列管式换热器的设计.docx
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列管式换热器的设计
一、方案简介································································1
二、方案设计································································2
1、确定设计方案·····························································2
2、确定物性数据·····························································2
3、计算总传热系数···························································3
4、计算传热面积·····························································3
5、工艺结构尺寸·····························································4
6、换热器核算·······························································5
三、设计结果一览表··························································8
四、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）································8
五、参考文献································································9
六、主要符号说明····························································9
七、心得体会·································································10
附图··········································································
一、方案简介
本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。
利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。
下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.
选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。
换热器分为几大类：
夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。
不同的换热器适用于不同的场合。
而列管式换热器在生产中被广泛利用。
它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。
尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。
所以首选列管式换热器作为设计基础。
二、方案设计
某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从100℃冷却到45℃。
处理能力为1.5×105吨/年。
冷却介质采用自来水，入口温度30℃，出口温度40℃。
要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa。
试设计能完成上述任务的列管式换热器。
（每年按330天，每天24小时连续运行）
1．确定设计方案
（1）选择换热器的类型
两流体温度变化情况：
热流体进口温度100℃，出口温度45℃冷流体。
冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。
从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。
（2）流动空间及流速的确定
由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。
另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。
同时，在此选择逆流。
选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。
2、确定物性数据
定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
壳程硝基苯的定性温度为：
管程流体的定性温度为：
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
硝基苯在72.5℃下的有关物性数据如下：
密度 ρo=1153kg/m3
定压比热容 cpo=1.559kJ/（kg·℃）
导热系数 λo＝0.129W/（m·℃）
粘度 μo=0.000979Pa·s
冷却水在35℃下的物性数据：
密度 ρi=994.3kg/m3
定压比热容 cpi=4.24kJ/（kg·℃）
导热系数 λi=0.618W/（m·℃）
粘度 μi=0.000818Pa·s
3．计算总传热系数
（1）热流量
热流体的流量Wo=1.5×105×1000÷330÷24≈18939kg/h
热流量Qo=WocpoΔto=18939×1.559×（100-45）=1623925kJ/h=451kW
（2）平均传热温差
逆流操作
硝基苯：
100℃→45℃
水：
40℃←30℃
（3）冷却水用量
（4）总传热系数K
管程传热系数
4、计算传热面积
壳程传热系数
假设壳程的传热系数αo=398W/（m2·℃）；
考虑15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×34.87=40.1m2
5、工艺结构尺寸
（1）管径和管内流速及管长
选用ф25×2.5传热管（碳钢），取管内流速ui=0.5m/s，选用管长为3m
（2）管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
按单程管计算其流速为
按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。
则该换热器管程数为
（管程）
传热管总根数N=340（根）
（3）平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。
可得
平均传热温差
（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t=1.25d0，则
t=1.25×25=31.25≈32（mm）
横过管束中心线的管数
（5）壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为
圆整可取D＝740mm
（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％，则切去的圆缺高度为h＝0.25×740＝185mm，故可取h＝185mm。
取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×740＝222mm，可取B为222。
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=3000/222-1=12块
折流板圆缺面水平装配。
（7）接管
壳程流体进出口接管：
取接管内硝基苯流速为u＝1.0m/s，则接管内径为
取标准管径为76mm×2.5mm。
管程流体进出口接管：
取接管内冷却水流速u＝1.5m/s，则接管内径为
取ф108mm×5mm无缝钢管。
6．换热器核算
（1）热量核算
①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式
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
②管程对流传热系数
管程流通截面积
管程流体流速
普兰特准数
③传热系数K
污垢热阻Rsi=0.000344m2·℃/W,Rso=0.000172m2·℃/W
管壁的导热系数λ=45W/（m·℃）
④传热面积S
该换热器的实际传热面积Sp
该换热器的面积裕度为
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
（2）换热器内流体的压力降
①管程流动阻力
∑ΔPi=（ΔP1+ΔP2）FtNsNp
Ns=1,Np=2,Ft=1.5
由Re＝4862.1，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.031W/m·℃，
流速ui＝0.2m/s，ρ＝994.3kg/m3，所以
管程压力降在允许范围之内。
②壳程压力降
流体流经管束的阻力
流体流过折流板缺口的阻力
壳程压力降也比较适宜。
三、设计结果一览表
换热器形式：
固定管板式
换热面积（m2）:
78.5
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
冷却水
硝基苯
操作压力，Pa
未知
未知
操作温度，℃
30/40
100/45
流量，kg/h
38300
18939
流体密度，kg/m3
994.3
1153
流速，m/s
0.2
0.127
传热量，kW
451
总传热系数，W/m2·K
251.5
传热系数，W/（m2·℃）
1260.1
431
污垢系数，m2·K/W
0.000344
0.000172
阻力降，Pa
456.6
1549.1
程数
2
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
ф25×2.5
管数340
管长mm:
3000
管间距，mm
32
排列方式
正三角形
折流板型式
上下
间距，mm
222
切口高度25%
壳体内径，mm
740
折流板数，12块
保温层厚度，mm
表格1
四、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）
五、参考文献
《化工原理上册》，谭天恩编，化学工业出版社，第四版
《化工设备设计》，潘国吕，郭庆丰编著，清华大学出版社，1996.
