换热器课程设计1

化工原理课程设计

课程名称：化工原理课程设计

课题：列管式换热器设计

学院：化学与生物工程学院

专业：过程装备与控制工程

班级： 2013级 1班

姓名：

学号：

指导老师：

摘要 (3)

【关键词】 (4)

化工原理课程设计任务书 (5)

一、设计题目： (5)

二、设计条件 (5)

三、设计步骤 (5)

四、设计要求 (6)

五、设计成果 (6)

六、设计考核 (7)

七、参考资料 (7)

列管式换热器工艺设计 (8)

1.1简介 (8)

1.2工作原理 (8)

1.3换热器的分类、主要特点及结构组成 (8)

1.3.1固定管板式换热器 (9)

1.3.2浮头式换热器 (9)

1.3.3“U”型管式换热器 (9)

1.4设计要求 (9)

2.1设计内容 (11)

2.2设计方案 (11)

2.2.1选择换热器的类型 (11)

2.2.2流程安排 (11)

2.3确定物性数据 (12)

2.4列管式换热器标准简介 (12)

2.5估算传热面积 (13)

2.6工艺结构尺寸 (13)

压力容器的公称直径 (14)

2.7换热器核算 (15)

换热器的主要尺寸和计算结果 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

摘要

【关键词】

化工原理课程设计任务书

一、设计题目：设计中型氮肥厂用变换气水冷立式列管换热器

二、设计条件

1.热流体：变换气，工作压力为1.4MPa，进口温度为65℃，要求降到38℃，变换气流量为95780 kg/h。

2.冷流体：水，进口温度为32℃，出口温度为42℃，操作压力为0.3MPa

3.已知变换气及冷却水在定性温度下的物性数据：

密度（kg/m3）黏度

(mPa·s)

比热容

(kJ/kg·K)

导热系数

（W/(m·K)）

变换气12.83 0.0158 2.495 0.0806 冷却水993 0.718 4.178 0.622

4.两流体均无相变。

5.建厂地址：兰州地区

6.要求管程和壳程的阻力都不大于50kPa

三、设计步骤

1.掌握换热器设计概况、设计原则（以概论综述形式体现在说明书中）

2.确定设计方案

（1）选择列管换热器的类型

（2）确定冷热流体流动空间及流速

（3）确定冷热流体的定性温度及相关物性数据

3.初步估算换热器的传热面积。

4.初选换热器的规格

5.校核

（1）核算换热器的传热能力及传热面积，要求设计裕度不小于10%，不大于20%。（2）核算管程和壳程的流体阻力损失。

如果不符合上述要求重新进行以上计算。

5.将换热器主要结构尺寸和计算结果列表。

6.总结设计过程，绘制列管式换热器设计流程图。

四、设计要求

1.说明书采用统一封面和纸张；

2.方案和流程的选择要阐明理由；

3．设计过程思路清晰，内容完全；

五、设计成果

1.设计说明书（A4纸，不少于20页）

（1）内容包括封面、摘要、目录及页码、任务书、正文、小结、参考文献、附录或符号说明。

（2）格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计要求打印。

2. 变换气水冷立式列管换热器装配图（A1图纸手绘）

六、设计考核

1.设计是否独立完成，是否存在抄袭行为；

2.设计说明书的编写是否规范；

3.结构尺寸计算与图纸是否规范和正确；

4.答辩

七、参考资料

1.《化工原理及设备课程设计》李芳化学工业出版社

2.《化工原理》谭天恩（第四版）化学工业出版社

3. 《化工原理课程设计》贾绍义天津大学出版社

列管式换热器工艺设计

1.1简介

在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体，以满足工艺上的需要。它是化工炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中，有时作为一个单独的化工设备，有时作为某一工艺设备的组成部分，因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。它是进行热量传递的通用工艺设备。

1.2工作原理

板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起, 介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动, 在板片波纹的作用下形成激烈的湍流, 犹如用筷子搅动杯中的热水, 加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触, 通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割, 或者通过大量的焊缝来保证, 在换热板片不开裂穿孔的情况下, 冷热介质不会发生混淆。

1.3换热器的分类、主要特点及结构组成

列管式换热器又称管壳式换热器，已有较长的使用历史，至今仍是应用最广泛的一种换热设备，与其他的几种间壁式换热器相比，单位体积的设备所能提供的传热面积要大得多，传热效果也比较好。由于结构紧凑、坚固，材料较省、且能选用多种材料来制造，故适应性较强，尤其是在大型装置和高温、高压中得到普遍应用。

