课程设计列管式换热器设计.docx
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课程设计列管式换热器设计
设计（论文）题目：
列管式换热器的设计
1前言························································3
2设计任务及操作条件··············································3
3列管式换热器的工艺设计·········································3
3.1换热器设计方案的确定··········································3
3.2物性数据的确定················································4
3.3平均温差的计算················································4
3.4传热总系数Ｋ的确定············································4
3.5传热面积A的确定··············································6
3.6主要工艺尺寸的确定············································6
3.6.1管子的选用·················································6
3.6.2管子总数n和管程数Np的确定··································6
3.6.3校核平均温度差?
tm及壳程数Ns·································7
3.6.4传热管排列和分程方法········································7
3.6.5壳体内径··················································7
3.6.6折流板····················································7
3.7核算换热器传热能力及流体阻力··································7
3.7.1热量核算···················································7
3.7.2换热器压降校核·············································9
4列管式换热器机械设计············································10
4.1壳体壁厚的计算················································10
4.2换热器封头选择················································10
4.3其他部件······················································11
5课程设计评价·····················································11
5.1可靠性评价····················································11
5.2个人感想······················································11
6参考文献··························································11
附表换热器主要结构尺寸和计算结果·······························12
1前言
换热器（英语翻译：
heatexchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：
间壁式、混合式和蓄热式。
列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。
其优点是单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。
列管式换热器主要有以下几个类型：
固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器等。
设计一个比较完善的列管式换热器，除了能满足传热方面的要求外，还应该满足传热效率高、体积小、重量轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作安全等要求。
列管式换热器的设计，首先应根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数，然后进行机械设计。
2设计任务及操作条件
2.1设计题目：
用水冷却甲苯的列管式换热器设计
2.2设计任务及操作条件
某生产过程中，用循环冷却水冷却柴油。
1、甲苯入口温度：
80℃，出口温度：
50℃
2、甲苯流量：
33125kg/h，压力：
0.4~0.6MPa
3、循环冷却水压力：
0.4~0.6MPa，入口温度：
30℃，出口温度：
40℃
已知甲苯的有关物性数据：
密度ρ1=867kg/m3；定压热比容cp，1=1.85kJ/（kg·℃）；热导率λ1=0.126W/（m·℃）；黏度μ1=3.75×10-4Pa·s
3列管式换热器的工艺设计
3.1换热器设计方案的确定
甲苯入口温度80℃，出口温度50℃，冷却水入口温度30℃，出口温度40℃。
壳体和管束壁温差较大，且考虑到冷却水易结垢，需要清洗，故选用浮头式换热器。
冷却水走管程，甲苯走壳程。
因逆流时的平均温度差最小，传热推动力大，可节省冷却介质的用量，操作无特殊要求，故流动方式选逆流。
选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=1.5m/s。
3.2物性数据的确定
定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
壳程甲苯的定性温度：
℃
管程冷却水的定性温度：
℃
壳程甲苯65℃物性数据：
密度ρ1=867kg/m3；
定压热比容cp，1=1.85kJ/（kg·℃）；
热导率λ1=0.126W/（m·℃）；
黏度μ1=3.75×10-4Pa·s
管程冷却水35℃时物性数据：
查《化工原理》附表可知
密度ρ2=994.3kg/m3；
定压热比容cp，2=4.174kJ/（kg·℃）；
热导率λ2=0.62W/（m·℃）；
黏度μ2=7.43×10-4Pa·s
3.3平均温差的计算
1、对于逆流换热过程，其平均温差可按式（3－1）进行计算：
（3－1）
式中，Δt1、Δt2分别为大端温差与小端温差。
当Δt1/Δt2<2时，可用算术平均值：
Δt1=80-40=40℃Δt2=50-30=20℃Δt1/Δt2=2
3.4传热总系数Ｋ的确定
用式（3－2）进行Ｋ值核算。
（3－2）
式中：
?
－给热系数，W/m2·℃；
R－污垢热阻，m2·℃／W；
δ－管壁厚度，mm；
λ－管壁导热系数，W/m·℃；
下标ｉ、ｏ、ｍ分别表示管内、管外和平均。
A0=
d02=
×252=490.63mm2
Ai=
di2=
×202=314.16mm2
mm2
查《化工原理》附表可知
Rsi=5.16×10-4m2·℃/W
Rso=1.72×10-4m2·℃/W
λ=50W/m·℃
管程Re=
=
=40146.6
管程传热系数?
i可由公式（3—3）计算
?
i=
0.8
n（3—3）
冷却水被加热，取n=0.4
?
i=0.023
×40146.60.8×
0.4=412.6W/（m2·℃）
假设取壳程传热系数为600W/（m2·℃）
用公式（3—4）对K计算
（3—4）
式中：
?
－给热系数，W/m2.℃；
R－污垢热阻，m2.℃／W；
δ－管壁厚度，mm；
λ－管壁导热系数，W/m.℃；
下标ｉ、ｏ、ｍ分别表示管内、管外和平均。
=179.5W/m2.℃
3.5传热面积A的确定
换热器的传热量Q=Whcph（T1-T2）=33125×1.85×（80-50）=1.84×106kJ/h=511kw
m2
考虑15%的面积裕度，A=1.15×98.68=113.48m2
3.6主要工艺尺寸的确定
3.6.1管子的选用
选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速ui=1.5m/s
3.6.2管子总数n和管程数Np的确定
先按单管程计算单程传热管数ns，由式（3－5）进行计算。
（3－5）
式中Vs－管程流体体积流量，m3/s；
di－管子内径，m；
u－管内适宜流速，m/s。
冷却水用量
按单程管计算，所需的传热管长度
管长l过长则采用多管程，此时管长一般多选6m（L=6m）。
该换热器管程数为
传热管总根数
n=ns×Np=27×9=243（根）
3.6.3校核平均温度差?
tm及壳程数Ns
P=
R=
按单壳程多管程（Np）查图得?
