列管式换热器的设计

化工原理课程设计

学院: 化学化工学院

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目录§一.列管式换热器

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.列管式换热器简介

设计任务

.列管式换热器设计内容

.操作条件

.主要设备结构图

§二.概述及设计要求

.换热器概述

.设计要求

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§三.设计条件及主要物理参数

. 初选换热器的类型

. 确定物性参数

.计算热流量及平均温差

壳程结构与相关计算公式

管程安排(流动空间的选择)及流速确定

计算传热系数k

计算传热面积

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§四.工艺设计计算

§五.换热器核算

§六.设计结果汇总

§七.设计评述

§八.工艺流程图

§九.主要符号说明

§十.参考资料

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§一 .列管式换热器

. 列管式换热器简介

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。

列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

设计任务

￥

1.任务

处理能力：3×105t/年煤油（每年按300天计算，每天24小时运行）

设备形式：列管式换热器

2．操作条件

(1)煤油：入口温度150℃，出口温度50℃

(2)冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃

(3)允许压强降：不大于一个大气压。

备注：此设计任务书（包括纸板和电子版）1月15日前由学委统一收齐上交，两人一组，自由组合。延迟上交的同学将没有成绩。

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.列管式换热器设计内容

1.3.1、确定设计方案

（1）选择换热器的类型；（2）流程安排

1.3.2、确定物性参数

（1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数

1.3.3、估算传热面积

（1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量

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1.3.4、工艺结构尺寸

（1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）

传热管排列和分程方法；（5）壳体内径；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管1.3.5、换热器核算

（1）传热能力核算；（2）壁温核算；（3）换热器内流体的流动阻力

.操作条件

某厂用井水冷却从反应器出来的循环使用的有机液。欲将6000kg/h的植物油从140℃冷却到40℃，井水进、出口温度分别为20℃和40℃。若要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa，试选择合适型号的列管式换热器。定性温度下有机液的物性参数列于附表中。

附

表

@项目密度，

kg/m3

比热，

KJ/(kg·℃)

粘度，Pa·s热导率，

kJ/(m·℃)

植物

油

950，

.主要设备结构图（示例）

根据设计结果，可选择其它形式的列管换热器。

1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴

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固定管板式换热器的示意图

§二.概述及设计要求

.换热器概述

换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。

换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，

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（1）固定管板式换热器

这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

（2） U型管换热器

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

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（3）浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差