化工原理课程设计循环水冷却器设计.docx
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化工原理课程设计循环水冷却器设计
齐齐哈尔大学
化工原理课程设计任务书
专业：
高分子材料与工程
班级：
高分子
姓名：
设计日期：
设计题目：
循环水冷却器设计
设计条件：
1.设备处理量76T/h。
2•循环水：
入口温度60C，出口温度45C
3.冷却水：
入口温度20E，出口温度30E
4.常压冷却，热损失5%。
5.两侧污垢热阻0.00017m2;C/W。
6.初设K=900W/m2C。
设计要求：
1.设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书。
2.根据所选换热器画出设备装配图。
指导教师:
1主要物性参数表1
2工艺计算2
2.1确定设计方案2
2.1.1选择换热器的类型2
2.1.2计算热负荷和冷却水流量2
2.1.3计算两流体的平均温差，确定管程数3
2.1.4工艺结构尺寸4
2.2核算总传热系数5
2.2.1管程对流传热系数Ai5
2.2.2壳程流体传热系数06
2.2.3计算总传热系数K06
2.3核算压强降8
2.3.1管程压强降8
2.3.2壳程压强降校核10
3设备参数的计算11
3.1确定换热器的代号11
3.1.1换热器的代号11
3.1.2确定方法12
3.2计算壳体内径Di12
3.3管根数及排列要求12
3.4计算换热器壳体壁厚12
3.4.1选适宜的壳体材料12
3.4.2该钢板的主要工艺参数性能13
3.4.3壁厚的计算13
3.5选择换热器的封头15
3.6选择容器法兰16
3.6.1选择法兰的型式16
3.6.2确定法兰相关尺寸16
3.6.3选用法兰并确定其标记16
3.7选择管法兰和接管17
3.7.1热流体进出口接管17
3.7.2冷流体进出口接管18
3.7.3选择管法兰18
3.8选择管箱19
3.9折流档板的设计19
3.10支座的选用20
3.11拉杆的选用和设置21
3.11.1拉杆的选用21
3.11.2拉杆的设置22
3.12确定管板尺寸22
3.13垫片的选用23
3.13.1设备法兰用垫片23
3.13.2管法兰用垫片24
4数据汇总25
5总结评述26
6参考文献27
7主要符号说明28
8附表30
1主要物性参数表
在定性温度下：
t定冷=（20+30）/2=25C
t定循=（60+45）/2=525C
表3-1物性参数表
物性
壳程（循环水）
管程（冷却水）
符号
数据
符号
数据
密度kg/m3
P1
987.1
997.0
比热容kJ/kgC
Cpi
4.175
Cp2
4.179
粘度Pa.sM0"3
0.5335
0.9028
导热系数W/m-C
入1
0.650
尼
0.609
进口温度C
T1
60
t1
20
出口温度C
T2
45
t2
30
2工艺计算
2.1确定设计方案2.1.1选择换热器的类型
（1）两种流体的变化情况：
热流体（循环水）进口温度60°C，出口温度45°C;
冷流体（冷却水）进口温度20°C，出口温度30°C;
11
冷水定性温度：
tm-t1t2-203025C
22
热的循环水的定性温度：
Tm1T1T21604552.5C
22
由于两流体温差小于50°C,不必考虑热补偿。
因此初步确定选择用固定管板式换热器
固定管板式换热器
（2）流程安排
由于是常温冷却，并且循环水相对比较洁净，所以选择循环水走管间，冷却水走管内，既有利于冷却水冷却效率，也可借助于外界温度加速循环水冷却。
2.1.2计算热负荷和冷却水流量
（1）热负荷的计算
QhmhCpht1
76000
417560
3600
6
451.322110W
热负荷QQhQl
15%Qh0.951.3221106W=1.2561
x106W
（2）冷却水流量的计算
Q0.95m
cph（T1T2）mccpc（1211）
2.1.3
=30057.4kg/h=8.35kg/s
计算两流体的平均温差，确定管程数
（1）平均传热温差
「T2
t2t1
6045…
1.5
3020
）
、1.521」10.25,z（20.25）11.5J.521、
ln（）ln（.）
1.5111.50.25（20.25）11.51.521
0.94
可得：
