浮头式换热器说明书.doc

第一章 绪 论
1．1 换热器技术概况
近年来,由于新科学技术和节约能源的发展,对被广泛应用的换热器,提高换热器的传热性能和开发新的节能型换热器,已成为换热器设计、制造方面的重要课题，我国石化行业 的换热设备以管壳式换热器为主，并且传统弓形折流板换热器占到总量的70％～80％。弓形折流板换热器固然有其优点，并在产业节能方面做出了巨大奉献 ，但在新的节能减排形势下 ，其缺陷(压降大、存在大量流动死区、振动大、传热效率低等)严重限制了自身的生存和发展空间，同时也推动了强化传热理论和换热器的发 展 。强化传热理论的工程应用根据强化传热理论…，在管的两侧范围内，需要增大传热系数较小 的一侧才干有效改善总传热系数。由于无法拟定所有工况下 ，需要增大管内或管外 的传热系数以得到最高的总传热系数，因此，强化传热理论在工程中的应用不是单一的模式 ，而是呈现出 3种趋势 ，即对管内、管外、管束整体的强化传热 。无论是那种类型的强化传热结构，都已经细化出许多更新类型，且其合用的工作环境和强化效果各异。因此，几十年来，换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列新型高效换热器。比如：气动喷涂翅片管换热器，焊接式板式换热器，螺旋折流板换热器，新型麻花管换热器和Titan绕丝花环换热器等。
而管壳式换热器由于应用广泛，发展也较迅速。管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面，不如其它新型换热设备，但它具有结构坚固、操作弹性大、适应性强、可靠限度高、选材范围广、解决能力大、能承受高温和高压等特点，在换热设备中始终占有约70％的主导地位。管壳式换热器是当前应用最广、理论研究和设计技术完善，运用可靠性良好的一类换热器，目前各国为改善该换热器的性能对其强化传热技术开展了大量的研究。111管壳式换热器的研究和发展重要表现在两方面：一是新型高效传热管(如螺纹管、横纹管、波纹螺旋管、缩放管、绕丝花环管、异形翅片管)等的开发和应用，以强化管程传热。二是管束支撑结构的变化，使壳程流体流动状态发生变化，重要是从横向流变成纵向流和螺旋流，以提高传热效率和减少壳程阻力。管柬支撑是管壳式换热器中的扰流元件，直接影响壳程的流体流动和传热性能，是提高壳程传热系数的关键部件，因此大多致壳侧强化换热研究都侧重于壳侧支撑结构的改善和创新，从最初的折流板，到20世纪70年代出现的折流杆，以及后来开发出的整圆形孔板、空心环、螺旋折流板及管子自支撑等一系列新型壳侧支撑结构，都在围绕着壳侧强化换热这一课题进行，并且还在继续。
折流板支撑传统的管壳式换热器多采用弓形折流板支撑管柬，是目前使用范围较广的一种壳侧支撑结构，其特点足使流体横掠管柬以提高壳侧换热系数，这种结构应用时间长、技术也比较成熟，但是这种支撑结构和流体流动方式将使流动阻力增长，并随着有流体诱导振动发生，导致换热管磨损甚至断裂，同时壳侧流动存在冲刷不充足的流动死区，导致换热系数下降，容易结垢等问题。针对上述缺陷，各国学者开发出了圆盘形、多弓形等折流板结构形式，在一定限度上改善了．单弓形折流扳的缺陷．而折流杆支撑(见图1)

