列管式换热器设计与选用
02-换热器设计
1
§2-2 传热过程分析及计算
二、 传热过程的基本公式 3、通过肋壁的传热
k
' f
Ai 1 hi hoo Ao
1
1 1 hi hoo
1
只要 o 1 就可以起到强化换热的效果。 由于β值常常远大于1，而使η0β的值总是远大于1，这就 使肋化侧的热阻显著减小，从而增大传热系数的值。
二、 传热过程的基本公式
2、通过圆管的传热
内部对流： hi dil (t f 1 twi ) 圆柱面导热：
(t wi t wo ) do 1 ln 2 l di
hi ho
1 lhi di
1 ho ld o
外部对流： ho dol (two t f 2 )
（2）传热系数是常数； （3）换热器无散热损失； （4）换热面沿流动方向的导热量 可以忽略不计。
要想计算沿整个换热面的平均温差，首先需要知道当地温
差随换热面积的变化,然后再沿整个换热面积进行平均。
§2-3换热器中传热对数平均温差的计算
一、简单顺流及逆流换热器的对数平均温差
在假设的基础上，并已知冷热流体 的进出口温度，现在来看图中微元 换热面dA一段的传热。温差为：
1 kf 1 Ao Ao 1 hi Ai Ai hoo
§2-2 传热过程分析及计算
二、 传热过程的基本公式 3、通过肋壁的传热
定义肋化系数：
Ao Ai
则传热系数为：
kf
1 1 hi ho o
1
§2-2 传热过程分析及计算
二、 传热过程的基本公式 3、通过肋壁的传热
t t1 t2 dt dt1 dt2
列管式换热器设计说明书
摘要：列管式换热器属于间壁式换热器，冷热流体通过换热管壁进行热量的交换。
参照任务书的任务量,需设计年冷却15000吨乙醇的列管式换热器，设计时先确定流体流程，壳程走乙醇，其进、出口温度都为80℃，相变放出潜热，井水走管程冷却乙醇，进口温度为32℃，出口温度为40℃。
再进行热量衡算、传热系数校核，初选冷凝器的型号，然后通过进行设备强度校核等一系列的计算和选型，最终确定的设计方案为固定管板式换热器，所选用型号为BEM400-2.5-30-9/25-2 Ⅰ，换热器壳径为400mm，总换热面积为27.79m2,管程为2，管子总根数为60，管长6000 mm,管束为正三角排列，两端封头选取标准椭圆封头。
关键词：列管式换热器，乙醇，水，温度，固定管板式。
Abstract:The tube type heat exchanger is a dividing wall type heat exchanger, fluids with different temperatures exchange heat by means of tube wall’s heat transfer.According to the assignment, A tube type heat exchanger which has a process capacity of .⨯41510t/a is needed. The ethanol flow in the shell,the temperature in the entrance and exits is 80℃.The water which cool the ethanol flow in tubes, the inlet and outlet temperatures are 32℃and 40℃.Then by taking series calculating to confirm the module of the heat exchanger . After the design of intensity designing and a series calculating and choosing , the last result of our design is the fasten-board heat exchanger. The style of the heat exchangeis9BEM400 2.530 225Ⅰ----, and the diameter of the receiver is400mm ,The area of the heat exchange is 27.79 m2, The heat-exchanger in cludes two tube passes,one shell passes and 60 tubes.And the length of tubes is 6000mm . Tubes are ranked of the shape of triangle ，the envelops are oval-shaped.目录1前言 (3)2设计条件 (3)3设计方案的确定 (3)3.1设计原则 (3)3.2结构初选 (4)4列管式换热器的设计计算 (10)4.1列管式换热器型号的初选 (10)4.2核算总传热系数： (13)5列管式换热器的初步计算及选型 (15)5.1试算并初选换热器规格 (15)5.2设计校核 (19)6设备尺寸的确定及强度校核 (22)6.1计算圆筒厚度 (22)6.2封头设计 (23)6.3拉杆定距管尺寸 (24)6.4管板 (25)6.5容器法兰 (26)6.6接管与接管补强 (27)6.7管箱的计算 (33)6.8折流挡板 (33)6.9焊接方式 (34)6.10支座 (34)6.11辅助设备 (38)7设计结果概要 (39)8课程设计心得 (40)9参考文献 (42)1前言艰辛知人生，实践长才干。
化工原理课程设计——列管式换热器的设计
XX大学XX学院化工原理课程设计班级姓名学号指导教师 ____二零一X年X月X日化工原理课程设计任务书皖西学院生物与制药工程学院课程设计说明书题目：水冷却煤油列管式换热器的设计课程：化工原理系（部）：专业：班级：学生姓名：学号：指导教师：完成日期：课程设计说明书目录第一章设计资料一、设计简介 (5)二、设计任务、参数和质量标准 (7)第二章工艺设计与说明一、工艺流程图 (8)二、工艺说明 (8)第三章物料衡算、能量衡算与设备选型一、物料衡算 (9)二、能量衡算 (11)三、主要设备选型 (13)第四章结论与分析结论与分析 (15)第五章设计总结设计总结 (17)参考文献 (17)第一章设计资料一、设计简介换热器是许多工业生产部门的通用工艺设备，尤其是石油、化工生产应用更为广泛。
在化工厂中换热器可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。