t=0.94，则有tm=0.94：
28=26.32°C
（2）确定管程数
由于t0.94>0.8，故此换热器应选用单壳程2.1.4工艺结构尺寸
（1）初选换热器的规格假设K=900w/（m2.°）
6则估算的传热面积为：
A=^^1.25611053.7m2;
KAtm90026
（2）管径和管内流速
选用252.5的碳钢传热器（Gb81632-87）
取管内流速为Ui0.5m/s
（3）估算管程数和传热管数
由Vnsd：
Uj得
4
ns^-d2Ui
4
由4.1.2可知冷却水流量m=8.35kg/s
则vm-^350.008375m3/s
997.0
:
n2/3142丄口
nsV4diui0.008375——（0.02）0.554（根）
根据列管式换热器传统标准，此数据可选取
按单程算，所需的单程热管长程度
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
先取传热管长
l=4.5m
则该换热器的管程数为
ML15.8"曰、
Np4（根）
l4.5
传热管总根数NtNpns454216（根）
根据列管式换热器传统标准取传热总管根数Nt222
（4）实际传热面积：
S0Nnd（l0.1）2223.140.025（4.50.1）76.6m2
则要求过程的总传热系数为
Q1.2561106厂…c〃2厂、
ko=630.70w/（m.C）
S0tm76.626
该换热器的基本结构参数如下：
表4-1换热器的基本结构参数
公称直径：
600mm
公称压强：
1.6MPa
总管数：
Nt=222根
管心距：
t=32mm
管尺寸：
252.5
管程数：
m=4
管程流通面积S：
0.0174m2
中心排管数：
17
管长：
4.5m
公称面积：
76.7m2
管子排列方式：
正三角形排列
2.2核算总传热系数
2.2.1管程对流传热系数A
Ai=4d2i-
Np
Ui
冬0^83750.481m/s
Ai0.01743
0.023Re0.8R0.4
di
0.0230.609（10623）0.8（6.20）042416.9W（m2C）
0.02
222壳程流体传热系数
换热器列管之中心距t=32mm则液体通过管间最大截面积为:
A=hD（1-d0）
t
其中：
h折流板间距，取为150mm
D——壳体公称直径，取为600mm
do管子外径，为25mm
热系数关联式计算
壳程中的循环水被冷却，取（——）0.140.95
w
代入数据得：
0.6500.5513
00.36（40738.4）3.4330.95
0.0202
5695.4W（m2C）
2.2.3计算总传热系数K）（管壁热阻可忽略时，总传热系数K0为）
K。
idi
其中：
0,i――壳程、管程对流传热系数w/mC
d°,di,dm——换热管外径、内径和内外径平均值mm
Rsi,Rs0管内侧、外侧污垢热阻m2C/w;
K。
Np是管程数，为4
（1）对于Pi的计算：
管程流通截面
A:
（¥）2
222
3.14
应=0.0174m
Np
2
4
4
由此可知ui
0.481m/s
Rei
10623
设管壁粗糙度
0.1mm
0.1
0.005
di
20
由《化工原理》（天津大学出版社，上）第54页Re关系图查得
0.037代入P计算式
0.037
4997（0.481）2
0.022
853.47Pa
（2）对于P2的计算
P2
3u2
997（0.481）2
2
346.00Pa
（3）Pi的计算
则：
P（PP2）RNp
（853.47346.00）1.446717.03Pa
2.3.2壳程压强降校核
P0（Pi'P2'）FsNs[12]
2
其中：
P1'Ff0nc（NB1）；
Fs是壳程压强降届垢校正因数，液体取1.15；
Ns是壳程数，为1。
（1）对于R'的计算
由于换热器列管呈三角形排列F=0.5
Nc1.1、n1.1,22216.40
取折流板间距为150mm；
Nb
传热管长
折流板间距
4.5
1
0.15
29块;
壳程的流通面积:
Ah（Dncd。
）
2
0.15（0.516.400.025）0.0135m
Uo
V。
A。
76000
3600987.10.0135
1.564m/s
可见Re0500故可应用下式计算f0
0.228
0228
f°
5.0R
5.073569.2.
