用水冷却甲苯的列管式换热器设计电子教案Word格式文档下载.docx

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2、设计方案简介：

对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

3、换热器的工艺计算：

确定换热器的传热面积，并初选换热器规格

4、核算总传热系数，计算压力降

5、换热器的主要结构尺寸设计。

6、绘制水冷却甲苯的列管式换热器设计的换热器装配简图。

7、对本设计进行评述。

8、参考文献

1设计方案简介

1.1工艺流程概述

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，甲苯走壳程。

如图1，甲苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；

冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。

两物质在换热器中进行交换，甲苯从90℃被冷却至60℃之后，由接管B流出；

循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。

图1工艺流程草图

1.2选择列管式换热器的类型

列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。

其主要优点是：

单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；

此外，结构简单，制造的材料范围广，操作弹性也较大等。

因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。

1.2.1列管式换热器的分类

根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种：

⑴固定管板式换热器

固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。

两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。

其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。

固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。

⑵浮头式换热器

浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管、壳间不产生温差应力。

管束可以抽出，便于清洗。

但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；

浮头处发生内漏时不便检查；

管束与壳体间隙较大，影响传热。

浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。

⑶填函式换热器

填函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。

但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。

⑷U形管式换热器

U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。

U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。

1.2.2类型的确定

所设计的换热器用于冷却甲苯，甲苯：

入口温度30℃，出口温度50℃；

该换热器的管壁温和壳体壁温之差满足Tm-tm=75-40=35℃﹤50℃，两流体温度差不大。

加上固定管板式换热器结构简单、造价低廉，所以本设计选用固定管板式换热器，且不需考虑热补偿。

1.3流动路径的选择

本设计为两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，甲苯走壳程。

2换热器的工艺计算及选型

2.1确定物性数据

水的定性温度

℃，甲苯定性温度

℃，查得水、甲苯在各自定性温度下的物性数据：

表1定性温度下各流体物性[1]