根据操作条件设计出符合条件的换热器，设计方案的确定包括换热器形式的选择，加热剂或冷却剂的选择，流体流入换热器的空间以及流体速度的选择。
本课程设计是根据任务给出的操作目的及条件、任务，合理设计适当的换热器类型，以满足生产要求。
1、固定板式换热器（代号G）设备型号内容有：壳体公称直径（mm），管程数，公称压力(×9.81×104 Pa)，公称换热面积（m2），如G800I-6-100型换热器，G表示固定板式列管换热器，壳体公称直径为800mm，管程数为1，公称压力为6×9.81×104 Pa，换热面积为100m22、浮头式列管换热器（代号F）设备型号内容有：壳体公称直径（mm），传热面积（m2），承受压力（×9.81×104 Pa），管程数，如F A600-13-16-2型换热器，F代表浮头是列管换热器，B表示换热器为管径错误!未找到引用源。
列管式换热器的设计(化工原理课程设计)
目录§一.任务书 (2)1.1.化工原理课程设计的重要性1.2.课程设计的基本内容和程序1.3.列管式换热器设计内容1.4.设计任务和操作条件1.5.主要设备结构图1.6.设计进度1.7.设计成绩评分体系§二.概述及设计要求 (4)2.1.换热器概述2.2.固定管板式换热器2.3.设计要求§三.设计条件及主要物理参数 (5)3.1.初选换热器的类型3.2.确定物性参数3.3.计算热流量及平均温差3.4.管程安排(流动空间的选择)及流速确定3.5.计算总传热系数3.6.计算传热面积§四. 工艺设计计算 (9)4.1.管径和管内流速4.2.管程数和传热管数4.3.平均传热温差校正及壳程数4.4.换热管选型汇总4.5.换热管4.6.壳体内径4.7.折流板4.8.接管4.9.壁厚的确定、封头4.10.管板§五.换热器核算 (14)5.1.热量核算5.2.壁温核算5.3.流动阻力核算§六. 设计结果汇总 (18)§七. 设计评述 (19)§八. 工艺流程图 (19)§.九.符号说明 (21)§.十.参考资料 (22)§一.化工原理课程设计任务书1.1.化工原理课程设计的重要性化工原理课程设计是学生学完基础课程以及化工原理课程以后，进一步学习工程设计的基础知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用化工原理和相关选修课程的知识，联系生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。
通过这一环节，使学生掌握单元操作设计的基本程序和方法，熟悉查阅技术资料、国家技术标准，正确选用公式和数据，运用简洁文字和工程语言正确表述设计思想和结果；并在此过程中使学生养成尊重实际问题向实践学习，实事求是的科学态度，逐步树立正确的设计思想、经济观点和严谨、认真的工作作风，提高学生综合运用所学的知识，独立解决实际问题的能力。
列管式换热器的选用与设计原则与列管式换热器的设计计算
列管式换热器的选用与设计原则与列管式换热器的设计计算换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积以及换热器的结构尺寸，以完成生产工艺中所要求的传热任务。
换热器的选用也是根据生产任务，计算所需的传热面积，选择合适的换热器。
由于参与换热流体特性的不同，换热设备结构特点的差异，因此为了适应生产工艺的实际需要，设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素，进行一系列的选择，并通过比较才能设计或选用出经济上合理和技术上可行的换热器。
本节将以列管式换热器为例，说明换热器选用或设计时需要考虑的问题。
一、流体通道的选择流体通道的选择可参考以下原则进行：1．不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；2．腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；3．高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；4．饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；5．被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；6．有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；7．粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。
但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。
在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应抓住主要矛盾。
如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便作出合理的选择。
二、流体流速的选择换热器中流体流速的增加，可使对流传热系数增加，有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性，即降低污垢热阻，使总传热系数增大。
然而流速的增加又使流体流动阻力增大，动力消耗增大。
因此，适宜的流体流速需通过技术经济核算来确定。
充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。
在选择流体流速时，除了经济核算以外，还应考虑换热器结构上的要求。
列管式换热器的设计
列管式换热器的设计列管式换热器的应用已有很悠久的历史。
现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。
同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。
为此本章对这两类换热器的工艺设计进行介绍。
列管式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。
目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式(即列管式)换热器”(GB151)标准执行。
列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。
其中以热力设计最为重要。