0.3889
e0
2
R
Ffon/NB
U0
1）2
987.1
（1.564）2
0.5
10.388916.4（291）-
111648.8Pa
533.510
6
2
（2）对于P2'的计算
（3）
对于R的计算
巳（P'P2‘）FsNs
（111648.8101531.4）1.151245157.23Pa;
计算表明：
管程压强降为6717.03Pa小于设计压1.6Mpa；壳程压强降为245157.23Pa亦小于设计压强降1.6MPa；
综上可知，管程和壳程压强降均能满足题设要求。
3设备参数的计算
3.1确定换热器的代号
3.1.1换热器的代号
所选换热器的代号为G-500-”1.680[13]
3.1.2确定方法
此代号根据工艺计算反列管式固定管板式换热器系列标准对G系
列列管式固定管板换热器的规定。
查化学化工出版社《化工工艺设计手册》（上）第120页表3-10《列管式固定管板换热器标准图号和设备型号》得到壳体内径Di，公称压强，管根数及排列要求而确定。
3.2计算壳体内径Dj
公式：
Dit（nc1）2b,
其中：
t管中心距，m对252.5管，t取32mm
nc――横过管束中心线的管数，用nc1.1.n计算
b'——管束中心线上2管的中心至壳体内壁的距离，取b,1.5d°
计算：
Di0.032（1.1-2221）21.50.0250.568m600mm
3.3管根数及排列要求
（1）换热器采用2525mm的无缝钢管，材质选用可焊性好的
10号钢，管长4.5m,共222根管。
⑵排列方式及管中心距的确定
1）可该换热器列管采用三角形排列；
2）管子与管板采用焊接，故可取t1.25do32mm。
3.4计算换热器壳体壁厚
3.4.1选适宜的壳体材料
根据《化工设备设计手册•材料与部件》（上海）第102页压力容器用碳素钢及普通低合金厚钢板（Yb536-69）,换热器公称压强为
1.6MPa选用钢A3F板
3.4.2该钢板的主要工艺参数性能
加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开坡口。
冷冲压力热冲压性能好，使用温度-20~475C，可以作中低压设备，所以筒体材质选用A3F钢板，钢板标准GB3274
3.4.3壁厚的计算
（1）公式：
pC1C2
其中：
p钢板在不考虑加工裕量时的厚度，mm；
计算厚度，mm；
C1钢板负偏差，mm；
C2腐蚀裕量，mm；
――圆整值。
式中C2d，为设计厚度，可用下式计算
其中：
Pc——设计压力，取1.6MPa
Di壳体内径，mm
[]t――设计温度下材料的许用应力，MPa
厚度常用规格及其负偏差》得C10.6mm,1.2mm
故PdC1[15]7.20.61.29.0mm
可根据JB/708-65选用厚度为9mm的钢板材质A3F
（3）水压试验强度校核:
式中：
PT1.25P1.251.62.0MPa
epC1C29.00.626.4mm
将有关数据代入原式可得T2.0（6006⑷111.47MPa
26.40.85
查阅《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-3,《钢制压力容器中使用的钢板许用应力》可得A3F钢制容器在常温水压试验时的许用应力s235MPa
从而有[T]0.9S0.9235211.5MPa
由于T111.47MPa[t]211.5MPa
所以壳体壁厚满足水压试验的强度要求。
3.5选择换热器的圭寸头
（1）公式:
2[]t0.5巳
C2
其中：
由于Di6001200mm,用整块钢板冲压成型，此时
1,PC1.6MPa,[『113MPa,C10.6mm,C22.0mm
（3）选择适宜厚度，并确定封头型式规格
根据《化工设备手册材料与零部件》（上册）第327页椭圆封头
JB1154-73,应选封头JB/T4737-45,且根据其选用一椭圆封头尺寸如
下：
