化工原理課程設計列管式換熱器設計匯總

1、課 程 設 計課程名稱化工原理課程設計題目名稱列管式換熱器設計專業(yè)班級10級食品科學與工程（1）學生姓名fff學號 77777指導教師趙大慶二O一二 年 十二 月 二十八 日目錄1 化工原理課程設計任務書. （1）2 概述與設計方案簡介. （2）3 確定設計方案. （6）3.1 選擇換熱器的類型. （6） 3.2 管程安排. （6） 4 確定物性數(shù)據(jù). （6）5 估算傳熱面積. （7）5.1 熱流量. （7） 5.2 平均傳熱溫差. （7） 5.3 傳熱面積. （7）5.4 冷卻水用量. （7）6 工藝結構尺寸. （8） 6.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù). （8） 6.3 傳熱溫差校平均正及殼程數(shù).

2、（8） 6.4 傳熱管排列和分程方法. （10） 6.5 殼體內徑. （10） 6.6 折流擋板. （10） 6.7 其他附件. （10） 6.8 接管. （10） 7 換熱器核算. （10） 7.1 熱流量核算. （10） 7.2 壁溫計算. （13） 7.3 換熱器內流體的流動阻力. （13） 8 結構設計. （15）9 參考文獻 . （16） 10 主要符號說明. （17）設計任務與條件 某生產(chǎn)過程中，反應器的混合氣體經(jīng)與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混合氣體的流量為6.3×104kg/h，壓力為6.9Mpa。循

3、環(huán)冷卻水的壓力為0.4Mpa，循環(huán)水的入口溫度為29，出口溫度為39，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務。經(jīng)查得混合氣體在85下有關物性數(shù)據(jù)： 密度1=90kg/m3,定壓比熱容Cp1=3.297kJ/(kg*)；熱導率1=0.0279W/(m*)；粘度1=1.5×10-5pa*s。循環(huán)水在34 下的物性數(shù)據(jù)： 密度 =994.3/m3 定壓比熱容 =4.174kJ/kg*K 熱導率 =0.624w/m*K 粘度 =0.742×10-3Pa*s設計說明書概述與設計方案簡介換熱器的類型列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導作用，主要有殼

4、體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時，就可能由于熱應力而引

5、起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。2.1換熱器 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱

6、器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結構特點

7、，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式

8、和U形管式等幾種類型。2.2設計方案簡介 換熱器類型的選擇根據(jù)列管式換熱器的結構特點，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。1 固定管板式換熱器這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結余構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質的泄漏。2.U型管換熱器U型管換熱器結構特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自

9、由伸縮，當殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內程管子壞了不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。3. 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結構如下圖1-3所示。其結構特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力；管束可以從殼體內抽搐，便與管內管間的清洗

10、。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質的混合。4.填料函式換熱器填料函式換熱器的結構如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質不適用。1.3 設計方案的選定 1.3.1 設計任務題目 反應器的混合氣體列管式換熱器設計 1.3.2

11、設計任務和設計條件 反應器的混合氣體經(jīng)與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110 進一步冷卻至 60 之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混合氣體的流量為 39000h，壓力為 6.9 MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為 0.4 MPa，循環(huán)冷卻水的入口溫度為 29，出口溫度為 39，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務。 列管式換熱器工藝設計一 確定設計方案1.選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度110 出口溫度60；冷流體進口溫度29，出口溫度為39，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。

12、2.管程安排 從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。二、計算定性溫度，確定流體特性定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= =85 管程流體的定性溫度為T=根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 混和氣體在85下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 定壓比熱容 =3.297kJ/kg* 熱導率 =0.0279w/m* 粘度 =1.5×10-5Pa*s循環(huán)水在34 下的物性數(shù)

13、據(jù)： 密度 =994.3/m3 定壓比熱容 =4.174kJ/kg*K 熱導率 =0.624w/m*K 粘度 =0.742×10-3Pa*s三、計算熱負荷和載熱體用量1.熱負荷： Q=23000×3.297×(110-60)=3791000kJ/h =105300kw2. 冷卻水用量Wc=Q/cpc(t2-t1)= 3.791×106÷4.174×(39-29)=91000kg/h四、按逆流初算傳熱平均溫度差 1=5、 初選傳熱系數(shù)和計算傳熱面積1. 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=320W/(k)2.22222估

14、算的傳熱面積為： A1=Q÷（Ktm1）=68.1m2 考慮 10%20%的安全系數(shù)A=A1×1.1=74.8m2六、工藝結構尺寸1管徑和管內流速 選用25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內流速u1=1.2m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù) Ns= 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L= 按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=4傳熱管總根數(shù) NT=81×4=324 根 3. 傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)： R= P=按單殼程