不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投人使用的换热器在检验它是否满足使用要求对，均需进行这方面的工作。
热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。
流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备——例如泵的选择做准备。
当然，热力设计和流动设计两者是密切关联的，特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。
结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸，等等。
在某些情况下还需对换热器的主要零部件——特别是受压部件做应力计算，并校核其强度。
对于在高温高压下工作的换热器，更不能忽视这方面的工作。
这是保证安全生产的前提。
在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核(该部分内容属设备计算，此处从略)。
列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：①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体阻力；④确定换热器的工艺结构。
1.1设计方案的确定1.1.1换热器类型的选择（1）固定管板式换热器这类换热器如图2-1(a)所示。
列管式换热器设计方案和选用
列管式换热器设计方案和选用设计方案和选用列管式换热器导论：设计方案：1.确定换热器的工作条件：在进行列管式换热器的设计时，首先需要确定换热器的工作条件，包括工作介质的流量、温度、压力等参数。
这些参数将对换热器的尺寸和换热效率等性能产生影响。
2.选择合适的管束类型：列管式换热器一般由多个管子组成的管束和螺纹固定在两个壳体上的结构组成，因此需要选择合适的管束类型。
常用的管束类型有单管、单排管束、多排管束、隔室管束等。
选择合适的管束类型可以提高换热效率，并满足不同的换热要求。
3.确定换热面积和管束长度：换热器的性能主要取决于换热面积和管束长度。
根据工作条件和换热要求，确定合适的换热面积和管束长度。
一般来说，换热面积越大，换热效果越好，但是也会增加成本和体积。
4.确定流体流动方式和传热方式：列管式换热器的流体流动方式包括顺流、逆流和交叉流等，传热方式包括对流传热和辐射传热等。
根据换热要求和经济性，选择合适的流动方式和传热方式。
5.确定壳程流动分配方式：壳程流动分配方式包括平行流动和逆流动等。
在设计中，需要根据换热要求和经济性选择合适的流动分配方式。
选用：1.根据工艺要求选择合适的材料：列管式换热器的材料对于其耐用性和可靠性有着重要影响。
根据介质的性质和工艺要求，选择合适的材料，如不锈钢、碳钢、铜等。
2.确定换热器的维护和清洗方式：列管式换热器由于结构复杂，清洗和维护较为困难。
因此，在选用时需要考虑清洗和维护的方便性，选择易于清洗和维护的设计。
3.考虑能量利用率和经济性：在选用列管式换热器时，还需要考虑能量利用率和经济性。
换热器的能量利用率越高，所需热交换面积就越小，经济性就越好。
因此，选择高效能量利用的换热器是非常重要的。
4.参考其他用户的反馈和评价：在选用列管式换热器时，可以参考其他用户对于不同品牌和型号的反馈和评价。
这些反馈和评价可以提供有关换热器性能和可靠性的宝贵信息。
总结：列管式换热器的设计方案和选用需要考虑多个因素，包括工作条件、管束类型、换热面积、管束长度、流体流动方式、传热方式、壳程流动分配方式、材料选择、维护和清洗方式以及能量利用率和经济性等。
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。
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流体通过换热器时阻力的计算 换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定
允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设 计参数或重新选择其他规格的换热器。按一般经验， 对于液体常控制在104～105 Pa范围内，对于气体则以 103～104Pa为宜。此外，也可依据操作压力不同而有 所差别，参考下表。
3 核算总传热系数 分别计算管、壳程表面传热系数，确定污
垢热阻，求出总传系数K计，并与估算时所取 用的传热系数K估进行比较。如果相差较多， 应重新估算。
流动方式的选择
除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、 热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。 当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系 数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管 程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体 的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数 时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。
折流挡板
安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得 良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。
对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情 况有重要影响。由图3可以看出，弓形缺口太大或太小都会产
生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。
挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能 保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小， 不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径 的0.2～1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：
