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