化工设备基础课程设计列管式换热器设计讲解
化工原理课程设计 列管式换热器
化工原理课程设计列管式换热器设计要求：设计一个列管式换热器，实现两种不同温度的流体之间的热量传递。
设计要求如下：1. 列管式换热器采用直管式结构，热传导介质为水和油；2. 设计流量分别为水流量 Q1 = 500 L/h，油流量 Q2 = 300 L/h；3. 设计温度分别为水的进口温度 T1i = 80℃，油的进口温度T2i = 120℃；4. 确定水的出口温度 T1o 和油的出口温度 T2o；5. 选择合适的换热器材料，确保换热效果良好；6. 根据设计参数计算所需的换热面积 A 和换热效率η。
设计方案：1. 确定管径和管长：首先根据水和油的流量和温度差，计算所需的换热面积。
然后确定换热器的尺寸，其中包括管径和管长。
2. 选择换热器材料：根据换热介质的性质和工作条件，选择合适的换热器材料，例如不锈钢。
3. 计算出口温度：根据热平衡原理，计算水和油的出口温度。
假设换热器满足热平衡条件，即水的热量损失等于油的热量增加。
4. 计算换热面积：根据换热器的尺寸和热传导方程，计算所需的换热面积。
5. 计算换热效率：根据热平衡原理和换热器的热传导性能，计算换热效率。
实施步骤：1. 根据设计流量和温度差，计算所需的换热面积。
假设水和油的传热系数均为常数，可以使用换热传导方程进行计算。
2. 根据所需的换热面积和理论计算值，选择合适的换热器尺寸。
3. 根据所选换热器材料，计算换热器的尺寸和管径。
假设管壁温度近似等于流体温度。
4. 根据热平衡原理，计算出口温度。
假设热平衡条件满足，即水的热量损失等于油的热量增加。
5. 根据所选材料和尺寸，计算换热效率。
假设换热器的热传导系数为常数，使用换热效率计算公式进行计算。
总结：本课程设计主要针对列管式换热器的设计，通过选择合适的换热器材料和计算换热器的尺寸，实现了水和油之间的热量传递。
根据设计要求，通过计算出口温度和换热效率，验证了设计方案的合理性。
设计过程需要考虑多方面的因素，如流体性质、流量和温度差等。
化工设备课件列管式换热器PPT课件
材料选择
高温材料
对于高温工况，选择耐高温、抗氧化、抗腐 蚀的材料，如不锈钢、镍基合金等。
腐蚀性介质
对于腐蚀性介质，选择耐腐蚀、防腐蚀的材 料，如钛合金、聚四氟乙烯等。
低温材料
对于低温工况，选择耐低温、抗脆化的材料， 如铝合金、铜合金等。
压力容器材料
根据压力需求，选择具有足够强度和稳定性 的材料，如碳钢、低合金钢等。
建立设备维修与保养记录，便于追踪设备运行状况和及时发现潜在问题。
05
列管式换热器的故障诊断与处理
常见故障及原因
列管堵塞
由于列管内壁结垢、腐蚀或异物堵塞 等原因，导致传热效率下降。
列管破裂
由于列管材质缺陷、焊接质量差或使 用过程中受到过大的压力或温度波动， 导致列管破裂。
热效率低
由于传热面积不足、传热介质流量不 足或传热温差过小等原因，导致换热 器热效率低下。
特点
结构紧凑、传热效率高、适应性 强、操作定、可处理高热量和 腐蚀性介质等。
工作原理
01
热流体通过列管内部，被加热或 冷却的流体在列管外部流动，通 过列管壁进行热量交换。
02
热量通过列管壁从热流体传递到 被加热或冷却的流体，实现热量 交换。
类型与结构
固定管板式
管板与壳体焊接在一起，结构 简单，适用于壳程压力不高、
03
列管式换热器设计
设计参数
传热面积
根据工艺要求，计算所需的传热面积，确保 热量交换的效率和效果。
传热效率
选择合适的传热方式，如导热、对流、辐射 等，以提高传热效率。
压力等级
根据工艺压力需求，选择合适的压力等级和 耐压材料，确保设备安全。
温度范围
根据工艺温度需求，选择耐温材料和结构， 确保设备在规定的温度范围内工作。
化工原理课程设计---列管式换热器的设计
化工原理课程设计---列管式换热器的设计列管式换热器是一种常用的换热器类型，其结构简单、传热效率高、维修方便等优点使其在工业生产中得到广泛应用。
该换热器由多个平行排列的管子组成，热流体和冷流体分别流过管内外，通过管壁传递热量，实现热量交换。
根据不同的流体流动方式，列管式换热器又可分为纵向流式和横向流式两种形式。
其中，横向流式换热器传热效率更高，但结构较为复杂，维修难度较大，因此在实际应用中需要根据具体情况进行选择。
浮头式换热器的特点是管板和壳体之间没有固定连接，只有一个浮头，管束和浮头相连。
浮头可以在壳体内自由移动，以适应管子和壳体的热膨胀。
这种结构适用于温差较大或壳程压力较高的情况。
但是，由于管束和浮头的连接是松散的，因此需要注意防止泄漏。
U型管式换热器：U型管式换热器的管子呈U形，两端分别焊接在管板上，形成一个U型管束。
壳体内的流体从一端进入，从另一端流出，管内的流体也是如此。
这种结构适用于流体腐蚀性较强的情况，因为管子可以很容易地更换。
多管程换热器：多管程换热器是将管束分成多个组，每组管子单独连接到管板上，形成多个管程。
这种结构可以提高传热效率，但也会增加流体阻力。
因此，需要根据具体情况来选择多管程的数量。
总之，列管式换热器是一种广泛应用于化工及酒精生产的换热器。
不同的结构适用于不同的工艺条件，需要根据具体情况来选择合适的换热器。
在使用过程中，需要注意保养和维护，及时清洗和更换损坏的部件，以保证换热器的正常运行。
