化工原理优秀课程设计循环水冷却器设计项目新版说明书.doc

齐 齐 哈 尔 大 学

化工原理课程设计

题 目 循环水冷却器设计

学 院 化学和化学工程学院

专业班级 制药工程

学生姓名 夏天

指导老师 吕君

成 绩

07月 01日

目 录
摘 要 ……………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………………II
第1章 绪论 ………………………………………………………………………1
1.1设计题目：循环水冷却器设计 …………………………………………1
1.2设计日任务及操作条件 ……………………………………………………1
1.3厂址：齐齐哈尔地域 ………………………………………………………1
第2章 关键物性参数表 …………………………………………………………1
第3章 工艺计算 …………………………………………………………………2
　 3.1确定设计方案 ………………………………………………………………2
3.2核实总传热系数 ……………………………………………………………4
3.3核实压强降 …………………………………………………………………6
第4章 设备参数计算 …………………………………………………………8
4.1确定换热器代号 …………………………………………………………8
4.2计算壳体内径DⅠ ……………………………………………………………9
4.3管根数及排列要求 …………………………………………………………9
4.4计算换热器壳体壁厚 ……………………………………………………9
4.5选择换热器封头 …………………………………………………………11
4.6选择容器法兰 ………………………………………………………………11
4.7选择管法兰和接管 …………………………………………………………13
4.8选择管箱 ……………………………………………………………………14
4.9折流挡板设计 ……………………………………………………………15
4.10支座选择……………………………………………………………………16
4.11拉杆选择和设置…………………………………………………………16
4.12垫片使用…………………………………………………………………18
总结评述 ……………………………………………………………………………20
参考文件 ……………………………………………………………………………21
关键符号说明 ………………………………………………………………………22
附 表1 ……………………………………………………………………………24
附 表2 ……………………………………………………………………………25
致 谢 ……………………………………………………………………………26

摘 要
在中国外化工生产工程中，列管式换热器在现在所用换热器中应用极为广泛——因为它含有结构牢靠，易于制造，生产成本较低等特点。
管壳式换热器作为一个传统标准换热器，在很多部门中全部被大量使用。其结构由很多管子所组成管束，并把这些管束固定在管板上，热管板和外壳连接在一起。为了增加流体在管外流速，以改善它给热情况在筒体内安装了多块挡板。
我们进行作业时列管换热器设计，依据所给任务，进行综合考虑。
首先确定流体流径。我们选择冷却水通入管内，儿循环水经过入管间。
其次，我们确定两流体定性温度，因为温度引发烧效应不大，能够选择固定管板式换热器。依据初算总传热系数和热负荷，和换热器换热面积，换热器根数和长度，来确定管程数。并查阅相关资料。
初步工作完成以后，对设备多种参数校核，包含换热器壳体，封头，管箱，管板，法兰选择等等，接着进行一系列检验。
选择这些附件，不仅要和所选换热很好匹配，而且要兼顾经济要求，让换热器既造价低廉又坚固耐用，以达成即经济又实惠效果。
换热器是将热流体部分热量传输给冷流体设备，以实现不一样温度流体间热能传输，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传输不可缺乏设备，在热交换器中，最少有两种温度不一样流体，一个是流体温度较高，放出热量，另一个是温度较低，吸收热量。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用多种换热器，且它们是上述这些行业通用设备，占有十分关键地位。随意中国工业不停发展，对能源利用、开发和节省要求不停提升，对换热器要求也日益增强。换热器设计制造结构改善和传热机理研究十分活跃，部分新型高效换热器相继问世。依据不一样目标，换热器能够是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。

关键字：换热器；列管式换热器；循环水；冷却器

Abstract
Heat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, in order to realize the different temperature of heat transfer between fluid, also called heat exchanger. Heat exchanger is to realize the heat exchange and transmission in the process of chemical production indispensable equipment, in the heat exchanger, there are at least two different fluid temperature, fluid temperature is higher, one is gives off heat, the other is a low temperature, absorption of heat.
In chemical, petroleum, power, refrigeration, food and other industries widely used in all kinds of heat exchanger, and they are universal equipment, these industry occupies very important position. Optional constant development of the industry in our country, to the requirement of increasing the energy utilization, development and conservation, the requirement of the heat exchanger is also growing. The design and manufacture of heat exchanger structure improvement and the heat transfer mechanism of research is very active, appeared some new high efficiency heat exchanger. According to different purposes, the heat exchanger can be heat exchanger, heater, cooler, evaporator, condenser, etc. Because of the different conditions of use, heat exchanger can have various forms and structures. In production, heat exchanger is a separate equipment sometimes, sometimes, is a part of the process equipment.