表5-1封头JB/T4737-45
型式
公称直径
曲面咼度
直边高度
内表面积
椭圆形
600mm
150mm
40mm
0.395m2
所选封头的结构示意图如下:
厂
Y
工
1:
H
1
图5-1封头的结构示意图
3.6选择容器法兰
3.6.1选择法兰的型式
采用甲型平焊容器法兰。
已知换热器的公称压力为PN=1.6Mpa，公称直径600mm。
查阅《压力容器与化工设备实用手册》中3-1-1，《压力容器法兰分类》，宜采用甲型平焊容器法兰。
法兰材料为板材
Q235-B，工作温度＞-20C~200C的最大允许工作压力为1.05Mpa，小于公称压力，故甲型平焊容器法兰最大允许工作压力满足要求。
3.6.2确定法兰相关尺寸
查阅《压力容器与化工设备实用手册》第467页，表3-1-2（A）《甲型平焊法兰尺寸》和表3-1-2（B）《甲型平焊法兰质量》可得法
兰相关尺寸如下表：
表5-2甲型平焊容器法兰
公称
直径
DN
法兰
螺栓
D
Di
D2
D3
D4
d
规格
数量
600
630
590
555
545
542
44
23
卩20
28
363选用法兰并确定其标记
选用甲型平焊容器法兰（凹凸密封面）为宜
标记为：
法兰一AT500-1.6JB/T4701-2000
结构如图
图5-2法兰
3.7选择管法兰和接管
3.7.1热流体进出口接管
取接热流体的流速比1.7m/s。
则接管内径为:
125mm
可选取接管：
1334mm，长150mm两个3.7.2冷流体进出口接管
取接冷流体的流速u21.5m/s。
接管内径为:
40.0117599.9100mm
3.141.5
可选取接管1334mm,长150mm，两个
表5-3钢制管法兰（HGJ45-91）
公称直径
DN
管子外径
A
连接尺寸
螺栓柱
法兰内径
B
法兰
外径
D
螺栓孔中心圆直径K
螺栓孔直径L
螺栓孔数
n
螺栓长度
螺柱长度
法
厚
度
C
100
108
220
180
18
6
65
85
18
110
125
133
250
210
18
6
70
90
20
135
3.7.3选择管法兰
根据公式直径与公称压力选用板式平焊钢制管法兰。
图5-3管法兰
3.8选择管箱
查阅《化工设备标准图册》，选择封头管箱，材料为A3F钢，其
图5-4封头管箱
3.9折流档板的设计
查阅《换热器原理及计算》根据换热器的要求，选用厚度为5mm
的圆缺形档板，其参数如下:
两板间距离：
h=D（0.2~1）=150mm折流板高度：
h=500（1-25%）=450mm折流档板个数：
NB=L/h-1=4.5/0.15-仁29
折流档板厚度：
=5mm
图5-5折流板及管子的排列
3.10支座的选用
查阅《化工设备设计手册材料与零部件》，选用A3F材料，采用
鞍式支座Dg500AJB1167-73。
尺寸如下表：
l1
l2
2-直径11
b1
b'1
直径24
1015
0
8
l3
rsl.-w」
b1
24
S型
鞍式支座Dg500AJB1167-73
公称直
径Dg
每个支座允许负荷t
b1
L
B
l
K1
b
m
重量（kg）
600
36.8
180
550
120
260
420
90
220
26.3
3.11拉杆的选用和设置
3.11.1拉杆的选用
查阅《化工过程和设备设计》第15页表可知:
表5-5拉杆
拉杆直径
数量
拉杆螺纹公称直径
La
Lb
b
12
4
16
20
60
2.0
3.11.2拉杆的设置
拉杆与折流板和档板的连接形式如下图所示:
图5-7拉杆
3.12确定管板尺寸
由《化工设备机械基础》查得，管板选用的材料为16Mn,管板
厚度为30mm,质量为59.6kg。
图5-8整体管板
3.13垫片的选用
3.13.1设备法兰用垫片
根据《压力容器与化工设备实用手册》，密封垫片选用非金属软垫
片，JB4704—92.厚度30mm,该垫片为法兰用垫片，其尺寸为：
公称直径Dg
垫片内径d
