设计题目：   列管式换热器

专业班级：   应化1301班

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学    号：   U*********

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时    间：   2016年8月

1.课程设计任务书…………………………………………   5 

 1.1 设计题目………………………………………………………   5

1.2 设计任务及操作条件…………………………………………   5

1.3 技术参数 ……………………………………………………    5  

2.设计方案简介……………………………………………   5

3.课程设计说明书…………………………………………   6

3．1 确定设计方案………………………………………      6

3.1.1确定自来水进出口温度…………………………       6

3.1.2确定换热器类型…………………………………       6

3.1.3 流程安排…………………………………………    7

3.2 确定物性数据………………………………………      7

3．3计算传热系数………………………………………………     8

 3.3.1热流量……………………………………………………    8

3.3.2 平均传热温度差…………………………………………    8

3.3.3 传热面积………………………………………………      8

3.3.4 冷却水用量………………………………………………    8

4.工艺结构尺寸………………………………………………      9

 4.1 管径和管内流速……………………………………………     9

 4.2 管程数和传热管数…………………………………………     9

 4.3 传热管排列和分程方法……………………………………     9

 4.4 壳体内径……………………………………………………    10

 4.5 折流板………………………………………………………    10

  4.6 接管…………………………………………………………   11

   4.6.1 壳程流体进出管时接管…………………………………  11

   4.6.2 管程流体进出管时接管………………………………    11

  4.7 壁厚的确定和封头…………………………………………   12

4.7.1 壁厚……………………………………………………   12

4.7.2 椭圆形封头……………………………………………… 12

  4.8 管板…………………………………………………………   12

4.8.1 管板的结构尺寸………………………………………… 13

4.8.2 管板尺寸………………………………………………… 13

5.换热器核算……………………………………………………   13

 5.1热流量衡算……………………………………………………   13

  5.1.1壳程表面传热系数………………………………………    13

  5.1.2 管程对流传热系数……………………………………     14

  5.1.3 传热系数K………………………………………………    15

  5.1.4 传热面积裕度……………………………………………   16

 5.2 壁温衡算………………………………………………………  16

 5.3 流动阻力衡算……………………………………………………17

  5.3.1 管程流动阻力衡算………………………………………… 17

  5.3.2 壳程流动阻力衡算………………………………………… 17

6.设计结果汇总…………………………………………………… 19

7．设计评述…………………………………………………………20

8.致谢………………………………………………………………  21

9.工艺流程图……………………………………………………   22

10.符号说明……………………………………………………    22

11.参考资料………………………………………………………  24

§ 1.《化工原理课程设计》任务书

1.1设计题目

煤油冷却器设计

1.2设计任务及操作条件

设备型式：列管式换热器

处理能力：15+0.1*1*=23.9 万吨/年煤油

操作条件：

（1）煤油：入口温度140℃，出口40℃；

（2）冷却介质：自来水，入口和出口温度由条件衡算；

（3）允许压降：不大于105Pa

（4）每年按360天算，每天运行24小时。

1.3技术参数

煤油定性下的物性数据：

 密度：825Kg/m3；粘度： 7.15*10-4Pa.s；比热容：2.22KJ/(Kg.℃)；导热系数：0.14W/（m.℃）。

§2.设计方案简介

本设计任务是利用自来水给煤油降温。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。

§3.课程设计说明书

  3. 1 确定设计方案

（1）确定自来水进出口温度

  自来水的进口温度一般为室温，设计进口温度为25℃。在设计出口温度是参考一下标准：

  冷却水出口温度不超过60℃，以避免换热器严重结垢，

  冷却水的出口温度不应高于工作物流的出口温度。

因此设计冷却剂出口温度为35℃。

（2）确定换热器类型

两流体温度变化情况如下：

     煤油：入口温度140℃，出口温度40℃；

     自来水：入口温度25℃，出口温度35℃。

该换热器用自来水进行冷却，由于Tm-tm=(140+40)/2-（35+25）/2=60℃>50℃，所需换热器的管壁温度与壳体温度相差较大，故从安全、经济、方便的角度考虑采用带有补偿圈的管板式换热器。

（3）流程安排

 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。

3.2 确定物性数据

   定性温度：对于一般的气体及低粘度流体，其定性温度可取其进出口温度平均值。

   煤油定性温度：（140+40）/2=90℃，自来水定性温度：（35+25）/2=30℃

  在定性温度下，分别查取煤油和自来水的物性参数如下：

煤油在90℃下的有关物性数据如下： 

密度　　      ρo=825 kg/m3

定压比热容　  cp,o=2.22kJ/(kg·℃)