Key Words：Heat exchanger；Shell and tube heat exchanger；Floating-head type

第1章 绪论
1.1 设计题目
循环水冷却器设计
1.2 设计任务及操作条件
1.2.1 设计任务
①处理能力：7kg/h
②设备型式：列管式换热器
1.2.2 操作条件
①循环水：入口温度55℃，出口温度40℃
②冷却介质水：入口温度25℃，出口温度35℃
③管程和壳程压强小于1.0MPa
④换热器热损失4%
1.3 厂址
齐齐哈尔地域
第2章 关键物性参数表
在定性温度下：t定冷=（25+35）/2=30℃
t定循=（55+40）/2=47.5℃

表2-1 物性参数表
物性

密度㎏/m2
比热容kJ/（kg℃
粘度Pas
导热系数w/m℃
进口温度℃
出口温度℃
壳程（循环水） 管程（冷却水）
符号

ρ
Cp1
µ1
λ
T1
T2
数据

988.1
4.174
549.4×10-6
647.8×10-3
55
40
符号

ρ
Cp1
µ2
λ
t2
t2
数据

995.7
4.174
800.7×10-6
617.6×10-3
25
35

第3章 工艺计算
3.1 确定设计方案
3.1.1 选择换热器类型
（1）两种流体改变情况：
热流体（循环水）进口温度55℃，出口温度40℃；
冷流体（冷却水）进口温度25℃，出口温度35℃;
冷水定性温度： t定冷=（25+35）/2=30℃
循环水定性温度：t定循=（55+40）/2=47.5℃
因为两流体温差小于50℃，无须考虑热赔偿。所以初步确定选择用固定管板式换热器。
（2）步骤安排：
因为该换热器是含有冷却水冷凝换热器，应使循环水走壳程，方便于排除冷却水。
3.1.2计算热负荷和冷却水流量
（1）热负荷计算
=mhcph△t1 (3-1)
=(7/3600) ×4174×(55-40)
=1.252×106w
热负荷
=Qh-Q (3-2)
=(1-5%)Qh
=0.96×1.252×106w
=1.202×106w
（2）冷却水流量计算
=0.96mhcph(T1-T2) (3-3)
=mhcph(t1-t2)
所以mc=0.96×7×4.174×（55-40）/3600×4.174×(35-25)
=28.8㎏/s
3.1.3计算两流体平均温差，确定管程数
（1）平均传热温差
△tm=△t1-△t2/ln（△t1-△t2）（按逆流计算） (3-4)
其中：△t1=55-35=10℃；△t2=40-25=15℃
△tm=17.38℃
P=t2-t1/T1-t1=0.33
R=T1-T2/t1-t2=1.5
由P、R值查阅《化工原理》（天津大学出版社）（上册）图4-19，可得：Ψ△t=0.92，则有△tm=0.92×17.38=15.99℃
（2）确定管程数
因为Ψ△t=0.92〉0.8，故此换热器应选择单壳程。
3.1.4工艺结构尺寸
（1）初选换热器规格
假设K=850 W/(mk)
则估算传热面积为：
A=Q/K△tm=88.44㎡
（2）管径和管内流速
选择Φ25×2.5碳钢传热器
取管内流速为ui=0.5m/s
（3）估算管程数和传热管数V=ns3.14/4di2ui
由4.1.2可知：冷却水用量=28.8kg/s
则
Mc/ ρc=0.0289m3/s
Ns=4V/（3.14(0.02)2×0.5）=184根
依据列管式换热器传统标准，此数据可选择按单程算，所需单程热管 长度
L=A/3.14dins=7.65m (3-5)
取传热管长l=8m
则该传热管管程数为：Np=L/l=1
传热总根数NT=Npns=1×184=184根
实际传热面积So=N3.14d（1-0.1）=91.29㎡
则要求过程总传热系数为
Ko=Q/So△tm=693w/(㎡·℃) (3-6)
该换热器基础结构参数以下：
表4-1换热器基础结构参数

公称直径：500m
工程压强：1.0MPa
总管数：NT=184根
管间距：t=32mm
管数：184
管程数：m=1
管长：8.0m
工程面积：80㎡
管子排列方法：正三角形排列
3.2 核实总传热系数
3.2.1 管程对流传热系数

普兰特准数：

3.2.2壳程传热系数
取换热器管心距t=32 mm
壳程流通截面积为：
(3-7)
其中：h-折流板间距。取为300㎜。
D-壳体公称直径，取为600㎜
d-管子外径，可取25㎜
t-中心距，可取32㎜。
壳程流体流速：