列管式换热器的种类很多，目前广泛使用的类型主要有以下几种。

1.3.1固定管板式换热器

固定管板式换热器是将两端管板直接与壳体焊接在一起。主要由外壳、管板、管束、封头等主要部件组成。壳体中设置有管束,管束两端采用焊接、胀接或胀焊并有的方法将管子固定在管板上,管板外周围和封头法兰用螺栓紧固。固定管板式换热器的结构简单、造价低廉、制造容易、管程清洗检修方便,但壳程清洗困难,管束制造后有温差应力存在。当换热管与壳体有较大温差时,壳体上还应设有膨胀节。

1.3.2浮头式换热器

浮头式换热器一端管板固定在壳体与管箱之间,另一端管板可以在壳体内自由移动,也就是壳体和管束热膨胀可自由。故管束和壳体之间没有温差应力。一般浮头可拆卸,管束可以自由地抽出和装入。浮头式换热器的这种结构可以用在管束和壳体有较大温差的工况。管束和壳体的清洗和检修较为方便,但它的结构相对比较复杂,对密封的要求也比较高。

1.3.3“U”型管式换热器

U形管式换热器是将换热管炜成U形,两端固定在同一管板上。由于壳体和换热管分开,换热管束可以自由伸缩,不会由于介质的温差而产生温差应力。U形管换热器只有一块管板,没有浮头,结构比较简单。管束可以自由的抽出和装入,方便清洗,具有浮头式换热器的优点,但由于换热管做成半径不等的U形弯,最外层换热管损坏后可以更换外,其它管子损坏只能堵管。同时,它与固定管板式换热器相比,由于换热管受弯曲半径的限制它的管束中心部分存在空隙,流体很容易走短路,影响了传热效果。

1.4设计要求

随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器

不断涌现。为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：

（1）合理地实现所规定的工艺条件；

（2）结构安全可靠；

（3）便于制造、安装、操作和维修；

（4）经济上合理。

2.1设计内容

列管式换热器的设计和分析包括包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计为主,对于已经投入的换热器检验是否满足使用要求时,均需进行这方面的设计。

列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容:

⑴根据换热任务和有关要求确定设计方案；

（2）初步确定换热器的结构和尺寸；

（3）核算换热器的传热面积和流动阻力；

（4）确定换热器的工艺结构

2.2设计方案

2.2.1选择换热器的类型

由设计任务确定选择固定管板式换热器。

2.2.2流程安排

压力高的流体流经管内，因为管径小，承受高压能力好，同时避免了采用高压外壳和高压密封，选择热流体走管程，冷流体走壳程。

①不洁净或易结垢的物料应当流经易于清洗的一侧，对于直管管式，一般通过管

内。

②有腐蚀的流体应在管内流过；

③压力高的流体流经管内；

④饱和蒸汽一般通入壳程；

⑤被冷却物料一般走壳程，便于散热。

2.3确定物性数据

冷流体的定性温度为37℃，热流体的定性温度为51.5℃，定性温度下的冷热流体的物性数据如下表：

流体密度

（kg/m3）黏度

(mPa·s)

比热容

(kJ/kg·K)

热导率

（W/(m·K)）

变换气12.83 0.0158 2.495 0.0806

冷却水993 0.718 4.178 0.622

2.4列管式换热器标准简介

列管式换热器的设计、制造、检验与验收必须遵循中华人民共和国国家标准《钢制管壳式（即列管式）换热器》（GB151-1999）执行。按该标准，对换热器的参数作如下规定。

①公称直径（mm）:卷制圆筒，以圆筒内径作为换热器的公称直径，mm;钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径。

②换热器的传热面积(m2):计算传热面积是以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算所得到的管束外表面积的总和；公称传热面积指经圆整后的计算传热面积。

③换热器的公称长度（m）:以换热器长度作为换热器的公称长度。换热器为直管时，取直管长度；换热器为U形管时，取U形管的直管段长度。该标准还将列

管式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。该标准将换热器分为Ⅰ、Ⅱ两级，Ⅰ级采用较高级冷拔换热管，适用于无相变传热和易产生振动的场合。Ⅱ级采用普通冷拔换热管，适用于再沸、冷凝和无振动的一般场合。

2.5估算传热面积

（1）热流量

Q=w h c ph (T 1-T 2)=95780x2.495x(65-38)/3600=1792.28(kJ/s)

(2)平均传热温差

△t m =2121

t △t △ln t △t

△-=32

384265ln )

3238()4265(-----=12.65 ℃ R =

2121t t T T --=1027=2.7 P=2121T T t t --=27

10=0.37 （3）计算传热面积

假设K=200W/(m 2·K)，则

A 估=Q/(K △t m )=1792.28/(200×12.65)≈700（m 2） ⑷冷却水用量

w c=)/(15443310

178.428

.1792h kg t pc c

Q =?=? 2.6工艺结构尺寸

（1）换热管管径和管内流速

选用∮25mm ×2.5mm 较高级的冷拔传热管（不锈钢），取管内流速u 1=4.0m/s （2）管程数和传热管数

n s =

u

d V

i 2785.0=

11543600

0.402.002.0785.083

.12/95780=????