导热系数　　　λo=0.14 W/(m·℃)

粘度　　    　μo=0.000715Pa·s

冷却水在30℃下的物性数据： 

密度　　    　 ρi=995.7kg/m3

定压比热容　 　cp,i=4.174kJ/(kg·℃)

导热系数　　　λi=0.6176 W/(m·℃)

粘度　      　μi=0.000801 Pa·s

3.3 计算传热系数

1.热流量：

以煤油为计算标准算他所需要被提走的热量：

Q=qcΔt=x2.22x（140-35）=7.034x106KJ/h=1953.8KW

2.平均传热温差：

  计算两流体的平均传热温差，暂按单壳程、多管程计算。

逆流时：

  煤 油：140℃→40℃，

  自来水：35℃←25℃，

从而，Δtm‘==46.25℃,

此时，

P==0.13， R==7.00，由公式易算得ψ=0.84>0.8,符合要求。

3.传热面积：

   取传热系数为450 W/(m2·℃)，则由公式可得传热面积为

Ap==93.88m2

4.冷却水用量：

   忽略热损失，由公式易得，冷却水用量为：

   Q==46.81Kg/s=168516Kg/h。

§4.工艺结构尺寸

   已知两流体允许压降均不大于35KPa，与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水易结垢，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，应该让循环自来水走管程，煤油走壳程。

4.1 管径和管内流速

 列管式换热器内的适宜流速范围

则初步选择φ25×2.5mm的碳钢管，管内径di=25-2.5x2=20mm，管内流速取ui=1.2m/s。

 4.2管程数和传热管数

 =  =124.8125 根

按单管程计算，所需的传热管长度为L=  = =9.58m。

若按照单管程设计，则管长过长，不宜使用，故采用多管程设计。取传热管长为5m，则换热器管程数应为Np=2，传热管总数为Nt=125x2=250根。

4.3传热管排列和分程方法

   管子在管板上的排列方式最常用的如下图（a）（b）（c）（d）所示，包括正三角形排列（排列角为300）、同心圆排列、正方形排列（排列角为900）、转角正方形排列（排列角为450）。当管程为多程时，则需采取组合排列，如下右图。

  采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

换热管中心距查表如下（mm）：

则横过管束中心线的管束为n=1.1=1.1=17.39≈18。

4.4 壳体内径

采用多管程设计，取管板利用率为η=0.7，则壳体内径为

D=1.05t=1.05×32×=634.9mm

按卷制壳体的进级档可取D=700mm。

4.5折流板

   折流板间距多为100mm，150mm，200 mm，300mm，450 mm，600 mm，800 mm，1000 mm。

   折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，如下表（mm）：

支承板厚度一般不应小于上表数据，支承板不允许的最大间距参考下表：

经选择，采用弓形折流板，取弓形折流圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=25%×700mm=175mm。

取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×700mm=210mm，可取B=200mm，因而查表可得，折流板厚度为5mm，支承板厚度为8mm，支承板允许不支承最大间距为1800mm。折流板数为Nb=-1=24块。