当量直径按三角形排列有：当量直径

普兰特准数：

用壳方流体对流传热系数关联式计算

带入数据得：

3.2.3 计算总传热系数
(3-9)
其中：——壳程管程对流传热系统w/㎡·℃
——换热管外径内径和内外径平均值mm
——管内侧外侧污垢热阻㎡·℃/w
b——换热器壁厚，取 0.0025m
——碳钢导热系数，取45 w/㎡·℃
管壁热阻碳钢在该条件下=45 w/㎡·℃

计算安全系数
核实表明该换热器能够完成任务。
3.3 核实压强降
3.3.1 管程流体阻力
(3-10)
(3-11)
（1）对于ΔP1计算：管程流通截

由此可知

设管壁粗糙度
λ=0.037代入计算式
ΔP1=0.037×
（2） 对于计算

（3） 对于计算
则：
由此可知，管程流通阻力在许可范围之内。
3.3.2 壳程压强降校核
(3-12)
其中： (3-13)

Fs是壳程压强降届后校正因数，液体取1.15
Ns是壳程数，为1
（1）对于 计算
因为换热器列管呈三角形排列F=0.5

取折流板间距为300mm；
块
壳程流通面积

可见>500故可应用下式计算

(2)对于 计算

(3)对于 计算

计算表明： 管程压强降为2467.55，小于压强1.0
壳程压强降为1333.94，亦小于设计压1.0
综上可知，管程和壳程压强降均能满足题设要求
第4章 设备参数计算
4.1 确定换热器代号
4.1.1 换热器代号
所选换热器代号为
4.1.2 确定方法
此代号依据工艺计算反列管式固定管板式换热器系列标准对G系列列管式固定管板换热器要求。查化学化工出版杜《化工工艺设计手册》（上）第120页表3-10《列管式固定管板换热器标准图号和设备型号》得到壳体内径Di，公称压强，管根数及排列要求而确定。
4.2 计算壳体内径Di
公式： (4-1)
其中：——管中心距， m对
——横过管束中心线管线，用计算
——管束中心线上2管中心到壳体内辟距离，取
计算：

4.3 管根数及排列要求
（1）换热器采取无缝钢管，材质选择可焊接性好10号钢，管长8m ，共184根管。
（2）排列方法及管中心距确实定
1）可该换热器列管采取三角排列
2）管子和管板采取焊接，故可取
4.4 计算换热器壳壁厚
4.4.1 选适宜壳体材料
依据《化工设备手册-材料和部件》（上海）第102页压力容器用碳素碳及一般低合金厚板钢，换热器公称压强为选择钢板。
4.4.2该钢板关键工艺参数性能
加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开坡口。冷冲压力热冲压性能好，使用温度，能够作中低压设备，所以简体材质选择钢板，钢板标准。
4.4.3壁厚计算
（1）公式： (4-2)
其中：——钢板在不考虑加工裕量时厚度，mm
——计算厚度，mm
——钢板负偏差，mm
——腐蚀裕量，mm
——圆整值
式中为设计厚度，可用下式计算：
(4-3)
其中：Pc——设计压力，取
Di——壳体内径，mm
——设计温度下材料许用应力，
——焊缝系数
（2）查算：依据《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-3，《钢制压力容器中使用钢板许用应力》可得=113,依表14-4《焊缝系数》可得=0.85，依表14-6《腐蚀裕量》可得=2mm。

依《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-5，《钢板厚度常见规格及其负偏差》得=0.6mm，=1.2mm。
故
可依据 选择厚度为8mm钢板材质
（3）水压试验强度校核
水压试验应力为 (4-4)
式中：

将相关数据代入原式可得

查阅《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-3，《钢制压力容器中使用钢许用应力》可得到钢制容器在常温水压试验时
从而，有所以壳体壁厚满足水压试验强度要求。
4.5 选择换热器封头
（1）公式：
(4-5)
其中：因为，用整块钢板冲压成型，此时

（2）计算：
（3）选择适宜厚度，并确定封头型式规格
依据《化工设备手册材料和零部件》<上册>第327页椭圆封头应选封头mm，且依据其选择一椭圆封头尺寸以下：

型式
公称直径
曲面高度
直边高度
椭圆形
500mm
125mm
0.309m2

4.6 选择容器法兰
4.6.1 选择法兰型式
选择甲型平焊容器法兰。已知换热器公称压力为，公称直径500mm。查阅《压力容器和化工设备使用手册》中3-1-1，《压力容器法兰分类》，宜采取甲型平焊容器法兰。法兰材料为板材Q235-B，工作温度>-20摄氏度最大工作压力为，小于公称压力，故甲型平焊容器法兰最大许可工作压力满足要求。
4.6.2 确定法兰相关尺寸
查阅《压力容器和化工设备使用手册》第467页。表3-1-2（A）《甲型平焊法兰尺寸》和表3-1-2（B）《甲型平焊法兰质量》可得法兰相关尺寸以下表：

