列管式换热器.doc

课 程 设 计 说 明 书

课程名称：化工原理课程设计
设计题目：列管式换热器
院 系：化学与环境工程学院
学生姓名：
学 号：
专业班级：10级高分子材料与工程
指导教师：

2014 年11月 日
列管式换热器设计任务书
设计一台列管式换热器
一、 设计任务及操作条件
(1) 处理能力 1×t/a热水　
(2) 设备型式 列管式换热器
(3) 操作条件
① 煤油:入口温度140℃,出口温度40℃.
② 冷却介质:循环水,入口温度30℃,出口温度40℃.
③ 允许压降:不大于105Pa.
④ 每年按300天计算,每天24小时连续运行.
二、 设计要求及内容
(1) 根据换热任务和有关要求确认设计方案;
(2) 初步确认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) 确认换热器的工艺结构.
摘要：通过对列管式换热器的设计，首先要确定设计的方案，选择合适的计算步骤。查得计算中用到的各种数据，对该换热器的传热系数 传热面积 工艺结构尺寸等等要进行核算，与要设计的目标进行对照是否能满足要求，最终确定换热器的结构尺寸为设计图纸做好准备和参考，来完成本次课程设计。
关键词：标准 方案 核算 结构尺寸

目 录
一.概述……………………………………………………………….4
二.方案的设计与拟定……………………………………………….4
三.设计计算………………………………………………………….7
3.1确定设计方案……………………………………………..7
3.1.1选择换热器的类型…………………………………...7
3.1.2流动空间及流速的测定……………………………...7
3.2确定物性数据………………………………………...........7
3.3计算总传热系数…………………………………………..8
3.3.1热流量…………………………………………………8
3.3.2平均传热温差…………………………………………9
3.3.3冷却水用量…………………………………................9
3.4计算传热面积……………………………………………...9
3.5工艺结构尺寸…………………………………………….10
3.5.1管径与管内流速……………………………………..10
3.5.2管程数与传热管数…………………………………..10
3.5.3传热管排列和分程方法……………………………..10
3.5.4壳体内径……………………………………………..11
3.5.5折流板………………………………………………...11
3.5.6接管…………………………………………………..11
3.6换热器核算……………………………………………...12
3.6.1热量核算……………………………………………..12
3.6.1.1壳程对流传热系数…………………………….12
3.6.1.2管程对流传热系数……………………………..13
3.6.1.3传热系数K……………………………………..13
3.6.1.4传热面积S………………………………………13
3.6.2换热器内流体的流动阻力 …………………………14
3.6.2.1管程流动阻力…………………………………...14
3.6.2.2壳程阻力………………………………………..15
3.6.2.3换热器的主要结构尺寸和计算结果…………..15
四．设计小结……………………………………………………….16
五．参考文献………………………………………………………..18

一.概述
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
二.方案设计和拟订
根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的固定管板式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，冷水走管程，热水走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为3m，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。
根据固定管板式的特点：结构简单，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。U形管式特点：结构简单，质量轻，适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。浮头式特点：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。我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。
根据以下原则：(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择冷水走管程，热水走壳程。
流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速。
管子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×2mm两种规格的管子。在这里，选择 φ25×2.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中，管长选择6m。
　　管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。在这里选择组合排列法，每程内均选择按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
　　管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.3～1.5)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25do。
　 管程和壳程数的确定  当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。根据计算，管程为4程，壳程为单程。
折流挡板：安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.2～1)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。
　　换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。
主要构件的选用：  
　　（1）封头 　封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径 的壳体。
　 （2）缓冲挡板　 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。
（3）导流筒　 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。
　　（4）放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。
　　（5）接管尺寸　 换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。
　　最后材料选用：列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。
三.设计计算
3.1确定设计方案
3.1.1 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为煤油，为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
3.1.2 流动空间及流速的测定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，煤油走壳程。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取u i=1.6m/s。　.　
3.2确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程煤油的定性温度为
T==90（℃）
管程流体的定性温度为
t==35 (℃)
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在90℃下的有关物性数据如下：
密度
定压比热容）
导热系数 =0.140W/()
黏度
循环冷却水在35℃下的物性数据：
密度
定压比热容）
导热系数
黏度
3.3计算总传热系数
3.3.1 热流量==138888.9(kg/h)

3.3.2 平均传热温差

3.3.3 冷却水用量

总传热系数K
管程传热系数

壳程传热系数.
假设壳程传热系数w/(m²℃,
污垢热阻
0.000344℃/w，
=0.000172m²℃/w,
管壁的导热系数
则 总传热系数为：

3.4计算传热面积

3.5工艺结构尺寸
3.5.1 管径和管内流速
选用传热管(新的无缝钢钢),取管内流速
3.5.2 管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数

