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1、化工原理课程化工原理课程设计设计换热器的设计换热器的设计姓名：姓名：班级：班级：学院：学院：学号：学号：指导老师：指导老师：目录目录v1.1概述概述v1.2.换热器设计任务书换热器设计任务书v1.3换热器的结构类型换热器的结构类型v1.4换热器材质的选择换热器材质的选择v1.5设计方案简介设计方案简介v2.1设计参数设计参数v2.2计算总传热系数计算总传热系数v2.3工艺结构尺寸工艺结构尺寸v2.4换热器核算换热器核算v2.4.1.热流量核算热流量核算v2.4.2换热器内流体的流动阻力换热器内流体的流动阻力v3.1设计结果一览表设计结果一览表v3.2主要符号说明主要符号说明v4.1设计心得设计
2、心得v5.1参考文献参考文献1.1概述概述v列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。v 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。v列管式换热
3、器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.2设计任务及操作条件设计任务及操作条件v1.2.1处理能力：356000kg/h的混合气体v1.2.2.设备形式：列管式换热器v1.2.3.操作条件v1.2.4混合气体：入口温度103C出口温度42Cv1.2.5冷却介质：自来水 入口温度21C出口温度32Cv1.2.6允许压降:不大于100Kpav1.2.7混合气体定性温度下的物性数据：v 密度90kg/m3 粘度1.5*10-5pa.sv 比
4、热容3.297kj/(kg.C)导热系数0.0279W/m.Cv1.2.7选择适宜的列管换热器并核算v1.2.7.1传热计算v1.2.7.2管，壳程流体阻力的计算v1.2.7.3计算结果表v1.2.7.4总结1.3换热器的结构类型换热器的结构类型v换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。v按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。（1）v间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷
5、、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。v直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。（2）v蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温
6、度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。v工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。（3）v紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。（4）v管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热
7、设备的竞相发展中得以继续存在下来。v 使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。1.4换热器制材的选择换热器制材的选择v在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，
8、选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。1.4.1.1碳钢碳钢 v价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。1.4.1.2不锈钢不锈钢 v奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。v正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀
9、，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。换热管在管板上的排列方式换热管在管板上的排列方式(A)正方形直列正方形直列 （B）正方形错列）正方形错列 (C)三角形直列三角形直列（D）三角形错列）三角形错列 （E）同心圆排列）同心圆排列 1.3.2管板管板v管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。v管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa，设计温度不超
10、过350的场合。1.5设计方案简介设计方案简介1.5.1 换热器类型的选择换热器类型的选择v 根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1.5.1.1固定管板式换热器v 这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。1.5.1.2U型管换热器vU型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U
11、型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。1.5.1.3浮头式换热器浮头式换热器v 浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳
12、体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。1.5.1.4填料函式换热器v填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用
13、。2.1设计参数设计参数v混合气体的定性温度：v 水的定性温度：v定性温度下流体的物性(kg/m3)C kJ/(kg)(Pas)(W/m)混合气体903.2970.0150.0279水996.94.1780.90270.6082.2计算总传热系数计算总传热系数2.2.1热流量的计算热流量的计算Qo=m0cp0t0=2.2.2冷却水的用量冷却水的用量 2.2.3计算传热面积计算传热面积v求传热面积需要先知道K值，根据资料查得煤油和水之间的传热系数在350 W/()左右，先取K值为300W/()计算v由Q=KAtm得 2.3工艺结构尺寸工艺结构尺寸 2.3.1 管径和管内流速选用252.5较高级冷
14、拔传热管（碳钢），取管内流速u=0.5m/s。2.3.2管程数和传热管数v可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns=v按单程管计算，所需的传热管长度为 L=v按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为 Np=v传热管总根数 Nt=33792=67582.3.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正及壳程数 R=P=按单壳程，双管程结构得：平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.3.4传热管排列和分程方法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
15、角形排列。取管心距a=1.25d0a=1.2525=31.2532mm横过管中心线管数 b=1.1=1.1=90.1 取91壳体 内径 采用多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径：式中 D壳体内径,mm；a 管心距，mm；b最外层的六角形对角线上的管数；e六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(11.5)d，取29mm。2.3.5折流板折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：h=0.252.758=00.6895m，故可取h=0.690m取折流板间距B=0.4D，则 B=0.42.758=1.1032m折流板数目NB=2.4换热器核核算换热
16、器核核算2.4.1热流量核算热流量核算2.4.1.1 壳程表面传热系数：当量直径：=壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：粘度校正：2.3.1.2 管内表面传热系数：管程流体流通截面积：管程流体流速：普朗特数：2.4.1.3污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w/(mK)2.4.1.42.4.1.4传热传热系数系数：2.4.1.5传热面积裕度传热面积裕度 换热器的实际传热面积为Ap 传热面积Ac为：该换热器的面积裕度为：结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。产任务。2.
17、4.2.1管程流体阻力换热器压降的计算管程流体阻力换热器压降的计算2.4.22.4.2换热换热器内流体的流器内流体的流动动阻力阻力为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；结垢校正因数，量纲为1，对的管子，取1.4；管程数串联的壳程数查表得=（562.82+250.14）1.412=2276.29Pa100kPa2.4.2.2壳程压降流体横过管束的压强降(Pa);流体通过折流板缺口的压强降(Pa);壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1，液体可取1.15。管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5壳程流体的摩擦系数，当Re500时,;横过管束中心线的管子数;折流挡板数;折流挡板间距(
18、m);按壳程流通截面积计算的流速(m/s);而=(7698.05+149.24)结论：壳程流动阻力也比较适宜。结论：壳程流动阻力也比较适宜。3.1设计结果一览表设计结果一览表流体密度，kg/流体密度，kg/换热器型式：固定管板式换热器面积（）：2387.26工艺参数名称管程壳程物料名称循环水混合气体操作压力，MPa100100操作温度，21/32103/42流量，kg/h528.9198.89996.990流速，m/s0.4091.72传热量，kw19888.2总传热系数，w/k289.02对流传热系数，w/k2120509.04污垢系数，k/w0.000530.00021阻力将，Pa2276
19、.299024.38程数21使用材料碳钢碳钢管子规格管数 7758管长，mm4500管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距1103mm壳体内径/mm2758切口高度690mm3.2主要符号说明主要符号说明vP压力，Pa;Q传热速率，W；vR热阻，K/W；Re雷诺准数；vS传热面积，；t冷流体温度，；vT热流体温度，；u流速，m/s;v质量流速，/h;表面传热系数W/(K);v有限差值；导热系数，W/(mK);v粘度，Pas;密度，/m3;v校正系数。r转速，n/(r/min)vH扬程，m 必须汽蚀余量，mvA实际传热面积，Pr普郎特系数vNB板数，块 K总传热系数，W/(K)v体积
20、流量 Nt管数，根vNp管程数 l管长，mvKC传热系数，W/(mK)tm平均传热温差，4.1设计小结设计小结v本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。v本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原
21、理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，希望老师批评指正。5.1参考文献参考文献v1.王志魁，刘丽英，化工原理（第四版）M.北京：化学工业出版社，2019v1.夏清,陈常贵.化工原理(上册)M.天津:天津大学出版社,2019v2.中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺35774.计手册(上册)M.北京:化学工业出版社,2019v3.常用化学手册编写组.常用化学手册M.北京:地质出出版社,2019v4.陈敏恒,从德滋等.化工原理(上册)M.北京:化学工业出出版社,2019v5.化工原理（第三版）上、下册谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社2019v6.化工原理课程设计指导.马江泉 冷一欣.北京：中国石化出版社，2009谢谢观赏