公称压力F（m2）
垫片外径
D
600
615
16
655
图5-9设备法兰用垫片
3.13.2管法兰用垫片
材料：
耐油橡胶石棉板S20—0056—3.厚度3mm
法兰公称压
力Mpa
介质温度
密封面型式
垫片名称
材料
冷却水
<1.6
<60
光滑
橡胶垫片
橡胶板
循环水
<1.6
<60
光滑
橡胶垫片
橡胶板
4数据汇总
表6-1数据汇总表
管程
壳程
质量流速Kg/h
76000
7000
温度进/出C
20/30
60/45
物性
定性温度C
25
52.5
密度Kg/m3
997.0
987.1
比热容KJ/Kg-C
4.179
4.175
粘度卩Pa-S
902.8
533.5
导热系数W/m-C
0.609
0.650
普兰特数
6.53
3.73
设备结构参数
型号
固定管板式
台数
1
壳体内径mm
600
壳程数
1
管径mm
①25X2.5
管心距mm
32
管长mm
4500
管子排列方式
正三角形
管根数（根）
222
折流挡板数
29
传热面积m
76.1
折流板距
mm
150
管程数
4
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速m/s
0.481
1.09
传热膜系数W/m2:
C
2416.9
5695.4
污垢热阻m2:
C/W
1.7>10"4
1.7>0-4
阻力损失MPa
0.0039
0.127
热负荷Kw
1256.1
传热温差C
27.5
传热系数W/m2C
929.99
5总结评述
在这次的设计中，我们的设计题目是“循环水冷却器的设计”，我们小组共计五个人，为了更好更高效的完成设计，我们各自明确自己负责的版块任务，有的不懂的地方，我们共同探讨商议查资料。
刚开始接触这个课题时，我们都有点生疏，不知道从何着手，经过老师细心指导，我们都有信心把这次设计做好。
在这次设计中，我们遇到了许多困难，有的我们靠团队力量解决了，但有的我们只能借助老师的帮助才能顺利解决。
经过这次课程设计，让我从中学到了许多东西，知道了知识必须运用到实践中去才能显现出其价值的所在，现在的学习是为今后更好的工作打基础。
工作中要对设备、工作参数要有充分的了解。
这次的设计能够顺利的完成，令我们每个人都感到了成功带来的喜悦与鼓舞，除了学习到了更多的知识，我还学会了如何同他人合作，同时更加感谢我们的指导老师张老师的热心帮助，尽管设计的时间不长，但它对我们每个人来说的是一个难忘的回忆，对我们未来的学习和生活将会有很大的帮助！
6参考文献
[1]《化工原理》（上册）修订版.夏清陈常贵主编.天津：
天津大学出版,2005
[2]魏崇关，郑晓梅，《化工工程制图》，北京，化学工业出版社，
1992.
[3]《化工设备结构图册》编写组，《化工设备结构图册》，上海，上海科学技术出版社，1978.
[4]柴诚敬，刘国维，李阿娜，《化工原理课程设计》，天津，天津科学技术出版社，1994.
⑸Perry化学工程手册.
⑹华南理工大学，《化工过程及设备设计》，广州，华南理工大学
出版社，1986.
[7]刁玉玮，王立业编，《化工设备机械基础》，大连，大连理工大学出版社，1989.
[8]中华人民共和国化学工业部工程建设标准《钢制管法兰，垫片，
坚固件》（1991-12）化学工业出版社.
[9]钢制列管式固定管板式换热器结构设计手册》1994.11.7.
[10]《化工设备设计手册材料与零部件》上海人民出版社.
[11]齐齐哈尔大学化工原理教研室编，《化工原理课程设计》.
[12]大连理工大学教研室编，《化工原理课程设计》大连理工大学出
版社，1994，7.
[13]天津大学，《化工原理》，天津，天津科学技术出版社，1990.
7主要符号说明
英文字母
So——传热面积，m;
Ao
-换热器的实际传热面
Np—
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