《化工物性算图手册》，刘光启等编著，化学工业出版社，2002.
《石油化工基础数据手册》《化学化工工具书》等.
六、主要符号说明
硝基苯的定性温度
T
冷却水定性温度
t
硝基苯密度
ρo
冷却水密度
ρi
硝基苯定压比热容
cpo
冷却水定压比热容
cpi
硝基苯导热系数
λo
冷却水导热系数
λi
硝基苯粘度
μo
冷却水粘度
μi
热流量
Wo
冷却水流量
热负荷
Qo
平均传热温差
总传热系数
管程雷诺数
温差校正系数
管程、壳程传热系数
初算初始传热面积
传热管数
初算实际传热面积
S
管程数
壳体内径
D
横过中心线管数
折流板间距
B
管心距
t
折流板数
NB
接管内径
管程压力降
当量直径
壳程压力降
面积裕度
H
表格2
七、心得体会
这次为化工原理课程设计终于结束，这次的任务是设计一个列管式换热器。
虽然设计和学习的时间不长，却收获颇多，受益匪浅。
首先，这次课程设计是我们所接触的实践任务中最繁琐的、专业性最强的课程设计，让我认识到：
课堂上理论知识掌握的再好，没有落实到实处，是远远不够的。
换热器的设计，从课本上简单的理论计算，到根据需求满足一定条件的切实地进行设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节，我觉得这是最大的一个挑战。
其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。
这次设计工作量大，用到的知识多，而且我们又是第一次设计，所以单独靠自己是不法完满的完成本次课程设计。
我经常与同组同学一起讨论，甚至争论，这样，我们就能发现问题，并能因此产生比较合理的结果和方法。
大家都明白了，那其他的都不是问题。
同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。
在同组同学无法通过讨论得出正确结果的时候，我们通过请教其他组同学或者与其讨论得到新的想法和正确的结论。
最后要提到的就是绘图了。
绘图过程中遇到了不少的麻烦，简直让人头疼。
刚开始整体的布局规划就很麻烦，要布局得当才能使图既能够画完，又表现得十分清晰。
而且因为换热器中有很多的零部件，它们的尺寸或者厚度很小，画的时候很难准确地按照比例将其绘画出来。
而且A1图纸又是非常的巨大，终于功夫不负有心人，经过几天的努力，最后将换热器图圆满顺利地完成了。
虽然在这次的换热器设计中遇到了很多的麻烦，但最终通过自己的努力、同学们的帮助，最终还是完成了任务。
通过这次的设计任务，我巩固了以前所学习的知识，并让我对化工知识有了更深的认识和理解，还增强了我的查阅能力以及动手能力。
总之，收获还是蛮多的。
通过这次化工原理课程设计，我收获颇丰，不但把之前学过的内容复习一遍，加深对该课程的印象。
通过与同学一起讨论，是我体会到团队精神的重要性，对于即将立足于社会的我们也有非常大的意义。
感觉做完之后非常累，但是也感觉这段时间过得非常充实！
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