原理课程设计任务书
1.1.化工原理课程设计的重要性
化工原理课程设计是学生学完基础课程以及化工原理课程以后，进一步学习工程设计的基础知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用化工原理和相关选修课程的知识，联系生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。
通过这一环节，使学生掌握单元操作设计的基本程序和方法，熟悉查阅技术资料、国家技术标准，正确选用公式和数据，运用简洁文字和工程语言正确表述设计思想和结果；并在此过程中使学生养成尊重实际问题向实践学习，实事求是的科学态度，逐步树立正确的设计思想、经济观点和严谨、认真的工作作风，提高学生综合运用所学的知识，独立解决实际问题的能力。
1.2.课程设计的基本内容和程序
化工原理课程设计的基本内容有：
1、设计方案简介：
对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
2、主要设备的工艺计算：
物料衡算、能量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。
3、辅助设备的选型：
典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。
4、工艺流程图：
以单线图的形式描绘，标出主体设备与辅助设备的物料方向、物流量、主要测量点。
5、主要设备的工艺条件图：
图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。
6、编写设计说明书：
可按照以下几步进行：
⒈课程设计准备工作
①有关生产过程的资料；
②设计所涉及物料的物性参数；
③在设计中所涉及工艺设计计算的数学模型及计算方法；
④设备设计的规范及实际参考图等。
⒉确定设计方案
⒊工艺设计计算
⒋结构设计
⒌工艺设计说明书
⑴封面：
课程设计题目、学生班级及姓名、指导教师、时间。
⑵目录
⑶设计任务书
⑷概述与设计方案的简介
⑸设计条件及主要物性参数表
⑹工艺设计计算
⑺辅助设备的计算及选型
⑻设计结果汇总表
⑼设计评述
⑽工艺流程图及设备工艺条件图
⑾参考资料
⑿主要符号说明
以上即为我们在课程设计中所涉及的主要内容。
1.3.列管式换热器设计内容
1.3.1、确定设计方案
（1）选择换热器的类型；
（2）流程安排
1.3.2、确定物性参数
（1）定性温度；
（2）定性温度下的物性参数
1.3.3、估算传热面积
（1）热负荷；
（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量
1.3.4、工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速；
（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）传热管排列和分程方法；（5）壳体内径；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管
1.3.5、换热器核算
（1）传热能力核算；
（2）壁温核算；（3）换热器内流体的流动阻力
1.4.设计任务和操作条件
某厂用井水冷却从反应器出来的循环使用的有机液。
欲将6000kg/h的植物油从140℃冷却到40℃，井水进、出口温度分别为20℃和40℃。
若要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa，试选择合适型号的列管式换热器。
定性温度下有机液的物性参数列于附表中。
附表
项目
密度，kg/m3
比热，KJ/（kg·℃）
粘度，Pa·s
热导率，kJ/（m·℃）
植物油
950
2.261
0.742
0.172
1.5.主要设备结构图（示例）
根据设计结果，可选择其它形式的列管换热器。
§二.概述及设计要求
2.1.换热器概述
换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。
在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。
换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。
因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。
换热器的类型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，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
管间容易泄露，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，用于传热面积较小的冷却器、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，可用做回收低温热能
伞板式
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
2.2.固定管板式
因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。
固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。
但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。
当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。
有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。
这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。
1-挡板2-补偿圈3-放气嘴
图2.2.1.固定管板式换热器的示意图
2.3.设计要求
完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：
（1）合理地实现所规定的工艺条件：
可以从：
①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。
（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，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
（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拆卸，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：
在一定时间内（通常1年内的）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，这一标准就尤为重要了。
§.三.设计条件及主要物理参数
3.1.初选换热器的类型
两流体的温度变化情况如下：
（1）植物油：
入口温度140℃，出口温度40℃；
（2）冷却介质：
井水，入口温度20℃，出口温度40℃；