按单程管计算，所需传热管长度为

L=A 估/（3.14×d 0n s ）=700/（3.14×0.025×1154）=7.72（m ） 长度合适，可按照单程管计算。 （3）换热器排列

正三角形排列可以在同样的管板面积上排列最多的管数。采用正三角形排列法，根据换热管表可知管中心距为32mm 。 （4）壳体内径 按单程管结构

D=t(1.1s n -1)+(2～3)d0=32×（1.11154-1）+3×25=1200（mm ） 参考卷制壳体的公称直径，可取D=1300mm.

压力容器的公称直径

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2800 3000 3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

4500

4600

（5）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20%，则切去圆缺高度为260mm ；取折流板间距B=350mm 。 折流板数=

折流板间距

换热管长

-1≈16

（6）接管直径计算

取u 1=2.0m/s 壳体流体进出口接管 d 1=

s u V 14.341=0

.299314.33600154433

4????=180.5（mm ）

取整后取接管公称直径为200mm 。 取u 2=12.5m/s ，则 d 2=

22

14.34u V =

5

.1283.1214.3360095780

4????=455.2(mm)

圆整后取接管公称直径为450mm 。

2.7换热器核算

（1）热流量核算 ①管内表面传热系数 αi=0.023

i d λ（μp u d i i ）0.8（λ

μCp ）n

变换器被冷却，n 取0.4,管程流通面积 A i =0.785×0.022×1200=0.377 (m 2) Ui=pAi w h =3600

377.083.1295780

??=5.50m/s 故 α

i=0.023

×

02

.00806

.0×（

000

158

.083

.1201.602.0??）

0.8

(

0806

.00000158.02495?)0.4

=733.2(W/m 2·K)

②壳程表面传热系数

Nu=0.36Re 0.55Pr 1/3(w

μμ)

0.14

壳程当量直径de 和流速u 0为

de=

d π)02d 4π223(

4-t =025.0π)0252.04π-032.023（4???=0.020186(m)

Ao=BD(1-

t d 0)=0.35×1.3×（1-032

.0025

.0）=0.0995（m 2）

u 0=

0pA wc =0995

.03600993154433

??=0.434(m/s) 0=0.36

e d λ（μ0d p eu ）0.55（λμc p ）1/3（w

μμ）0.14 =0.36×

02019.0622.0×(000718

.0993434.002019.0??)0.55

×

（

622

.0000718.04178?）1/3

×0.95=3135.8（W/m2·K ）

注：黏度校正系数为1

③污垢热阻和管壁热阻 查表选取污垢热阻Rdi=0.0001720m2·K/W; Rd0=0.0008589m2·K/W. Tsm=1/2×（Tm+tm ）=44（℃） 式中Tm---热流体平均温度 tm---冷流体平均温度

管材料选用不锈钢304，然后查表。利用内插法得到λ=16.80W/(m ·K) d m =

di

d di d 0

ln

0-=022.0025.0ln 02

.0025.0-=0.0228(m)

④传热系数K ′计算

'K 1

=i α1di 0d +R di di d 0+λb dm 0d +Rd0+01a =6.7731

×0202

.0025.0+0.0001719×0202.0025.0

+

80.16002.0×0229.0025.0+0.0008598+8

.31351

得K ′=292.5W/（m2·K ） ⑤传热面积裕度 A ′=

tm K Q △'=65

.125.29228

.1792?=485.2（m2）

实际传热面积

A=πd 0nl=3.14×0.025×6×1154=543.5（m2）

A

A A '-=5.5432

.485-5.543×100%=11.7%

在合理范围内

(2)换热器内流体阻力核算 ①管程流动阻力

∑△Pi=（△p1-△p2）F t N s N p

Ns=1 Np=1 Ft=1.4 由Re=85774.2查的绝对粗糙度ε为0.1，传热管相对粗糙

度d

ε

=0.1/21=0.00476 得λ=0.033. 注：换热管绝对粗糙度数据，莫迪图见天津大学出版的《化工原理》 ui=5.03m/s ，ρ=12.83kg/m3, 则 △p1=λi

d l ×22i pu =0.033×023.06×2

03

.503.583.12??=1580.8（pa ）

△p2=ζ

22i pu =3×2

03

.503.583.12??=486.9（p a ） 则 ∑△pi=（1580.8+486.9）×1×1.4=2942.2（p a ）〈5000p a 则管程流动阻力在允许范围之内。 ②壳程阻力

