化工原理课程设计(多壳程换热器).doc

南京工程学院

课程设计说明书（论文）

题目 多壳程列管式换热器的设计

课 程 名 称 化工原理
院 (系、部、中心) 康尼学院
专 业 环境工程
班 级 K环境091
学 生 姓 名 单超凡
学 号 240094435
设 计 地 点 文理楼A404
指 导 教 师 李乾军 张东平

目录
一． 符号说明
1.1物理量（英文字母）.................................................................1
1.2物理量（希腊字母）.................................................................1
二． 设计目的 .................................................................1
三． 参数与条件设置 .................................................................2
3.1已知参数 .................................................................2
3.2设计条件 .................................................................2
四． 设计计算 .................................................................2
4.1确定设计方案 .................................................................2
流动空间及流速的确定 ...........................................................2
4.1.1选择换热器的类型 ................................................................3
4.1.2确定物性数据 ... ............................................................3
4.1.3计算总传热系数 ..............................................................4
4.1.4设计传热面积 ..............................................................5
五． 工艺结构尺寸 .............................................................5
5.1.1 管径和管内流速 ...........................................................5
5.1.2 壳程数和传热壳数 .........................................................6
5.1.3 平均传热温差校正及壳程数 .............................................6
5.1.4 传热管排列和分程方法 .............................................6
5.1.5 壳体内径 .............................................................8
5.1.6 折流板 ...........................................................8
5.1.7 接管 .............................................................8
六. 换热器核算 ............................................................9
6.1.1 热量核算 .............................................................9
6.1.2换热器内流体的流动阻力 ..................................................11

前言
在工业、石油、动力、制冷、食品等行业中广范使用各种换热器，且他们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求也不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计。制造、结构改造及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
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，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。
列管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大量使用，尤其化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，大量地应用于工业中。为此对多壳换热器进行设计。

一、符号说明：
1.1物理量（英文字母）
B 折流板间间距，m n 指数
Cp 定压比热容，kJ/(kg·℃） N 管数
d 管径，m S 传热面积，m2
D 换热器内径，m t 管心距，m
f 摩擦因数 u 流速，m/s
F 系数
G 重力加速度，m/s2
P 压力，pa；
1.2 物理量（希腊字母）
ɑ 对流传热系数，W/(m2·℃） ρ 密度，Kg/m3
λ 导热系数，W/(m2·℃） Δ 有限差值
μ 粘度 Pa·s
下标
О 管外 m 平均
二、 设计目的
通过课题设计进一步巩固课程所学内容，培养学生运用理论知识进行化工单元过程设计的能力，使学生能够系统的运用知识。通过本次设计，学生应该了解设计的内容，方法及步骤，使学生具有调研技术资料，自行确定设计方案，独自设计计算，准确绘制图样，编写设计说明。 1
三、 参数与条件设置
3.1.1已知参数
（1） 热流体（柴油）：T1=180℃，T2=130℃，Wh=36000kg/h；
（2） 冷流体（油品）：t1=60℃，t2=110℃，压力0.4MPa；
3.1.2设计条件：
壳程数：2；
压力降△p<10~100kPa（液体）；1~10kPa（气体）；雷诺数 Re<5000~20000（液体）；10000~100000（气体）；
流动空间管材尺寸：Φ25mm×2.5mm；
管内流速，0.75m/s；
传热管排列方式：正三角形排列、正方形排列、正方形错列；
传热面积裕量S：20%；
传热管长L，3；
折流挡板切口高度与直径之比：0.20、0.30；
管壁内外污垢热阻，自选；

四、 设计计算
4.1 确定设计方案:
4.1、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180℃，出口温度130℃；冷流体（油品）进口温度60℃，出口温度40℃。该换热器用循环油冷却，冬季操作时进口温度会减低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温和壳体之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。
2、流动空间及流速的确定
柴油走壳程，油品走管程。选Φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取0.75m/s。
4.1、2确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值。
壳程柴油的定性温度为
T==155(℃）
管程油的定性温度为
T==85(℃）
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
柴油在155℃下的有关物性数据如下：
密度 ρo= 715 kg/m3
定压比热容 Cρo= 2.48 kJ/(kg·℃）
导热系数 λo= 0.113 W/(m·℃）
粘度 μo= Pa·s
煤油品在85℃下的物性数据：
密度 ρi=815 kg/m3
定压比热容 Cρi= 2.22 kJ/(kg·℃）
导热系数 λi= 0.128 W/(m·℃）
粘度 μi= Pa·s
4.1、3计算总传热系数
1. 热流量
Qo==360004464000()
2. 平均传热温差
==(℃）
3. 冷却水用量

4. 总传热系数K
管程传热系数
=4075
=w/(m2·℃）
壳程传热系数
假设壳程的传热系=w/(m2·℃）
污垢热阻
=0.000344 m2·℃/w
=0.000172 m2·℃/w
管壁的导热系数=45 w/(m·℃）

=
=354.3w/(m2·℃）
4.1.4设计传热面积
= （m2)
考虑20%的面积裕面，s=0.20=(m2)
五． 工艺结构尺寸
5.1.1 管径和管内流速
选用Φ25mm×2.5mm传热管（碳钢），取管内流速=0.75m/s
表3-1 换热器常用流速的范围