该换热器用循环冷却井水进行冷却，由于
60℃>50℃,所需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，故从安全、方便、经济考虑可以采用带有补偿圈的管板式换热器。
3.2.确定物性参数
定性温度：
对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
壳程流体（植物油）的定性温度为：
T=（140+40）/2=90℃
管程流体（水）的定性温度为：
t=（40+20）/2=30℃
在定性温度下，分别查取管程和壳程流体（冷却水和植物油）的物性参数，见下表3-1：
密度/（㎏/m3）
比热容/（kJ/kg•℃）
粘度/（Pa•s）
导热系数/（kJ/m•℃）
植物油
950
2.261
7.42×10-4
0.172
水
995.7
4.174
8.01×10-4
0.618
3.3.计算热流量及平均温差
3.3.1.热流量
以热介质植物油为计算标准算它所需要被提走的热量:
Q=ms1cp1（T1-T2）=6000x2.261x（140-40）=1356.6kJ/h=376.83kw
3.3.2.平均传热温差
计算两流体的平均传热温差
暂时按单壳程、多管程计算。
逆流时，我们有
植物油：
140℃→40℃
井水：
40℃←20℃
从而，
而此时，我们有：
式中：
——热流体（植物油）的进出口温度，单位℃；
——冷流体（井水）的进出口温度，单位℃；
ψ>0.8符合要求
则平均温差：
△tm=
×ψ=0.87x49.69=43.23℃
3.3.3.冷却水用量
由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得冷却水用量：
Qc=
=1356600/[4.174x（40-20）]=16250.60㎏/h
3.4.管程安排（流动空间的选择）及流速确定
已知两流体允许压强降均不大于35kPa；两流体分别为植物油和水。
与植物油相比，水的对流传热系数一般较大。
由于循环冷却水较易结垢，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，考虑到散热降温方面的因素，应使循环自来水走管程，而使植物油走壳程。
表3-2.列管式换热器内的适宜流速范围
流体种类
流速/（m/s）
管程
壳程
冷却水
1~3.5
0.5~1.5
一般液体（黏度不高）
0.5~3.0
0.2~1.5
低黏油
0.8~1.8
0.4~1.0
高黏油
0.5~1.5
0.3~0.8
由上表，初步选用Φ25×2.5的碳钢管，则管内径di=25-2.5×2=20mm管内流速取ui=1.2m/s,从管内体积流量为：
=n（π/4）×0.02²×1×3600=16250.60/995.7=16.32m³/h解得n=15
参照列管换热器中K值的大致范围，根据两流体的具体情况，初步选定总传热系数K=330W/m2•℃
传热面积：
A=
=376.83×10³/（330×43.23）=26.41㎡
可以求得单程管长L=26.41/（15×3.14×0.025）=22.38m
若选用6m长的管，需要4管程，则一台换热器的总管数为4×15=60根.查化学工业出版社第三版«化工原理»附录十九，可以初步确定换热器的主要参数见下表3-3：
项目
数据
项目
数据
壳径D（DN）
400mm
管尺寸
Φ25mm×2.5mm
管程数Np（N）
4
管长
6m
管数n
76
管排列方式
组合式排列
中心排管数nc
11
管心距
32mm
管程流通面积Si
0.0060m²
传热面积
35.2m²
注：
由于是多程，为了方便安装分程板，采用组合式排列更方便。
3.4.1.对表中的数据进行核算：
①每程的管数n1=n/Np=76÷4=19,管程流通面积si=（π/4）×0.02²×19＝0.005966㎡与表中的数据0.0060㎡很相符。
=②传热面积A=πd0Ln=3.14×0.025×6×76＝35.79㎡稍大于表中35.2㎡,这是由于管长的一部分需用于在管板上固定管子，应以表中的值为准。
③由于换热管是组合式排列，除在分程板两侧采用正方形排列外，大部分地方采用的是正三角形排列，故中心排管数可以按照正三角形排列的形式计算：
中心排管数nc≈1.1
=1.1×
≈11
3.5传热系数K
根据冷热流体的性质及温度，在（GB151-99P140-141）选取污垢热阻：
污垢热阻：
Rsi=0.00058m2℃/WRso=0.00017m2℃/W
管壁的导热系数：
=45m2℃/W
管壁厚度：
b=0.0025
内外平均厚度：
dm=0.0225
在下面的公式中，代入以上数据，可得
=280.43W/m2℃
3.6传热面积S
=
§四.设计结果汇总
换热器主要结构尺寸和计算结果表
参数
冷却水
植物油
进、出口温度，℃
20/40
140/40
压力，Mpa
400
300
密度，kg/m3
995.7
950
定压比热容，kJ/（kg•℃）
4.174
2.261
粘度，Pa•s
0.000801
0.000742
热导率，W/m•℃
0.618
0.172
结
构
参
数
形式
管板式换热器
壳程数
1
壳体内径，mm
400
台数
1
管径，mm
管心距，mm
32
管长，mm
6000
管数，根
76
管程数
4
材质
碳钢
主要计算结果
热流量，KW
376.83
传热温差，℃
43.23
传热系数，W/（m2K）
280.43
传热面积，m2
31.08
§五.设计评述
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
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，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。
列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。
这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。
由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。
壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。
进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。
为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。
挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。
换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。
等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。
为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。
这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。
同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。