折流杆换热器壳体内的折流元件由一系列细小的折流杆组成，杆两端焊于环嘲上．互相平行的折流杆和折流嘲统称为折流栅，折流栅以一定的问距、一定的排列方式布置在壳体内．折流杆换热器的特点是使流体由横掠管束改为纵掠管柬，由于折流杆对流体的扰动作用，流体流过折流杆后产生的漩涡脱落，以及流过折流l捌时的文丘里效应，以及在后面产生的漩涡尾流，大大提高了传热系数。此外，换热管与折流杆之问为点接触或线接触，接触面积小，传热面积充足．消除了”传热死区”．由于改横向流为纵向流，流动阻力大为减小．壳程压降很小，其缺陷足折流栅和折流笼的制造和安装比较麻烦，并且只有在大流量及高流速的场合才干体现其优良的性能。折流栅的抗震性能与折流杆的刚性有关，当换热器壳径较大时，为保证折流杆具有足够的刚性同时不影响换热器的布置。胡明辅等提出了用“扁钢支撑条”代替“折流圆杆”的新型抗震折流栅。初期的折流杆换热器都采用正方形排列，因而不管是圆杆还是扁钢条都是直线形，为了采用布管数较多的三角形排列，学者们开发出了波浪形圆杆或扁钢条组成的折流栅。
换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器。由于工厂生产中所用换热器的目的和规定各不相同，换热器设备的类型也多种多样。换热器设备的传热方式划分重要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。虽然直接接触式和蓄热式设备具有结构简朴、制造容易等特点，但由于在换热过程中，有高温流体和低温流体互相混合或部分混合，使其在应用上受到限制。因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。
在管侧换热性能已经得到较大改善的情况下，提高壳侧的换热性能即壳侧支撑结构的改善和创新是各种新型换热器研究的重点。总体来说，各种新型管柬支撑使壳程流体呈现不同的流动状态，其共同点是都能有效地强化壳程换热效果，且流动阻力比弓形折流板大幅度减小，但是大部分结构复杂，制造困难。成本高，制约了新型管柬支撑换热器的推广和应用。将新型管柬支撑结构简朴化，减少成本，并将之与高效强化管有效结合足此后换热器发展的一个重要方向。

管壳式换热器有以下几种：

1 固定管板式
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。
特点：结构简朴，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。

2 U形管式换热器
U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板提成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
特点：结构简朴，质量轻，合用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。

3 浮头式换热器
换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。
特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。

1．2换热器在工业生产中的应用
换热器在石油、化工、制冷、冶金及动力等工业生产过程的重要工艺设备之一，有资料表白在我国所有换热器产量中箭壳式换热器约占80％以上，换热器在工农业各领域应用十分普遍，在平常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一，平常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的重要功能是保证工艺过程对介质所规定的特定温度，同时也是提高能源运用率的重要设备之一。例如 动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气余热；制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸取式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是新乡市换热器总厂板式换热器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用板式换热器的场合更是不胜枚举。在航空航天工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运营时产生的大量热量，板式换热器也是不可缺少的重要部件。在各个生产领域中，要挖掘能源运用的潜力，做好节能减排，必须合理组织热互换工程并运用和回收余热，这往往和对的地设计与使用板式换热器密不可分。
由于世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺的局面，各国都在致力于新能源开发，因而新乡市换热器总厂板式换热器的应用又与能源的开发（如太阳能、地热能、海洋热能）与节约紧密相连。所以，换热器的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各工业部门。它不仅是一种广泛应用的通用设备，并且在某些工业公司中占有很重要的地位。例如在石油化工工厂中，它的投资要占到建厂投资的1/5左右，它的重量占工艺设备的40%；在年产30万吨乙烯装置中，它的投资约占总投资的25%；在我国一些大中型炼油公司中，各式换热器的装置数达成300~500台以上。就其压力、温度来说，国外的管壳式板式换热器的最高压力达84MPa，最高温度达1500℃，而最大外形尺寸长达33m，最大传热面积达6700m²，现有实际情况，还要超过上面给出的数据。

第二章 设计方案及工艺流程说明

2. 1 设计任务和设计条件及工艺流程图
某生产过程的流程如图2-1所示,贮槽中的柴油经离心泵打到换热器中,用循环原油冷却, 已知柴油流量为34000kg/h.原油流量44000kg/h，原油进口温度为70℃,出口温度为110℃,柴油进口温度为175℃， 两侧污垢热阻为0.0002㎡℃/k，管程与壳程两侧压降小于或等于0.3at，热损失5%，初设k=250w/㎡℃试设计一台浮头式换热器，完毕生产任务。

图2—1 换热器工艺流程图
1 柴油贮槽 2 离心泵 3 换热器 4 冷却器
5原油贮槽 6 柴油贮槽 7 柴油走管程 8原油走壳程
第三章 工艺计算及设备的结构计算

3．1标准列管换热器的选用
3．1．1流动途径
由于所用换热原料都是油类物质，并且原油粘度大，为了减小损失和充足运用柴油的热量，采用柴油走管程，原油走壳程。
3. 1. 2 物性参数的拟定

柴油 进口温度th1：170℃ 由得34000×2.48×（175-）×0.95=44000×2.2×（110-70）推出=127℃
定性温度 (175+127)/2 = 151℃
冷却介质：原油 进口温度tc1：70℃ 出口温度tc2：110℃
Tm导= （70+110）/2 = 90℃

