换热器设计书

换热器设计书文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

目录

1 设计条件及主要物性参数表

设计题目

某制药厂在生产工艺过程中，需将乙醇液体从 75℃冷却到 45℃，乙醇的流量为W kg/h。冷却介质采用 21℃的河水。要求换热器的管程和壳程压降不大于30 kPa，试设计并选择管壳式换热器。

操作条件

（1）乙醇：入口温度75℃出口温度45℃

（2）冷却介质：河水入口温度21℃出口温度27℃

（3）允许压降：不大于30 kPa

（4）定性温度（乙醇60℃，水24℃）下流体物性：

2 概述与设计方案简介]1[

换热器的选择涉及因素很多，如介质的腐蚀性及其它特性、操作温度与压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温差、检修与清理要求等。具体选择时应综合考虑各方面因素。对每种特定的传热工况，通过优化选型会得到一种最适合的设备型号；如果将这个型号的设备应用到其他工况，则传热效果可能会改变很大。因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。对管壳是换热器的设计，应从下方面考虑。

冷却剂出口温度的确定]2[

在水作为冷却剂时，为便于循环操作、提高传热推动力、冷却水的进、出口温差一般控制在5℃~10℃左右。在本次设计中将出口温度设计为27℃。

流动空间的选择]2,3[

确定流动空间的基本原则：

（1）不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。

（2）腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。

（3）压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。

（4）被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。

（5）饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。

（6）有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏量。

（7）流量小或粘度大的流体宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程中流动，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高传热系数。

（8）若两流体温差较大，宜使对流传热系数大的流体走壳程，因壁面温度与α大的流体接近，以减小管壁与壳壁的温差，减小温差应力。

根据以上原则可以确定河水走管程，乙醇走壳程。

管程和壳程数的确定]3[

当换热器的换热面积较大而管子又不能很长，为提高流体在管内的流速，需将管束分程。但程数过多，导致管程流动阻力和动力能耗增大，同时使平均传热温差下降，设

计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。在本次设计选用了管程为2。

当温差校正系数Φt △小于时应采用多壳程。然而在本次设计中Φt △=，采用了单壳程。

设备结构的选择

根据本次题目的要求应当选用管壳式换热器。

3 工艺设计计算]4[

乙 醇： 入口温度75℃ 出口温度45℃ 冷却介质：河水 入口温度21℃ 出口温度27℃ 允许压降：不大于30 kPa

定性温度（乙醇60℃，水24℃）下流体物性：

计算和初选换热器的规格

（1）计算热负荷和冷却水流量：

Q =)(21T T C W ph h -=20000××103×(75-45)÷3600= W

)(12c t t C Q

W ph -=

=）（21-271018.436007.4596663?

??= Kg/h

（2）计算两流体的平均温度差。暂按单壳程，多管程计算，逆流时平均温度差为：

1

2

12/t t In

t t t m ???-?=

?=6.3427-7521-45n 27-75-21

-45=I ）（）（ ℃

而：P=

11.0217521271112=--=--t T t t R 521

2745

751221=--=--=t t T T 由图4-19查得：t ?Φ= 则：56.336.3497.0t m =?=?℃ （3）假设K=300W/2m .℃ 则：S=

m t ?K Q

=

2m 7.4556

.333007.459666=? 由附录中根据S 选择换热器，规格见下表：

实际传热面积：S 0=dL n π=256×××=2m

若选择该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为：

W S Q K 25.30956

.3329.447

.459666t m 0=?=?=

选/(2m .℃) 核算压力降

（1）管程压力降：

p N F t 21i

p p p

）（?+?=?∑ 其中

2

5.1t ==P N F

管程流通面积：

m

015.00226.02i ==i d m A

Re i =

)(1312710

923.02

.99781.0015.03

湍流=???=

-μ

ρ

i i u d 设管壁粗糙度mm 1.0=ε，

007.015

1

.0d ==

i

ε

由第一章中e -R λ关系图中查得λ=

则：

所以：∑=??+=?Pa 1059925.19812552p i ）（ （2）壳层压力降：

S S N F p p p

∑?+?=?)(/

2/10

其中15.1=S F 1=S N

取h= 913

.03

1h =-=-=

L N B 壳程流通面积为：2000418.0)019.0195.0(3.0)(m d n D h A c =?-?=-=

所以：Pa p 5382

17.07.765)19(1964.04.02

/1

=??

+???=? 计算表明管程和壳程压力都能满住题设的要求。

核算总传热系数

（1）管程对流传热系数i α：

./(8.383936.613127015

.06064

.0023.0Pr Re 023

.024.08.04

.08

.0i m W d i

i

i

=???

==λ

α℃) （2）壳程对流传热系数0α： 取换热器列管之中心距mm t 25=则： 取95.0)(

14

.0=w

u u 则：64895.024.105861023

.01696

.036.031

55.00=????

=α （3）污垢热阻：

参考附录管内外侧污垢热阻分别取：

2si 00052.0m R =.℃/W 200017.0m R so =.℃/W （4）总传热系数0K ：

管壁热阻可忽略时，总传热系数为：

37015

8.383919151900052.000017.064811

1

1

0=?+?++=

+++=

i

i o i o si

so d d d d R R K ααW/(m 2.℃)

则有：

2.1309

370

0==选K K 由此可得设计选型满足要求。

4辅助设备的计算和选型

管径初选

初取水经济流速 s m u 5.1=

由于125mm 不是标准管径，因此确定 mm d l 150= 符合经济流速范围

故确定：s m u mm d l /04.1,150==

压头He

在水槽液面及压力表处列柏努利方程 取mm 15.0=ε，

001.0/=d ε，

查图得 局部阻力：

流入换热器()()

91.07.0/15.0112

2

22

21=-=-=A A ξ

流出换热器()()48.07.0/15.015.015.02212=-=-=A A ξ 故 64.2148.091.05.9375.05.8=+++?+=?ξ 换热器压降

根据v q 和He 以及IS 型离心泵系列特性曲线可以选择型号为IS100-80-125的离心泵。

5设计结果汇总表

（1）乙醇：入口温度75℃出口温度45℃

（2）冷却介质：河水入口温度21℃出口温度27℃

（3）允许压降：不大于30 kPa

（4）设计换热器型号及参数：

（5）IS100-80-125的离心泵一台

6设计评述

换热器是石油、化工中最重要的热工设备，对换热器进行科学计算，对换热器的结构进行合理的设计，是换热器性能的重要保证。换热器的热工计算是换热器的设计基础，也是换热器结构设计的前提，因此在换热器的设计中，只有经过对换热器结构参数的不断调整，反复计算，才能使换热器的性能更高，设计更加合理。另外，在换热器设计中要综合考虑多种因素，如介质流速，压力降、膜传热系数、以及面积余量等，并尽量选择标准换热器以减少投资。还应根据实际工程需要结合实际工作经验方可设计出经济合理的换热器。

参考文献：

[1]于风叶，史红刚，管壳式换热器的设计原则，石油化工设计，2009 26 19~21

[2]何潮洪，冯宵，化工原理[M]，北京，科学出版社，2001

[3][日]尾花英郎着，徐中权译，热交换器手册[M]，北京，烃加工出版社，1987

[4]夏清，贾绍义，化工原理（上册），天津大学出版社，2011