多管程与多壳程可配合应用。
由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。
如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。
因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。
进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：
①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。
通过此次设计，了解了很多关于换热器的知识，如换热器的选型，换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。
最最重要的是我深刻认知做设计计算时要非常小心，因为一不留神就会出错，如果前面错了没发现，后面就全错。
这是设计中的禁忌。
设计内容很多，必须要付出努力才可以。
为此，也要感谢老师及同学的互相帮助。
六.工艺流程图
.
§七.符号说明
英文字母
Cp------------------------------------------------------------定压比热容，kJ/（kg·℃）
C-------------------------------------------------------------辐射系数，W/（m2·K4）
c-------------------------------------------------------------热容量流率比
d-------------------------------------------------------------管径，m
D-------------------------------------------------------------换热器壳径，m
f-------------------------------------------------------------摩擦因数
F-------------------------------------------------------------系数
g-------------------------------------------------------------重力加速度，m/s2
h-------------------------------------------------------------挡板间距，m
K-------------------------------------------------------------总传热系数，W/（m2·℃）
l-------------------------------------------------------------长度，m
L-------------------------------------------------------------长度，m
n-------------------------------------------------------------管数
N-------------------------------------------------------------程数
p-------------------------------------------------------------压强，Pa
q-------------------------------------------------------------热通量，W/m2
Q-------------------------------------------------------------传热速率或热负荷，W
r-------------------------------------------------------------汽化热或冷凝热，kJ/kg
S-------------------------------------------------------------传热面积，m2
t-------------------------------------------------------------冷流体温度，℃
T-------------------------------------------------------------热流体温度，℃
u-------------------------------------------------------------流速，m/s
希腊字母
α-------------------------------------------------------------对流传热系数，W/（m2·℃）
λ-------------------------------------------------------------导热系数，W/（m2·℃）
ε-------------------------------------------------------------传热系数
μ-------------------------------------------------------------黏度，Pa·s
ρ-------------------------------------------------------------密度，kg/m3
φ-------------------------------------------------------------校正系数
下标
o-------------------------------------------------------------管外
s-------------------------------------------------------------污垢
s-------------------------------------------------------------饱和
t-------------------------------------------------------------传热
§八.参考资料
[1]夏清，姚玉英,陈常贵,等.化工原理[M].天津：
天津大学出版社，2001
[2]魏崇光，郑晓梅.化工工程制图[M].北京：
化学工业出版社,1998
[3]王静康.化工设计[M].北京：
化学工业出版，1998
[4]GB151-1999管壳式换热器
[5]JB/T4715-92固定管板式换热器与基本参数
[6]兰州石油机械研究所.换热器[M].北京：
轻工出版社，
[7]王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理[M].北京：
化学工业出版社，2010
《化工原理》课程设计任务书
列式管换热器
组长：
方宁
副组长：
陈红威
组员：
姜也
指导老师：
杨景林
设计时间：
2012年12月4日
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