换热器的一块管板与外壳用法兰连接，另一块管板不与外壳连接，这种结构称为浮头式换热器。
浮头式换热器的优点是管束可以拉出以便清洗，管束的膨胀不受壳体约束，因此在两种介质温差大的情况下，不会因管束与壳体的热膨胀量不同而产生温差应力。
但其缺点是结构复杂，造价高。
填料式换热器的管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也较低。
但壳程内介质有外漏的可能，因此不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。
(完整版)列管式换热器设计
第一章列管式换热器的设计1.1概述列管式换热器是一种较早发展起来的型式，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家中已有系列化标准。
列管式换热器在换热效率，紧凑性和金属消耗量等方面不及其他新型换热器，但是它具有结构牢固，适应性大，材料范围广泛等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中得以继续应用下去。
目前仍是化工、石油和石油化工中换热器的主要类型，在高温高压和大型换热器中，仍占绝对优势。
例如在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜（或再沸器）和冷凝器、化工厂中蒸发设备的加热室等，大都采用列管式换热器[3]。
1.2列管换热器型式的选择列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温度差补偿结构来分，主要有以下几种：（1）固定管板式换热器：这类换热器的结构比较简单、紧凑，造价便宜，但管外不能机械清洗。
此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。
通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。
同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。
因此，当管壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器。
为了克服温差应力必须有温度补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。
（2）浮头换热器：换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上来连接有一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。
这种型式的优点为：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。
其缺点为结构复杂，造价高。
（3）填料函式换热器：这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构与比浮头式简单，造价也比浮头式低。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程终不应处理易挥发、易爆、易燃和有毒的介质。
化工原理课程设计列管式换热器
化工原理课程设计列管式换热器一、前言列管式换热器是化工生产中常用的设备之一，其主要作用是将两种介质之间的热量传递给另一种介质。
在化工原理课程设计中，学生需要深入了解列管式换热器的原理和设计方法，以便能够正确地选择和操作该设备。
二、列管式换热器的基本结构列管式换热器由壳体、管束和管板等部分组成。
其中，壳体是一个密封的容器，通常由钢板制成。
管束则是由多根平行排列的管子组成，这些管子被固定在两个端板上。
而管板则是连接壳体和管束的部分。
三、工作原理列管式换热器的工作原理基于传热学原理。
当两种介质（例如水和空气）流经壳体内外侧时，它们之间会发生热量交换。
具体来说，高温介质通过内部的管道流动，并将其余部分中的热量传递给外部环境中流动的低温介质。
四、传热机制在列管式换热器中，传热机制可以分为三种类型：对流传热、导热传热和辐射传热。
4.1 对流传热对流传热是指通过流体的运动来传递热量的过程。
在列管式换热器中，高温介质通过管子内部流动，低温介质则通过壳体外侧流动。
这种流动会产生一定的对流传热效应。
4.2 导热传热导热传热是指通过物质内部分子之间的碰撞来传递热量的过程。
在列管式换热器中，管子和壳体之间的接触面积很大，因此可以通过导热来进行传递。
4.3 辐射传热辐射传热是指通过电场或者电磁波来进行能量转移的过程。
在列管式换热器中，高温介质会发出一定数量的辐射能量，并将其转移到低温介质中。
五、设计方法在设计列管式换热器时，需要考虑多个因素，包括介质类型、工作压力和温度、换算面积等等。
以下是一些基本设计步骤：5.1 确定工作参数首先需要确定两种介质（即高温介质和低温介质）的工作压力和温度。
这些参数将会影响到换热器的材料选择和尺寸设计。
5.2 计算传热系数传热系数是指在单位时间内，单位面积上的热量传递量与温度差之比。