密度

粘度

比热

导热系数

原油
柴油
815
715
6.65
0.64
2.2
2.48
0.119
0.133

3．1．3 热负荷的计算

热负荷：
Qh =WhCp.h(th1-th2)= 9.44×2.48×103×(175-127)=1.12×106 J/s(3-1)

3．1．4换热器形式的拟定
tm柴－tm导=151－90 = 61℃ > 50℃ ∴ 选用浮头式换热器
浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。

3.2 估算传热面积

3.2.1 平均传热温差
先按纯逆流计算 由于 65÷57 = 1.14 < 2 所以
=（65+57）/2 = 61 ℃

3.2.2传热面积
由物料粘度 查表 加上经验 假设 K = 228 w/㎡℃
所以
= 1.12×/(228×61)=80.53㎡

3.3 工艺尺寸结构

3.3.1管径和管内流速
选用25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢）。取管内流速 = 1.3 m / s
3.3.2 管程数和传热管数
根据传热管内径和流速拟定单程传热管数

n = 9.44/715×0.785××1.3 = 35 根
按单管程计算，所需的传热管长度为

= 80.53/(3.14×0.025×35)= 29.31m
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用非标设计，先取传热管长 = 7.3 M 则该换热器的管程数为
= 29.31/7.3 = 40.1 ≈ 4 (管程)
传热管总根数 ： N = 35 × 4 = 140（根）
3.3.3平均传热温差校正及壳程数
平均温差校正系数

P = (110-70)/(175-70) = 0.38

R = （175-127）/ （110-70）= 1.2
按单壳程，四管程，查图得 = 0.92
平均传热温差： = 0.92 × 61 = 56.12℃
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

3.3.4 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 则
t = 1.25 × 25 = 31.25 ≈ 32mm
隔板中心到离其最近一排管中心距离为
S = t / 2 + 6 = 32/2 + 6 = 22mm
各程相邻管的管心距为 22 × 2 = 44 mm
管束的分程方法，平行分程，分为两束，上下各为七十根。
3.3.5 壳体内径

采用四管程结构，取管板运用率 = 0.65 壳体内径为
= 1.05×32× = 493.11 mm
按卷制壳体的进级档，取 = 500 mm
3.3.6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
= 0.25× 500 =250mm
采用水平装配，由于水平装配可导致流体的强烈扰动，传热效果好。
折流板间距 h :取折流板间距 h = 0.3 ,则h =0.3×500 = 150 mm
折流板数 = 传热管长/折流板间距 — 1 = 7.3/0.15 - 1 = 47.67 ≈ 47 （块）

3.3.7 其他附件
拉杆数量与直径查表知：本换热器内径为500mm ，故其拉杆直径为12，拉杆数量不得少于4个。

3.3.8接管
壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为= 1.8m/s ，则接管内径为
= = 0.1m
管程流体进出口接管：取接管内流体流速为 = 2m/s ，则接管内径为
= 0.092m

3. 4换热器核算

3.4.1 管程对流传热系数

管程流体截面积为
㎡
管程流体流速为

雷诺数为

普兰特数为

所以
=0.023×0.133××/0.22= 891.74w/㎡℃

3.4.2壳程对流传热系数
壳程流体截面积

壳程流体流速

当量直径为

雷诺数为

黏度校正 ≈ 1
普兰特数为

所以：
w/㎡℃

3.4.3污垢热阻和管壁热阻的拟定

污垢热阻Rdi=Rdo=0.0002(),
管壁热阻 又壁温为
所以= 123℃ 查表碳钢导热系数
= 0.0025/48.04 = 0.00005㎡℃/w
3.4.5总传热系数的计算
总传热系数

传热面积裕度：
所需的传热面积

该换热器的实际传热面积为：= 3.14×0.025×7.3×140 = 80.22 ㎡

即传热面积有22.99%的裕量,计算表白所选换热器的规格可用.能完毕生产任务。
3．5核算压强降
3.5.1管程压强降

取Ns=1 Np=4 Fs=1.4
由=14750,传热管相对粗糙度，查图得，流速ui=0.66m/s, ,所以

总阻力=（2273.6+467.18）×1×4×1.4=Pa < 0.3at
管程流体阻力在允许范围之内
3.5.2 壳程压强降
其中Ns=1,Fs=1.15
流体流经管束的阻力：