∑△p0=(△P ′1+△p ′2)F t N s Ns=1,Ft=1.15,流体流经管束的阻力 △p 1ˊ=Ff 0n c (N B +1)

2

2

pu 其中，F=0.5，f 0=5×85774-0.228=0.375，n c =1.1n0.5,N B =16,u0=0.434, 则△p ′1=0.5×0.586×38×（16+1）×2

434

.0434.0993??=17702（p a ）

流体通过折流板缺口的阻力 △p ′2=NB(3.5

D B 2)22pu =15×（3.5-3.135.02?）×2

434.0434.0993?? =4330（p a ）

总阻力

∑△p0=17702+4330=255032（p a）〈50 K p a

换热器流动阻力也较适宜

换热器的主要尺寸和计算结果

参数管程（热流体）壳程（冷流体）流量/kg·h-195780 154433 平均相对分子质量18 温度（进口/出口）/℃65/38 32/42 压力/Mpa 1.4 0.3

物性

定性温度/℃

密度/kg·-3 12.83 933

定压比热容/kj·kg-1·k-1 2.495 4.178 黏度/pa·s 1.58×10-57.18×10-4

参考文献

[1] 王元文.管壳式换热器的优化设计[J].广东化工,2005,3:43-44.

[2] 董宝春. 管壳式换热器的工艺设计[J].甘肃石油和化工,2009,9(3):34-38. [3] 解小銮.管壳式换热器设计的几个问题[J].石油和化工设备,2011,11:22-24.

[4] 中国石化集团上海工程有限公司 化工工艺设计手册(第三版)上册 [M] 北京:化学工业出版社,2003,264-331.

[5] 刘巍 等 冷换设备工艺计算手册(第二版)[M] 北京:中国石化出版社,2008. [6] 陆恩锡,张慧娟.化工过程模拟原理与应用 [M] 北京:化学工业出版设,2011.3 [7] JB/T4715-92,固定管板式换热器型式与基本参数[S].

热导率/W ·m-1·K-1

0.0806 0.622 普朗特殊

设备结构参数

形式 固定管板式 台数 1 壳体内径/mm 1300 壳程数 1 管长/mm 6000 管心距/mm 32 管径/mm Φ25×2.5 管子排列 三角形 管数目/根 1154 折流板个数 15 传热面积/m2 700 折流板间距 0.35 管程数 1 材质

流速/m ·s-1

4.0 0.377 表面传热系数/W ·m-2·K-1 733.2 3300 污垢热阻/W ·m-2·K-1

1．719×10-4

8.598×10-4 阻力/pa 2928.2

22032

热流量/kJ ·s-1

1792.28

传热温差/℃ 12.65 传热系数/W ·m-2·K-1

351.1 裕度/%

11.7%

[8] JB/T4714-92,浮头式换热器型式与基本参数[S]. [9] JB/T4717-92,U 型管式换热器型式与基本参数[S].

[10] 王新,张湘凤.管壳式换热器的设计计算[J].小氮肥设计技术,2006,27(2):6-8. [11] 夏清,陈常贵等.化工原理上册 [M] 天津:天津大学出版社,2005. [12] 钱颂文,廖景娱等译 换热器设计手册 [M] 北京:中国石化出版社,2004. [13] 祁玉红.三种换热器的比较 [J].青海大学学报(自然科学版),2006,24(6).

[14] 董其伍,刘敏珊,苏立建.管壳式换热器的研究进展 [J].化工设备与管道,2006,43(6). [15] 秦叔经,叶文邦等.换热器[M]. 北京:化学工业出版社,2003.

附录

h W ——热流体质量流量，S Kg ； c W ——冷流体质量流量，S Kg ；

v q ——体积流量，3m s ； ph C ——热流体定压比热容，/KJ Kg C ? ；

pc C ——冷流体定压比热容，

/KJ Kg C ?

；T ?——热流体进出口温差，o C ； T Q ——热负荷，W K ； η——热损失；

'

m

t ?——对数平均传热温差，o C ； m t ?——平均传热温差，o C ；

P 、R ——因数； t ??——温度校正系数； K ——总传热系数，2/.o W m C ； A '——估算传热面积，2

m ；

A ——传热面积，2m ； Φ——管径，mm ；