在列管式换热器中，需要计算出不同介质之间的传热系数。
5.3 确定换算面积换算面积是指在一定时间内，单位时间内通过设备的总热量与温度差之比。
化工原理课程设计列管式换热器
化工原理课程设计列管式换热器化工原理课程设计是化学工程学科的重要环节，其设计的目的是让学生在理论基础知识的基础上，能够熟练掌握工业化学反应装置和过程的设计方法，并能灵活运用各种装置和工艺条件来实现设备的最优化。
其中列管式换热器是常用于化工生产过程中的一种重要装置，本文将对其进行详细介绍。
一、列管式换热器的结构与原理列管式换热器是通过管壳型构造，由许多纵向的管子构成，管子两侧通过流体工质进行换热。
其主要结构包括壳体、管板、管束、进出口法兰等部分。
换热原理是将热量从高温的流体传给低温的流体，实现两种流体之间的热量交换。
二、列管式换热器的特点和应用列管式换热器具有结构简单、换热效率高、应用范围广、容易清洗维修等特点。
其在化工生产中广泛应用于热回收、冷却、加热等方面，如在石油、化工、冶金、食品、制药、造纸等行业的反应过程中都有重要的应用。
三、列管式换热器的设计方法在设计列管式换热器时，主要需考虑的参数有流体介质、流量、温度、压力等等，其中最核心的是确定热量传递系数与压降。
常用的设计方法有总热传系数法、等效径法、NTU法等。
其中总热传系数法是最常用的方法，其计算的公式为：1/U = 1/hi + Δx/k + Δy/ho其中U为总热传系数，hi、ho分别为热传分界面内的内、外热传系数，k为扩散系数（介质传热系数），Δx、Δy为介质的平均厚度与壁层厚度。
在设计时应根据具体情况选用合适的计算方法。
四、列管式换热器的操作和维护在使用列管式换热器时，应注意清洗维护工作。
由于该装置的结构特殊，应定期进行化学清洗，以避免沉积物和腐蚀物堵塞换热器内壁。
同时还应注意防止介质的过于浓缩，以免产生结晶、沉积、腐蚀等情况。
综上所述，列管式换热器是化工生产中不可缺少的一种装置，其结构特殊、应用范围广泛、换热效率高，并且容易维护操作，是值得研究和推广的一种装置。
在化工原理的课程设计中，学生能够通过对列管式换热器的深入理解和设计方案的完善，培养出创新思维和实际操作能力，为将来化工行业的发展奠定坚实的基础。
列管式换热器课程设计
组装：将管子和管板组装成换热器
焊接：将换热器焊接成一体
检验：对换热器进行压力试验、泄漏试验等检验，确保其 质量和性能符合要求
焊接工艺和要求
焊接方法：采用电弧焊、气焊或激光焊等方法
焊接材料：选用耐腐蚀、耐高温、高强度的合金材料
焊接工艺参数：控制焊接电流、电压、速度等参数，保证焊接质量 焊接检验：进行无损检测，如X射线、超声波等，确保焊接质量符合要 求
Part Four
列管式换热器的传 热计算
传热系数的计算
传热系数的影响因素：包括 流体的性质、流速、温度、 压力等
传热系数的定义：表示单位 时间内单位面积上的传热量
传热系数的计算方法：包括 实验法、理论法和数值法
传热系数的应用：用于计算 换热器的传热量、传热面积
等参数
传热面积的计算
传热面积的定 义：换热器中 流体与壁面接
触的面积
计算公式： A=πD*L，其 中A为传热面 积，D为管径，
L为管长
影响因素：流 体的种类、温 度、流速、压
力等
计算方法：根 据流体的种类、 温度、流速、 压力等参数， 选择合适的计 算公式进行计
算
流体阻力的计算
流体阻力的定义：流体在流动 过程中产生的阻力
流体阻力的计算公式： f=1/2*ρ*v^2*A
检验和试验要求
压力试验：进行压力试验， 检查换热器是否泄漏
尺寸检查：检查换热器尺寸 是否符合设计要求
外观检查：检查换热器外观 是否完好，有无破损、变形 等
热工性能试验：进行热工性 能试验，检查换热器传热效
率是否符合设计要求
耐腐蚀试验：进行耐腐蚀试 验，检查换热器是否耐腐蚀
列管式换热器的设计讲解
目录一、方案简介 (1)二、方案设计 (2)1、确定设计方案 (2)2、确定物性数据 (2)3、计算总传热系数 (3)4、计算传热面积 (3)5、工艺结构尺寸 (4)6、换热器核算 (5)三、设计结果一览表 (8)四、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸） (8)五、参考文献 (9)六、主要符号说明 (9)七、心得体会 (10)附图··········································································本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。
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。