(3-29)

流体通过折流挡板缺口的阻力：
(3-30)
h=0.15m, D=0.5m

总阻力
<0.3at
以上所求的压强降均在所规定的范围内，所以合适

3. 6设计结果一览表
3—1 标准换热器重要结构尺寸和计算结果
重要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
0.66
0.94
对流传热系数/[w/(m2·k)]
891.74
740.92
污垢热阻/(m2·k/w)
0.0002
0.0002
阻力/Pa
15000
29600
热负荷/w
1120230
平均温度差/℃
56.12
总传热系数/[w/(m2·k)]
306
裕度/ %
22.99%

参数
管程
壳程
进/出口温度/℃
175/127
70/110
压力/Pa
30000
30000
物
性
定性温度/℃
151
90
密度/kg/m3
715
815
比热容/[kJ/(kg·k)]
2.48
2.2
粘度/(Pa·s)
0.00064
0.00665
热导率/[w/(m·k)]
0.133
0.119
普朗特数
11.94
122.93

参数
管程
壳程
设
备结够
参数
形式
浮头式
台数
1
壳体内径/mm
500
壳程数
1
管径/mm
φ25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
7300
管子排列
三角形
传热面积/m2
80.22
折流板数/个
47
管数目/根
140
折流板间距/mm
150
管程数
4
材质
碳钢
参考文献
[1]《化工原理》（上册）修订版.夏清 陈常贵 主编.天津:天津大学出版,2023
[2]《化工设备设计手册》. 潘国昌、郭庆丰主编.北京:清华大学出版社,1988
[3] 《化工流体流动与传热》.张国亮 主编.北京:化学工业出版社,1992
[4] 《化工工艺制图》.周大军 揭嘉 主编.北京:化学工业出版社,2023
[5] 杨长龙 徐功娣 国振双 编. 《化工原理课程设计》.哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,2023 1
[6] 《工程制图》.朱泗芳 徐绍军 主编 . 北京:高等教育出版社,2023
[7] 《 AutoCAD2023应用教程》.刘苏 编著.北京:科学出版社,2023
[8] 《化工设备机械设计基础》巨勇智 编.北京:国防工业出版社,2023

重要符号说明
d-管径 m
f-摩擦系数
-圆缺高度 m
H- 折流板间距 m
L-管长 m
n- 指数，管数，程数
-折流板数
P-压力 Pa 因数
q-热通量
r-半径 m
Re-雷诺数
t-冷流体温度
u-流速，m/s
c-系数
D-换热器外壳内径 m
F-压力降的校正系数
K-滤传热系数
m-程数
N-管数，程数
Nu-努赛尔准数
Pr-普兰特准数
Q-传热速率 W
R-热阻
S-传热面积
T-热流体温度
W-质量流量
希腊字母

下标
c-冷流体
h-热流体
i-管内
m-平均
o-管外
s-污垢

化工原理课程设计
----------------浮头式换热器

学 院： 材料科学与工程学院
班 级： 高 分 子 102
学 号：
姓 名： 李 能 武
指导教师： 佟 白
起止日期： 2023.6.10---2023.6.20
齐齐哈尔大学
化工原理课程设计任务书
专业： 高分子材料与工程
班级： 高分子102
姓名： 李 能 武
设计日期： 2023 年 6 月 10 日至 2023 年 6 月 20 日
设计题目： 浮头式换热器
设计条件：
（1） 两侧污垢热阻为0.0002 m2·k/w
（2） 管程与壳层两侧的压降小于或等于0.3at
（3） 热损失5%
（4） 初设K=250 w /m2·k
设计规定：

（1） 解决量:：柴油-----34000Kg/h
（2） 设备形式： 浮头式换热器
（3） 操作条件：柴油-----进口温度：175℃
原油-----进口温度：70℃
出口温度：110 ℃
（4）设计一台浮头式换热器，完毕生产任务。
（5）画出装备图。

指导教师：佟白
2023 年6月 10 日

结束语：通过本次化工原理课程设计，我获益匪浅，学会了将理论知识应用于实践，在查阅资料的同时，再次巩固了所学的化工知识。在此，非常感谢佟老师的细心指导，是老师冒着炎炎烈日，不辞辛劳来教导我们，鼓励我们要不怕劳苦，坚持做了，就会成长许多。尚有和我一个小组的成员，我们一起完毕了这个课程设计，团队协作再次让我感触颇深！！