传热总系数Ｋ的确定
计算Ｋ值的基准面积，习惯上常用管子的外表面 积。当设计对象的基准条件（设备型式、雷诺准数Ｋ值的经验数据作为自己设计的Ｋ 值。表3为常见列管式换热器Ｋ值的大致范围。由表3
选取大致Ｋ值。
用下式进行Ｋ值核算。
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.℃；
流速的选择 流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系
数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对 于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致 管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流 体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验， 表1及表2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。
e) 流量小而粘度大（）的流体一般以壳程为宜，因在壳程 Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许， 将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面 传热系数。
f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热 系数大的流体通入壳程，以减小热应力。
g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。
换热管的排列
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图a， 图b）。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管 外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽 比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易 结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45° 安装（图c），可在一定程度上提高表面传热系数。
下标ｉ、ｏ、ｍ分别表示管内、管外和平均。 当时近似按平壁计算，即：
在用上式计算Ｋ值时，污垢热阻、通常采用经验值，常用的污垢 热阻大致范围可查《化工原理》相关内容。 式中的给热系数，在列管式换热器设计中常采用有关的经验 值公式计算给热系数，工程上常用的一些计算的经验关联式 在《化工原理》已作了介绍，设计时从中选用。
列管式换热器的设计和选用
冷、热流体流动通道的选择的一般原则：
a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。 c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。 d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与 流速无关，而且冷凝液容易排出。
当采用多管程或多壳程时，列管式换热器 内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以 修正 。
换热管规格
换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。 因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或 易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制 造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试 行的系列标准规定采用25×2.5和19×2两种规格，对 一般流体是适应的。此外，还有38×2.5，φ57×2.5 的无缝钢管和25×2, 38×2.5的耐酸不锈钢管。
数大于0.8，否则应改变流动方式，重新计算。 ◆ 计算热流量Q及平均传热温差△tm，根据经验
估计总传热系数K估，初估传热面积A估。 ◆ 选取管程适宜流速，估算管程数，并根据A估
的数值，确定换热管直径、长度及排列。
2 计算管、壳程阻力 在选择管程流体与壳程流体以及初步确定了换热
器主要尺寸的基础上，就可以计算管、壳程流速和阻 力，看是否合理。或者先选定流速以确定管程数NP和 折流板间距B再计算压力降是否合理。这时NP与B是可 以调整的参数，如仍不能满足要求，可另选壳径再进 行计算，直到合理为止。
换热器操作允许压降△P
换热器操作压力P(Pa) 允许压降△P
<105 (绝对压力) 0～105 (表压) >105 (表压)
0.1Pa 0.5Pa >5×104 Pa
管程阻力损失
壳程阻力损失
图4. 壳程摩擦系数f0与Re0的关 系
列管式换热器的设计和选用的计算步骤
1 初选换热器的规格尺寸 ◆ 初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系
按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传 热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢 管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m， 故系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m六种，其 中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径 相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为4～6。