15、，雙管程結構，查【國防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：圖4-25（a）得：平均傳熱溫差 K 由于平均傳熱溫差 校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。見【化學工業(yè)出版社傳熱應用技術】：P86圖1-80。 取管心距a=1.25d0，則 a=1.25×25=31.2532管束最外層管子的中心與殼體內表面的距離： S=a/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。見【化學工業(yè)出版社傳熱應用技術】：P8表1-21管程數(shù)的確定，每程各有傳熱管114根，其前后管程中隔板設置和介

16、質的流通順序按【化學工業(yè)出版社傳熱應用技術】：P87圖1-81選取。橫過管中心線的管數(shù)：Nc=1.19324=21根5殼體內徑 采用多管程結構，進行殼體內徑估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內徑為： D=1.05a按卷制殼體的進級檔，可取D=800mm筒體直徑校核計算：殼體的內徑應等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑的計算可以決定殼體的內徑，其表達式為：取b'=1.2=1.225=30mm=32 （21-1）+2 32=704mm 按殼體直徑標準系列尺寸進行圓整：=800mm6折流擋板 采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為 h

17、=0.25×800=200m，故可取h=200mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×800=240mm，可取B為240mm。折流板數(shù)目 【化學工業(yè)出版社傳熱應用技術】：P88七 換熱器核算1熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計算，見式【國防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：式（4-41b）： 當量直徑，依【國防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：式（4-43）得 = 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普朗特數(shù) 粘度校正 （2）管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 管程流體流通截面積： 管程流體流速： 雷諾數(shù)： 普朗特數(shù)：（3） 污垢熱阻?。?管外側污垢熱阻 管內側污垢

18、熱阻 【化學工業(yè)出版社傳熱應用技術】：P56表1-6 管壁熱阻按【國防工業(yè)出版社化工原理】：附錄11查得碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(m·K)。所以（4） 傳熱系數(shù)有： 【化學工業(yè)出版社傳熱應用技術】：P55（5） 傳熱面積裕度： 計算傳熱面積Ac：該換熱器的實際傳熱面積為：該換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。3.壁溫計算式中液體的平均溫度T和氣體的平均溫度分別計算為 T=(39+29)/2=34 t=(110+60)/2=85 5502w/·K 583w/·K 傳熱管平均壁溫 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85。

19、殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。1換熱器內壓力降的計算（1）管程流體阻力 , , 由Re=32161，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖:【化學工業(yè)出版社流體輸送與非均相分離技術】：P78圖1-82得，流速 u=1.3m/s, 所以： 對于25×2.5傳熱管，F(xiàn)t=1.4管程流體阻力在允許范圍之內。（2） 殼程阻力： 按式計算（埃索法） , , 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 (fo-殼程流體的摩擦系數(shù)，當Re500時，) 0.5×0.2419×36×(19+1)&#

20、215;=724.82Pa 流體流過折流板缺口的阻力 , B=0.267m , D=0.89mPa 總阻力724.82+4586.08=5311.62Pa>10kpa 由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。 換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器型式浮頭式換熱器參數(shù)管程殼程工作介質循環(huán)冷卻水混合氣體流量/(kg/h)897671227301溫度（進/出）/29/39110/60壓力/MPa0.46.9 物性參數(shù)定性溫度/3485密度/(/m)994.390比熱容/kJ/(kg·)4.1743.297黏度/mPa·s0.7420.015熱導率/W

21、/(m·)0.6240.0279普朗特數(shù)4.9631.773設備結構參數(shù)型式浮頭式臺數(shù)1殼體內徑/mm1000殼程數(shù)1管子規(guī)格25mm×2.5mm管心距/mm32管長/mm8000管子排列正三角形管子數(shù)目/根570折流板數(shù)/塊26傳熱面積/457.62折流板距/mm300管程數(shù)5材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/(m/s)1.22.5傳熱膜系數(shù)W/(·)5502625污垢熱阻/(·/W)0.00060.0004阻力損失壓力降/MPa0.044690.03998熱負荷/kW10408平均傳熱溫差/46傳熱系數(shù)/W/(·)330面積裕度/0.7參考文獻1 匡國柱 ,史啟才 .化工單元過程及設備課程設計M.北京：化學工業(yè)出版社，2010.2 鄭津洋 ,董其伍 ,桑芝富. 過程設備設計M.北京：化學工業(yè)出版,2010.3 付家新 ,王為國 ,肖穩(wěn)發(fā). 化工原理課程設計M.北京：化學工業(yè)出版社,2001.4 朱有庭 ,曲文海, 于浦義. 化工設備設計手冊M.北京：化學工業(yè)出版社,2005.5 王松漢 .石油化工設計手冊M.北京：化學工業(yè)出版社,2002.6 黃嘉琥 .壓力容器材料實用手冊M.北京：化學工業(yè)出版社,1997.7 黃載生 .化工機械力學基礎M.北京：化學工業(yè)出版社,1990.8 李世玉，桑如苞.壓力容器工程師