按单程管计算,所需的传热管长度为

按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构。现取传热管长，
则该换热器管程程数为

传热管总根数
平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数

按单壳程, 4管程结构,温差校正系数可查对数平均温度校正系数
可得

平均传热温差

3.5.3 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排列,隔板两恻采用正方形排列.取管心距,则

横过管束中心线的管数

3.5.4 壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率0.65,则壳体内径为

可取
3.5.5 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
, 故可取。
取折流板间距0.2D
则0.2×1800=360mm
可取B为400mm。
折流板数

折流板圆缺面水平装配。
3.5.6 接管
壳程流体进出口接管:取接管内煤油流速为u=2.0m/s为

取标准管径为180mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速，则接管内径为

取标准管径为300mm。
3.6换热器核算
3.6.1 热量核算
3.6.1.1 壳程对流传热系数
对圆缺形折流板,可采用克恩公式

当量直径,由正三角形排列得
m
壳程流通截面积
m²
壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正

3.6.1.2 管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

3.6.1.3 传热系数 K

3.6.1.4 传热面积 S

该换热器的实际传热面积

该换热器的面积裕度为

传热面积裕度适宜,该换热器能够完成生产任务。
3.6.2 换热器内流体的流动阻力
3.6.2.1 管程流动阻力

,，=1.4
,
（=3）
由，传热管相对粗糙度，查图——摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得，流速，，
所以

管程流动阻力在允许范围之内。
3.6.2.2 壳程阻力

,
流体流经管束的阻力

，

流体流过折流板缺口的阻力

，

总阻力
壳程流动阻力也比较适宜。
3.6.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。
换热器型式：固定管板式
管口表
换热面积：762.4
符号
尺寸
用途
连接型式
工艺参数
a

循环水出口
平面
名称
管程
壳程
b

煤油入口
平面
物料名称
冷水
煤油
c

排气口
凹凸面
操作压力,
1.0
1.0
e

放净口
凹凸面
操作温度,℃
30/40
140/40
d

煤油出口
凹凸面
流量,
755719
138888.9
f

循环水入口
凹凸面
流体密度，kg/m3
994
825
管数
1684
管长，mm
6000
流速，m/s
1.597
0.297
管间距
32
排列方式
正三角形
传热量，kW
8564816
间距
150mm
管子规格
Ф25*2.5
总传热系数，W/m2·℃
451
壳体
内径
1800mm
折流板
型式
上 下
对流传热系数，W/m2·℃
6923
729.0
阻力降，MPa
0.085182
0.12503
程数
4
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
四.设计小结
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
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。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。  由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
    流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速 度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。
固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较在相同直径下面积较大，制造较简单，最后一道壳体与管板的焊缝无法检测。它的优点是：（1）传热面积比浮头式换热器大20%～30%；（2）旁路漏流较小；（3）锻件使用较少，成本低20%以上；（4）没有内漏。它的缺点； （1）壳体和管子壁温差t<50℃,当t>50℃时必须在壳体上设置膨胀节；（2）管板与管头之间易产生温差应力而损坏；（3）壳程无法机械清洗；（4）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，相对较低；（5）壳程不适用于易结垢场合。
通过此次设计，了解了很多关于换热器的知识，如换热器的选型，换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。最最重要的是我深刻认知做设计计算时要非常认真，因为一不留神就会出错，如果前面错了没发现，后面就全错,这是设计中的禁忌。还有，虽然换热器的设计比精馏塔的简单很多，但是还是要付出努力才可以的。同时，也要感谢老师及同学的互相帮助。

五.参考文献
［1］柴诚敬,张国亮等．化工流体流动与传热[M]．北京：化学工业出版社
［2］余国琮等．化工容器及设备[M]．北京：化学工业出版社，1980
［3］匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计[M]．北京：化学工业出版社，2002
［4］化工设备技术全书编委会．换热器设计[M]．上海：上海科学技术出版社，1988
［5］徐中全译，尾花英郎著．热交换器设计手册[M]．北京：石油工业出版社，1982
［6］卓震主．化工容器及设备[M]．北京：中国石化出版社，1998
［7］潘继红等．管壳式换热器的分析与计算[M]．北京：科学出版社，1996
［8］朱聘冠．换热原理及计算[M]．北京：清华大学出版社，1987
［9］大连理工大学．化工原理（上册）[M]．大连：大连理工大学出版社，1993
［10］兰州石油机械研究所．换热器（上册[M]）．北京：中国石化出版社，1992
［11］时均等．化学工程手册（第二版，上卷）[M]．北京：化学工业出版社，1996

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74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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