平面
凸面
凹面
法兰质量（kg）
36.81
38.43
37.21
衬环质量（kg）
1.7
3.7
2.5

公称直径DN
法兰
螺栓

D
D1
D2
D3
D4

d
规格
数量
500
630
590
555
545
542
44
23
20
28

4.6.3 选使用方法兰并确定标识
选择甲型平焊容器（凹凸密封面）为宜
标识为：法兰
结构图

图4-3法兰
4.7选择管法兰和接管
4.7.1热流体进出口接管
取接管热流体流速为u=1.7/ m s，则接管内径为

可取接管:mm,长150mm两个
4.7.2冷流体进出口接管
取接管内流体流速u2=1.5m/s,则接管内径为

可取接管：Φ159×4.5，长150 mm两

表4—3钢制管法兰（HGJ45-91）
公称
直径DN

管子
外径
A
连接尺寸
螺栓柱
法
兰
内
径
B
法兰外
径D
螺栓孔
中心圆
直径K
螺栓孔直径L
螺栓
孔数
n

螺栓
长度
螺柱
长度
法兰
厚度
C
156
159
220
180
18
6
65
85
18
110
125
133
250
210
18
6
70
90
20
135

4.7.3选择法兰
依据公式直径和公称压力选择板式干旱钢制管法兰。
HG20593-97 SO150-2.5RF 16Mn
4.8 选择管箱
查阅《化工设备标准图册》，选择封头管箱，材料为 A3F钢，其简图以下所表示：

图4-4封头管箱

4.9 折流挡板设计
查阅《换热器原理及计算》依据换热器要求，选择厚度为5mm圆缺形挡板。
其参数以下：

两板间距离： h=D(0.2-1)=300mm

折流板高度： H=500(1-25%)=375mm

折流挡板个数： N=L/h -1=8/0.3 -1=12块

折流挡板厚度： δ=5mm

4.10支座选择
查阅《化工设备设计手册材料和零部件》第625页, 选择A3F材料，采取鞍式支座
Dg500AJB1167-73. 尺寸以下表

表5-4鞍式支座DG500AJB1167-73

公称直径
DN
每个支座许可负荷
t
b
L
B
K1
b
m
500
23.0
160
460
120
330
90
200

图4-6鞍式支座

4.11 拉杆选择和设置
4.11.1拉杆选择
查阅《化工过程和设备设计》 第15页表可知：

表4-5 拉杆

拉杆直径
数量
拉杆螺纹
公称直径
la
Lb
b
12
4
16
20
>=60
2.0

4.11.2拉杆设置
拉杆和折流板和挡板连接形式以下图所表示：

图4-7拉杆

4.11.3确定管板尺寸
由《化工设备机械基础》查得，管板选择材料为16Mn,管板厚度为20mm,质量是59.6Kg.

图4-8整体管板
4.12 垫片使用
4.12.1设备法兰用垫片
依据《压力容器和化工设备实用手册》第491页，密封垫片选择非金属软垫片，JB4704-92。厚度30mm, 该垫片为法兰用垫片，其尺寸：
外径：D2=545mm 内径：D1=500mm PN=1.6Mpa DN=500mm

图5-9设备法兰所用垫片

4.12.2管法兰用垫片
材料：耐油橡胶石棉板 S20——0056——3. 厚度3mm.
垫片：1.MFM 150——2.5
2.MFM 200----2.5
总结评述
在老师悉心指导下，在团体中每个人主动努力下，在这历时两个星期课程设计中我们处理了很多难题。
然而，在这次课程设计中，大家更多发觉了自己不足，和对实践经验缺乏，在很多方面还需提升。在学习中大家分工明确，在每个步骤中全部能出色完成。
我组关键进行了以下步骤：
一．数据计算——在设计刚开始时，大家主动查询相关资料，翻阅了图书馆里很多相关书籍。在大家不停查找资料、不停了解公式原理不停进行可行性分析前提下,很多问题全部得到了处理，在很多难点上全部有了很大突破。经过了几天团结协作完成了计算部分。
二．设计说明书——在这个步骤中，大家认真将每一个公式字句输入文档中，输完以后又进行了数次检验，数次审核，最终经过了几天精诚合作，完成了文档输入工作。说明书设计，从封皮到公式到逐字逐句全部显得十分谨慎。
三．画图——对于每一个步骤，全部需要每个组员在该步骤上有所突破。在这个步骤中，在组长领导下，大家默契配合，充足表现了团体精神，经过对数据深刻了解，认认真真完成了制图工作，最终完成了该设计最终步骤。
经过这次设计我们看到了团体力量，个人离不开团体，团体需要每一个人精诚合作，才能发挥团结协作精神。
经过老师耐心讲解和帮助，我们把公式及其应用范围全部巩固了一遍。经过这次课程设计，我们充足了解了课程设计真正含义。此次设计给了我知识和技能同时，也给我很多经验和教训。
在以后学习和工作中，我将不停努力学习科学文化知识，不停完善自己，不停挖掘自己潜力。