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列管式换热器设计说明书设计者：班级：姓名：学号：日期：指导教师设计成绩日期目录一、方案简介 (3)二、方案设计 (4)1、确定设计方案 (4)2、确定物性数据 (4)3、计算总传热系数 (4)4、计算传热面积 (5)5、工艺结构尺寸 (5)6、换热器核算 (7)三、设计结果一览表 (10)四、对设计的评述 (11)五、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）·································六、参考文献 (12)七、主要符号说明 (12)附图··········································································本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。
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。
某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从93℃冷却到50℃。
处理能力为1×105吨/年。
冷却介质采用自来水，入口温度27℃，出口温度37℃。
要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa 。
试设计能完成上述任务的列管式换热器。
（每年按300天，每天24小时连续运行）1．确定设计方案（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度93℃，出口温度50℃冷流体。
冷流体进口温度27℃，出口温度37℃。
从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。
（2）流动空间及流速的确定由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。
另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。
同时，在此选择逆流。
选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。
2、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程硝基苯的定性温度为：℃＝＋＝5.7125093T管程流体的定性温度为： ℃＝＋＝3223727t 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
硝基苯在71.5℃下的有关物性数据如下： 密度 ρo =1154 kg/m 3定压比热容 c po =1.558kJ/(kg ·℃)导热系数 λo =418.4×30.9×10-5＝0.129 W/(m ·℃) 粘度 μo =0.000979 Pa ·s冷却水在32℃下的物性数据： 密度 ρi =994.3kg/m 3 定压比热容 c pi =4.24 kJ/(kg ·℃) 导热系数 λi =0.618 W/(m ·℃) 粘度 μi =0.000818 Pa ·s3．计算总传热系数（1）热流量W o =1×105×1000÷300÷24≈13889kg/hQ o =W o c po Δt o =13889×1.558×(93-50)=930479.7 kJ/h=258.5 kW（2）平均传热温差℃1.3727503793ln )2750()3793(ln 't 2121≈-----=∆∆∆-∆=∆t t t t m （3）冷却水用量h g Q W O /k 3.21945273724.4930479.7t c i pi i =-⨯=∆=）（ （4）总传热系数K管程传热系数12115000818.03.9945.002.0p u d iii i e =⨯⨯==μR4.0ii pi 8.0i i i i i i i c p u d d 023.0）（）（λμμλα=4.038.0618.0000818.0104.241211502.0618.0023.0）（⨯⨯⨯⨯⨯=℃）（⋅=m /2.2618W壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=290 W/(m 2·℃)；污垢热阻Rsi=0.000344 m 2·℃/W , Rso=0.000172 m 2·℃/W 管壁的导热系数λ=45 W/(m ·℃)oso m o i o i i i o 1d bd d d d d 1αλα＋＋＋＋R R K =2901000712.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.02.2618025.01＋＋＋＋⨯⨯⨯⨯=℃）（⋅=m /400W4、计算传热面积23m ''24.191.37400105.285t m K Q S =⨯⨯=∆=考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×19.24=22.12m 25、工艺结构尺寸（1）管径和管内流速及管长选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s ，选用管长为3m （2）管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数根实943025.014.312.22l d o s =⨯⨯==πA N 按单程管计算其流速为s m W /21.049402.014.3)3.9943600/(3.219454n d 3.9943600/u 2s 2i i =⨯⨯⨯=⨯=π）（按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。