折流板圆缺面水平装配。

4.6 接管

4.6.1壳程流体进出管时接管：

     取接管内煤油流速为u=1m/s，则接管内径为

D1= =  = 0.1138m=113.8mm。

4.6.2管程流体进出口时接管：

取接管内冷却水流速 u2＝1.5m/s，则接管内径为

 D2 =  =  = 0.1998m=199.8mm。

4.7壁厚的确定和封头

 4.7.1壁厚

     查资料易知，圆筒厚度为8mm，椭圆形封头与圆筒厚度相等，亦为8mm。

4.7.2 椭圆形封头

示意图如下：

查表易得其尺寸数据如下表：

4.8 管板

管板除了和管子和壳体等连接外，还是换热器重一个重要的受压器件。

4.8.1管板的结构尺寸

   查相关资料得，固定管板式换热器的管板主要尺寸如下表：

4.8.2管板厚度

考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm。管板最小厚度如下表：

换热管外径为25mm，因而管板厚度取为3d0/4=18.75mm，则综上取为20mm。

§5.换热器核算

5.1热流量核算

（1）壳程表面传热系数：

   对圆缺形的折流板，可采用克恩公式：

    计算壳程当量直径，由正三角形排列可得：

==0.020m

壳程流通截面积：

So==0.0306

壳程流体最小流速为：

  ==0.33m/s。

雷诺准数为：

Reo=

普兰特准数为：

Pro=

     Nu=0.36。物料被冷却，粘度校正取1， 将数值代入上式：

Nu==112.08

==784.57W/m2℃

（2）管程对流传热系数：

     管道流通面积：

      Si=0.785×0.022×125=0.0393m2

      管程流体最小流速：

       ui=

雷诺准数为

Rei=

普兰特准数为：

Pri=

      管内表面传热系数：

 W/m2℃

（3）传热系数K

根据冷热流体的性质及温度，选取污垢热阻：

管外侧污垢热阻：Rsi=0.00058m2℃/W ，管内侧污垢热阻：Rso=0.00017 m2℃/W

管壁的导热系数： =45 m2℃/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

  = =595.24W/m2℃

所以，K的裕度为:k==24.13%，该值合适。

（4）传热面积裕度

由K计算传热面积

=

    该换热器的实际传热面积为：

Sp==3.14×0.025×5.0×250

  =98.125m2

则该换热器的面积裕度为：

    H==27.7%，该值合适，故换热器满足要求I。

5.2壁温衡算

由于换热管内侧污垢热阻较大，会使传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，减低了传热管和壳体的壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零由以下公式计算传热管壁温：

式中液体的平均温度和为：

（℃）

   （℃）        

   W/m2℃

W/m2℃

传热管平均壁温：

℃

    壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90℃

壳体壁温和传热管壁温之差为：℃

    由于换热器壳程流体的温差不大，壳程压力不高，因此，选用固定管板式换热器较为适宜。

5.3.流动阻力核算

因为壳程和管程都有压力降的要求，所以要对壳程和管程的压力降分别进行核算。

5.3.1管程流动阻力核算

管程压力降的计算公式为：

Fs

已知此情况下Rei=29734，为湍流。

取绝对粗糙度

查

    另外，式子中：

壳程数Ns=1

管程数Np=2

代入公式中，有：

Fs

=（6231+2136）×1×2×1.5

=25101Pa<35kpa，故符合要求。

5.3.2壳程流动阻力 

由于壳程流体的流动状况比较地复杂，所以计算壳程流体压力降的表达式有很多，计算结果也相差很大。下面以埃索法计算壳程压力降：

壳程压力降埃索法公式为：

——流体横过管束的压力降，Pa；

——流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa；

Fs——壳程压力降的垢层校正系数，无因次，对于液体取1.15，对于气体取1.0；

Ns——壳程数；

而=0.656，nc=1.1×2500.5=17.39，NB=24,uo=0.33m/s。

代入数值得：

=0.5×0.656×17.39×25××=5139.4Pa

而，其中h=0.2m，d=0.7m，NB=29,

D——壳径，m

h——折流挡板间距，m

do——换热器外径，m

代入数值得：

     =24×（3.5-）×

     =2634.5Pa

对于液体=1.15，于是我们有：

=1.15×1×（5139.4+2634.5）=39.9Pa<35kpa。

经过以上的核算，管程压力降和壳程压力降都符合要求。

§6设计结果汇总           

 换热器主要结构尺寸和计算结果

§7.设计评述

    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。

固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较在相同直径下面积较大，制造较简单，最后一道壳体与管板的焊缝无法检测。它的优点是：（1）传热面积比浮头式换热器大20%～30%；（2）旁路漏流较小；（3）锻件使用较少，成本低20%以上；（4）没有内漏。它的缺点； （1）壳体和管子壁温差t<50℃,当t>50℃时必须在壳体上设置膨胀节；（2）管板与管头之间易产生温差应力而损坏；（3）壳程无法机械清洗；（4）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，相对较低；（5）壳程不适用于易结垢场合。

§8.致谢

    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们的互相帮助。

§9.工艺流程图

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§10.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

        I------------------------------------------------------------- 流体的焓，kJ/kg

        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 

        R------------------------------------------------------------- 热阻，m2·℃/W

        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·℃)

       β-------------------------------------------------------------体积膨胀系数，1/℃

       δ-------------------------------------------------------------边界层厚度，m

       λ-------------------------------------------------------------导热系数，W/(m2·℃)

       ε-------------------------------------------------------------传热系数

       θ-------------------------------------------------------------时间，s

       μ-------------------------------------------------------------黏度，Pa·s

       ρ-------------------------------------------------------------密度，kg/m3

       φ-------------------------------------------------------------校正系数

       下标

       o -------------------------------------------------------------管外

       e-------------------------------------------------------------当量

       i-------------------------------------------------------------管内

       s-------------------------------------------------------------污垢

       s-------------------------------------------------------------饱和

       t-------------------------------------------------------------传热

§11.参考资料

[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] 董大勤. 化工设备机械设计基础[M]. 北京：化学工业出版社,1999；

 [5] 王瑶.《化工单元过程及设备课程设计》.北京：化学工业出版社，2013。下载本文