参考文件
[1]天津大学，化工原理，天津，天津科学技术出版社，1999.7
[2]郑晓梅，魏崇关，化工工程制图，北京，化学工业出版社，.8
[3]化工设备结构图册；编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版.7
[4]柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计，天津，天津科学技术出版社，
（.2）
[5]化学工程手册（1999-）
[6]华南理工大学，化工工程及设备设计，广州，华南理工大学出版社.10
[7]刁玉伟，王立业编，化工设备机械基础，大连，大连理工大学出版社.12
[8]中国化学工业部工程建设标准，钢制管法兰，垫片化学工业出版社
[9]钢制列管式固定板式换热器结构手；1994.1
[10]化工设备设计手册材料和零部件，上海人民出版社.3
[11]姚玉英主编化工原理（上）天津大学出版社.1
[12]大连理工大学教研室编，化工原理课程设计大连理工大学出版社，1994.6
[13]夏清主编化工原理（上）天津大学出版社.1
[14]齐齐哈尔大学化工原理教研室主编，化工原理课程设计.7
[15]谭天恩，麦本熙，丁慧华：化工原理--第二版，北京，化学工业出版社.6
[16]Tian-Guang HVDC transmission project: Converter Transformer Maintenance Manual[Z].Germany: Siemens, .8

关键符号说明
Q ——热负荷 KJ/h
mi——热流体质量流速 KJ/h
Cph——热流体比热容 KJ/(kg℃)
Cpc——冷流体比热容 KJ/(kg℃)

di ——传热管内径 m
do ——传热管外径 m
de——当量直径 m
D ——公称直径m
K ——选择传热系数
t1——冷流体进口温度
t2——冷流体出口温度
T1——热流体进口温度
T2——热流体出口温度
R——平均温差校正系数参数
Ft——温度校正系数

P——公称压力 Mpa
ai——管程传热膜系数
uo——壳程速度 m/s
De——当量直径 m
Reo——壳程雷诺准数
Pro——课程普兰特数
——流体在定性温度黏度，Pa.s
——导热系数，
dm——平均管径 m
Rsi——管程污垢热阻
Rso——壳程污垢热阻
b——壁厚 m
——管程压力降 Pa ——相对粗糙度 mm

附表1

管式换热器中K值经验数据

管程
壳程
传热系数K值W/㎡℃
水
有机溶剂
气体
水溶液（>2.0）
水
水
有机溶剂
水蒸气冷凝
水蒸气冷凝
轻有机物蒸汽冷凝
850-1700
115-340
30-300
580-2910
580-1160

换热器壳颈标准尺寸

公称直径mm
325
400,500，600,700
800,900,1000
1100
1200
最小壁厚mm
8
10
12
12

固定管板式（代号G）

流体类型
管内（m/s）
管间（m/s）
通常流体
0.5~3
0.2~1.5
海水，河水，易结垢液体
>1
>0.5

附表2

列管式换热器常见流量

·公称直径mm
公称面积㎡
管程数
管数
公称压强
管长m
1.5
2.0
3.0
6.0
1
13

400
12
10
10
16
15
14
26
24
20
52
48
42
1
2
4
113
102
90

500
--
--
--
--
--
--
40
40
35
80
80
70
1
2
4
177
172
152

600
--
--
--
--
--
--
60
55
55
125
120
110
1
2
4
269
258
242

800
--
--
--
--
110
110
100
100

230
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致 谢
经过这次设计我们看到了团体力量，个人离不开团体，团体需要每一个人精诚合作，才能发挥团结协作精神。
经过老师耐心讲解和帮助，我们把公式及其应用范围全部巩固了一遍。经过这次课程设计，我们充足了解了课程设计真正含义。此次设计给了我知识和技能同时，也给我很多经验和教训。
在以后学习和工作中，我将不停努力学习科学文化知识，不停完善自己，不停挖掘自己潜力。