流速
介质
循环水
新鲜水
一般液体
易结垢液体
低黏度油
高黏度油
气体
管程流速，m/s
1.0~2.0
0.8~1.5
0.5~3
>1.0
0.8~1.8
0.5~1.5
5~30
壳程流速，m/s
0.5~1.5
0.5~1.5
0.2~1.5
>0.5
0.4~1.0
0.3~0.8
2~15
5.1.2 壳程数和传热壳数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
(根）
按单程管计算，所需的传热管长度为
L==(m)
按单管程设计，传热管过长，宜采用多壳管程结构。先取传热管长L=3m，则该换热器壳程数为
==1
传热管总根数N=591=59(根）
5.1.3 平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
R=
P=
根据R=1 P=0.42 得出
（℃）
5.1.4 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=+1.2525=31.25(mm)

横过管束中心线的管数
=1.19=（根）

转热管排列方式——正方形直列
5.1.5 壳体内径
才用多壳程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为
（mm)
圆整可取D=350 mm
5.1.6 折流板
采用弓形折流板，去弓形折流板圆缺高度为壳体内径的40%，则切去的圆缺高度为h(mm) 故取B为140mm.
取折流板间距B=0.3D，则
B=0.3(mm) 可取B为110mm
折流板数 =(块）
折流板圆缺水平装配。
5.1.7 接管
壳程流体进口接管：取接管内 流速为u=0.75 m/s，则接管内径为
（m) 取标准管径为150mm

管程流体进出口接管：取接管内循环 流速u=1.5m/s,则接管内径为
d(m) 取标准管径130mm

六.换热器核算
6.1.1 热量核算

图 壳程摩擦系数f与Re的关系
(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
(m)
壳程流体流速及其雷诺数分别为
=(m/s）
=35750
普兰特准数
Pr=
粘度校正
w/(m2·℃)
(2) 管程对流传热系数

管程流通截面积
=0.7850.022=0.009263(m2)
管程流体流速

Re==8096
普兰特准数
Pr=
=(w/(m2·℃）
(3) 传热系数K

=
=309.6w/(m2·℃）
（4） 传热面积S
（m2)
该换热器的实际传热面积
（m2)
该换热器的面积裕度为
H
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
6.1.2换热器内流体的流动阻力
（1） 管程流动阻力

Ns=1 Np=2 Ft=1.15

由Re=8096 传热管相对粗糙度,W/m·℃ 流速ui=1.9 m/s 815kg/m3 所以

（4.6+0.4）<10Kpa
管程流动阻力在允许的范围内。
（2） 壳程阻力

Ns=1 Ft=
流体流经管束的阻力

F=0.5
NB=27
(pa)
流体流过折流板缺口的阻力

B=0.11m D=0.35m
(pa)
总阻力

壳程流动阻力也比较适宜。
（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表
换热器模式：固定管板式
管口表
换热面积（m2):114
符号
尺寸
用途
连接型式
工艺参数
a
DN80
循环油入口
平面
名称
管程
壳程
b
DN80
循环油出口
平面
物料名称
油
柴油
c
DN50
柴油入口
凹凸面
操作压力；MPa
0.4
0.3
d
DN50
柴油出口
凹凸面
操作温度；℃
60/110
180/130
e
DN20
排气口
凹凸面
流量，m/s
4o582
32353
f
DN20
放净口
凹凸面
传热量，kw
1240

总传热系数，W/m2·K
309.6
对流传热系数，w/m2·k
1248.6
638.9
污垢系数，m2·k/w
0.000344
0.000172
阻力降，MPa
0.15
0.11
程数
1
2
推荐使用材料

管子规格
Φ25mm×2.5mm
管数

59
管长
mm
3000
管间距，mm
32
排列方式
正三角
折流板型式
上下
间距，mm
110
切口高度40%
壳体内径，mm
350
保温层厚度，mm

流体密度kg/m3
815
715
流速m/s
1.9
1.6

七． 设计总结
通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，同时，在设计过程中，我也掌握了一定的工艺计算方法。
换热器是化工厂中重要的化工设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。在本次设计中，我发现进行换热器的选择和设计是要通过反复计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。
在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型，通过分析操作要求及计算，本次设计选用换热器为上述计算结果。

此外，其他因素（如加热和冷却介质用量，换热器的检修和操作等），在设计时也是不可忽略的。根据操作要求。
在检修和操作方面，固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。
本次设计中，在满足传热要求的前提下，考虑了其他各项问题，但它们之间是相互矛盾的。如：若设计换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降（阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数或压强降减小，但却又受到换热器所能允许的尺寸限制，且换热器的造价也提高了。因此，只能综合考虑来选择相对合适的换热器。
然而在本次设计中由于经验不足，知识有限，还是存在着很多问题。比如在设计中未考虑对成本进行核算，仅在满足操作要求下进行设计，在经济上是否合理还有待分析。在设计的过程中我发现板式换热器采用同一板片组成不同几何尺寸和形状的流道（非对称流道）解决了两侧水流量不等的问题，同时与对称结构相比具有相同的耐压性和使用寿命。总之，通过本次设计，我发现自己需要继
学习的知识还很多，我将会认真请教老师，不断提高自己的知识水平，扩展自己的知识面。
八. 转热器的结构图如下