则该换热器管程数为221.05.0u u i p ≈==N (管程) 传热管总根数 N=94 (根)（3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数43.2235627503793==--=R41.0562337932750==--=P按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。
可得90.0t =∆φ 平均传热温差℃39.331.3790.0t 't m =⨯=∆⋅=∆∆m t φ（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t=1.25 d 0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm) 横过管束中心线的管数根117.10941.1≈==C N得到各程之间可排列11支管，即正六边形可排6层。
则实际排管数设为102根，其中4根拉杆，则实际换热器为98根（5）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η＝0.7，则壳体内径为mm 4.3897.0983205.1t05.1=⨯==ηND圆整可取D ＝400mm （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25％，则切去的圆缺高度为h ＝0.25×400＝100mm ，故可取h ＝100 mm 。
取折流板间距B ＝0.5D ，则B ＝0.3×400＝200mm ，可取B 为200。
折流板数 N B =传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(块) 折流板圆缺面水平装配。
（7）接管壳程流体进出口接管：取接管内硝基苯流速为 u ＝1..0 m/s ，则接管内径为m 065.00.114.311543600/138894u 4d 1≈⨯⨯⨯=⋅=）（πV取标准管径为108 mm ×11mm 。
管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u ＝1.5 m/s ，则接管内径为m 072.05.114.33.9943600/3.219454d 2=⨯⨯⨯=）（取ф76mm ×6.5mm 无缝钢管。
6．换热器核算 （1）热量核算①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式14.0w3/155.0oeo r e d 36.0）（μμλαP R = 当量直径，由正三角形排列得m 020.0025.014.3)025.04032.023(4)423(42222=⨯-⨯=-=πππo o e d d t d 壳程流通截面积m 0175.0032.0025.014.02.0t d 1o o =-⨯⨯=-=）（）（BD S 壳程流体流速及其雷诺数分别为4503000979.01154191.002.0e /m 191.00175.011543600/13889u o o =⨯⨯==⨯=R s）（普兰特准数8.11129.0000979.010558.1r 3=⨯⨯=P粘度校正 114.0w≈）（μμ ℃）（⋅=⨯⨯⨯⨯=23/155.0o m /6.86618.114.1063202.0129.036.0W α ②管程对流传热系数4.08.0iii r e d 023.0P R λα=管程流通截面积22i m 0148.02/9802.0785.0=⨯⨯=S 管程流体流速6.10064000818.03.994414.002.0Re s/m 414.00148.03.9943600/3.21945u i i =⨯⨯==⨯=）（普兰特准数℃）⋅=⨯⨯⨯==⨯⨯=24.08.0i 3/(3.24026.51.1089102.0618.0023.06.5618.0000818.01024.4r m W P α ③传热系数K℃）（＋＋＋＋＋＋＋＋⋅=⨯⨯⨯⨯==2oso m o i o i i i o m /5.3476.8661000712.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.03.2402025.011d bd d d d d 1W R R K αλα④传热面积S23m ''201.375.347105.258t m K Q S =⨯⨯=∆=该换热器的实际传热面积Sp2o p m 2.22119806.03025.014.3l d ≈-⨯-⨯⨯==）（）（N S π 该换热器的面积裕度为%1120202.22%100''p =-=⨯-=SS S H传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。