密度/（kg/m3）

比热容/（kJ/（kg·

℃））

黏度/（Pa·

s）

导热系数/（w/m·

℃）

水

992.2

4.174

0.656×

10-3

0.6338

甲苯

812.6

1.867

0.350×

0.145

2.2初算换热器的传热面积

⑴计算热负荷和冷却水流量

Q=Whcph（T1-T2）=13750×

1.867×

103×

（90-60）/3600=213930W

⑵计算两流体的平均温度差。

先按单壳程单管程进行计算，逆流时的平均温度差为

℃

有关参数

，

根据R，P值，查《化工原理》[1]P-280图4-19可读得，温度校正系数φΔt=0.92，则平均温度差Δtm=Δtm’φΔt=34.76×

0.92=31.98℃

⑶按经验数值初选总传热系数K0（估）

选取K0（估）=450W/（m2·

⑷初算出所需传热面积

2.3初选换热器规格

对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为Φ25mm的管子。

由于Tm-tm=35℃，因此不需考虑热补偿。

再由换热面积，查《换热器设计手册》[2]P-17表1-2-1，选定G273Ⅰ-2-2.5-11.1型换热器，有关参数见下表2。

表2所选换热器结构基本参数

公称直径/mm：

300

公称压强/MPa：

1.6

公称面积/m2：

15.27

管程数：

2

管子尺寸/mm：

Φ25×

2.5

管长/m：

6

管子总数：

37

管子排列方法：

正三角形排列

查《化工设备机械基础》[3]p-215表7-10，壳体直径为159~325时，拉杆数量为4个。

由《换热器设计手册》[2]P-18式1-2-1，计算实际传热面积：

So=nπd（L-2δ-0.006）=（37-4）×

3.14×

0.025×

（6-2×

0.05-0.006）=15.27m2

若选该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为

W/（m2·

3换热器核算

3.1压力降的核算

3.1.1管程压力降

∑Δpi=（Δp1+Δp2）FtNp其中，Ft=1.4，Np=2。

管程流通面积

设管壁粗糙度ε=0.1mm，ε/di=0.1/20=0.005，查《化工原理》[1]P-54图1-27第一章中λ-Re关系图中查得：

λ=0.036，所以

则∑Δpi=（1393+387）×

1.4×

2=4984Pa

3.1.2壳程压力降

∑Δpo=（Δp1’+Δp2’）FsNs其中，Fs=1.15，Ns=1，

查《化工原理》[1]P-284：

管子为正三角形排列，F=0.5。

nc=1.1√n=1.1√37≈7

查《换热器设计手册》[2]P-14表1-2-3，取折流挡板间距h=0.2m，

壳程流通面积Ao=h（D-ncdo）=0.2×

（0.3-7×

0.025）=0.025m2

fo=5.0Reo-0.228=5.0×

9082-0.228=0.63

所以

∑Δpo=（970+922）×

1.15=1088Pa

计算表明，管程和壳程压强都能满足题设（不大于0.1MPa）的要求。

3.2总传热系数的核算

⑴管程对流传热系数αi

Rei=15430（湍流）

4.32

W/（m2·

⑵壳程对流传热系数αo

由《化工原理》[1]P-253式4-77a计算，即

查《化工设备机械基础》[3]p-208表7-5，取换热器列管之中心距t=32mm，则流体通过管间最大截面积为

A。

=hD（1-

）=0.2×

0.3×

（1-

壳程中甲苯被冷却，取

，所以

⑶污垢热阻

参考《化工原理》[1]附录p-355表22，污垢系数取为0.52m2·

K/kW，则

管、内外侧污垢热阻分别为Rsi=0.000066m2·

℃/W，Rso=0.000112m2·

℃/W

⑷总传热系数Ko

管壁热阻可忽略时，总传热系数Ko为

=513W/（m2·

由上面计算可知，选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为438W/（m2·

℃），在规定的流动条件下，计算出的Ko’为513W/（m2·

℃），有

故所选的换热器是合适的，其安全系数为

%=17.1%。

4固定管板式换热器的主要结构尺寸设计

固定管板式换热器的主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板（或支撑板）、接管、支座等。

4.1壳体壁厚的确定

选取设计压力pc=1.6Mpa，壳体材料为Q-235B，查《化工设备机械基础》[3]p-311附录9得，其相应的许用应力[σ]t=113Mpa；

查《化工设备机械基础》[3]p-96表4-8，焊缝系数

取为0.85，Di=300mm，故

计算厚度：

根据《化工设备机械基础》p-97，取C2=1.0mm，负偏差C2取0.25mm。

圆整后，δn=4mm，即壳体壁厚为4mm。

4.2管子拉脱力计算

根据《化工设备机械基础》p-205，取胀接长度l=50mm；

根据《化工设备机械基础》p-295附表1-1，查地碳钢线膨胀系数αl=11.2×

10-6mm/（mm·

℃），弹性模量E取为200×

103Mpa；

根据《化工设备机械基础》p-218,表7-11，许用拉脱力取为4Mpa。

1在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力

其中，

mm2

P=0.6Mpa，l=50mm，

2温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力

，As=πD中δn=π×

308×

4=3868mm2

则

又因qp与qt作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：

创新是时下非常流行的一个词，确实创新能力是相当重要的特别是对我们这种经营时尚饰品的小店，更应该勇于创新。

在这方面我们是很欠缺的，故我们在小店经营的时候会遇到些困难，不过我们会克服困难，努力创新，把我们的小店经营好。

Q=qp+qt=0.06+1.31=1.37Mpa＜[q]=4.0Mpa

我们熟练的掌握计算机应用，我们可以在网上搜索一些流行因素，还可以把自己小店里的商品拿到网上去卖，为我们小店提供了多种经营方式。

因此，拉脱力在许用范围内。

10、如果学校开设一家DIY手工艺制品店，你希望＿＿＿＿＿

世界上的每一个国家和民族都有自己的饰品文化，将这些饰品汇集到一起再进行新的组合，便可以无穷繁衍下去，满足每一个人不同的个性需求。

6、你购买DIY手工艺制品的目的有那些？

（一）创业机会分析4.3换热器的主要结构尺寸设计参数

（三）DIY手工艺品的“自助化”表2主要结构尺寸设计参数

4、“体验化”消费换热器型式：

固定管板式

众上所述，我们认为：

我们的创意小屋计划或许虽然会有很多的挑战和困难，但我们会吸取和借鉴“漂亮女生”和“碧芝”的成功经验，在产品的质量和创意上多下工夫，使自己的产品能领导潮流，领导时尚。

在它们还没有打入学校这个市场时，我们要巩固我们的学生市场，制作一些吸引学生，又有使学生能接受的价格，勇敢的面对它们的挑战，使自己立于不败之地。

换热器面积/m2：

15.27

因此不难看出，自制饰品在校园里也大有市场所在。

对于那些走在流行前端的女生来说，〝捕捉〞新事物便〝捕捉〞到了时尚与个性。

工艺参数

名称

壳程

管程

物料名称

操作压力/MPa

0.4~0.6

操作温度/℃

90（进口）/60（出口）

30（进口）/50（出口）

流量/kg/h

13750

9226

流体密度/kg/

流速/m/s

0.26

0.51

传热量/W

213930

总传热系数W/（m2·

513

对流传热系数W/（m2·

752

2935

污垢系数/W/（m2·

0.000112

0.000066

压力降/Pa

1088

4984

推荐使用材料

碳钢

壳径D（DN）

300mm

管尺寸

Φ25×

2.5mm

管程数Np

2

管长L

6m

管子总根数

37（拉杆4）

管排列方式

正三角形排列

中心排管数nc

7

管心距

32mm

5换热器装配简图

详见附图。

6设计评述

本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，经过查阅有关文献资料，对换热器参数进行了设计及反复核算，以确保设计的准确性。

以下是对本设计的一些评述。

从工艺要求和经济性出发，选用了固定管板式换热器作为设计对象。

根据已知条件选定换热器规格后，经过很多次核算，K’/K值始终达不到要求的1.15~1.25范围。

然后，通过查阅更多资料、反复再次核算，加上和同学的激烈讨论，终于取得了阶段性的胜利，基本上完成了换热器设计这块。

绘制换热器的装配图，需要对换热器有全面的认识，许多细节问题必须注意到，主视图、剖视图、局部放大图等才能较好的完成。

整个流程下来，对固定管板式换热器结构及其内部结构的选型有了更理性的认知。

通过本次设计，真的学到了很多。

首先，熟悉了化工原理课程设计的流程，学会了如何根据工艺要求查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，继而对换热器进行准确设计；

其次，巩固了以前学习的化工知识，理解得相对更深入、透彻了些；

此外，学习时要跟同学探讨，一个思想加一个思想，或许会碰撞出更多思维的火花。

第一次做本次课程设计，我们大都是在摸索中前进，走了不少曲折的路。

加上可利用文献资源有限、时间有限，这次设计仍存在许多地方需要去改进与完善。

7参考文献

[1]夏清，陈长贵．化工原理[M]．天津：

天津大学出版社，2010．

[2]钱颂文．二换热器设计手册[M]．化学工业出版社，2002．

[3]刁玉玮，王立业，喻键良．化工设备机械基础[M]．大连：

大连理工大学出版社，2010．