Δt=0.93，?
Δt﹥0.8符合要求
=0.93×28.85=26.83℃
3.6.4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，隔板两侧采用正方形排列。
取管心距
，则
t=1.25×25=31.25mm
横过管束中心线的管数
nc=1.19
（根）
3.6.5壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率
，则壳体内径
圆整可取
3.6.6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
，则切去的圆缺高度为
取折流板间距
，则
取B=300mm
折流板圆缺水平装配。
3.7核算换热器传热能力及流体阻力
3.7.1热量核算
（1）壳程对流传热系数
对圆缺形折流板，可采取克恩公式
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
普兰特准数
粘度校正
=1.035
（2）管程传热系数
管程Re=
=
=40146.7
管程传热系数?
i可由公式（3—6）计算
?
i=
0.8
n（3—6）
冷却水被加热，取n=0.4
?
i=0.023
×40146.70.8×
0.4=412.57W/（m2·℃）
管程流体流通截面积：
=
m2
（3）传热面积校核
计算传热面积A′：
=98.68m2
实际传热面积A：
=105.5m2
A/A′=105.5/98.68=1.07换热器设计合理
3.7.2换热器压降校核
（1）管程阻力
传热管相对粗糙度
查莫狄图得
，流速
，
，所以
管程流动阻力在允许范围之内。
（2）壳程阻力
流体流经管束的阻力
流体流过折流板缺口的阻力
总阻力
壳程流动阻力也比较合适。
4列管式换热器机械设计
4.1壳体壁厚的计算
以公式（4—1）计算壁厚
（4—1）
式中P—设计压力（表压），MPa；
D—壳体内径，mm；φ
Φ—焊缝系数；
[σ]t—壳体材质在设计温度时的许用应力，MPa。
取P=0.101MPaD=700mm
采用双面焊的对接接头局部无损检测，φ=0.85
按标准GB912选材用Q235-B碳素钢，100℃时，查《化工原理下册》附录9，取[σ]t=113MPa
查《化工原理下册》P97表4-9取C1=0.25mmC2=2mm
C=C1+C2=2.25mm
圆整后取
=3.0mm，符合材料的最小厚度。
4.2换热器封头选择
根据标准JB/T4746-2002，选择标准椭圆封头。
封头厚度为
取圆整值2.0mm。
4.3其他部件
为固定折流板，需要设拉杆和定距管。
换热器壳体直径为700mm时，拉杆数可取4，其直径是10mm。
定距管直径一般与换热器尺寸相同，即700mm。
5课程设计评价
可靠性评价
此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。
同学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题。
理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。
这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。
个人感想
第一次做课程设计，刚开始我脑袋里都是大问号，不知从何下手，如何动手。
还记得老师宣布课程设计做换热器时，同学们面面相觑的表情。
是啊，都没见过实体，刚学了理论就直接上战场了。
还好有老师的悉心指导和同学的热情帮助，我们按课程设计步骤一步步做了起来。
前三天，我拿着计算器在寝室里算数据，从吃完早餐开始，到快晚查房了结束。
一遍遍的核查、重设数字、运算，直到最终修正出一个范围内合理的结果。
接着，用之前算出的数据，准备画图了。
按课程设计要求，图得作在标准绘图纸上。
这时，大家都犯难了，由于CAD是大二学的，经过1年的洗礼，基本都把CAD忘光了！
现在我们都是大学生了，自学能力多少都有些吧。
先在网上下了个CAD，开始摸所起来。
经过几天的拼凑，终于把CAD搞定！
从这次的课程设计中我学习了很多，发现学校学的东西都是基础，我们以后还要在这些基础上不断前进！
6参考文献
[1]夏清，陈常贵.化工原理.天津：
天津大学出版社，2007.
[2]刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础.大连：
大连理工大学出版社，2006.
[3]孙培先.画法几何与工程制图.北京：
机械工业出版社，2004.
参数
管程
壳程
流量/（kg/h）
6743.7
33125
进（出）口温度/℃
30（40）
80（50）
压力/MPa
0.4~0.6
0.4~0.6
物性
定性温度/℃
35
65
密度/（kg/m3）
994.3
867
定压比热容/[kJ/（kg·℃]
4.174
1.85
黏度/[Pa·s]
7.43×10-4
3.75×10-4
热导率/[W/（m·℃]
0.62
0.126
设备结构参数
型式
浮头式列管换热器
壳程数
1
壳体内径/mm
700
台数
1
管径/mm
25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
正三角形
管数目/根
243
折流板数/个
110
传热面积/m2
105.5
折流板间距/mm
300
管程数
9
材质
Q235-B碳素钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
0.93
0.247
表面传热系数/[W/（m2·℃]
412
655
污垢热阻/（m2·℃/W）
5.16×10-4
1.72×10-4
阻力/MPa
0.41
0.316
热流量/kW
511
传热温差/℃
28.85
传热系数/[W/（m2·℃]
180
裕度/%
0.3
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