列管换热器的设计.doc

课 程 设 计

课程名称 化工原理课程设计
题目名称 列管式换热器设计
专业班级 2011级生物工程1班
学生姓名 包菲
学号 51106011010
指导教师 孙兰萍

二 O一三 年 六 月 二十五 日

目录
1 设计任务书……………………………………………………………......................................................................1
1.1 设计任务和设计条件............................................................................................................................1
1.2 设计内容…….............................................................................................................................................2
2 概述…………………..................................................................................................................................................3
3 确定设计方案……………………………………………………….......................................................................4
　 3.1 选择换热器的类型…………………………………………………............................................................4
　　3.2 流动空间及流速的确定…………………………………………………………….........................................4
4 确定物性数据……………………………………………………….......................................................................4
5 计算总传热系数………………………………………………………...................................................................5
　　5.1 计算热负荷和冷却水流量………………………………………………………………..................................5
　　5.2 计算平均传热温差………………………………………………………......................................................5
　　5.3 确定总传热系数K并计算传热面积…………………………………………………………….....................5
6 换热器结构尺寸设计………………………………………………………...........................................................6
　　6.1 管径和管内流速…………………………………………………….............................................................6
　 6.2 管程数和传热管数…………………………………………………............................................................6
　 6.3 传热管排列和分程方法…………………………………………….........................................................6
　　6.4 壳体内径……………………………………………………………................................................................7
　　6.5 折流板………………………………………………………………..................................................................7
6.6 接管........................................................................................................................................8
7 换热器核算…………………………………………………………........................................................................8
　　7.1 热量核算…………………………………………………………...................................................................8
　　 7.1.1壳程对流传热系数…………………………………………….......................................................9
　　 7.1.2管程对流传热系数…………………………………………….......................................................9
　　 7.1.3对流传热系数K…………………………………………..............................................................9
　　 7.1.4传热面积…………………………………………………................................................................9
　　7.2 核算压强降……………………………………….................................................................................10
　　 7.2.1管程压强降………………………………………………...............................................................10
　　 7.2.2壳程压强降…………………………………………………….........................................................10
8 换热器主要结构尺寸和计算结果……………………………………………………........................................11
9 设计评述及附图………………………………………………….......................................................................12
10 主要符号说明…………………………………………………………................................................................13
11 参考资料……………………………………………………..............................................................................14

I

1 列管式换热器设计任务书
1.1 设计任务和设计条件
某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为12000 kg/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29℃，出口温度为39℃，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。

物性特征：
混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度 ρ1 = 90 kg/m3
定压比热容 cp1 = 3.297 /(kg•℃)
热导率 λ1 = 0.0279 W/(m•℃)
粘度 μ1 = 1.5×10-5 Pa•s
循环冷却水在34℃ 下的物性数据：
密度 ρ2 = 994.3 kg/m3
定压比热容 cp2 = 4.174 kJ/(kg•℃)
热导率 λ2 = 0.624 W/(m•℃)
粘度 μ2 = 0.742×10-3 Pa•s

1.2 设计内容
说明书要求
1、概述
2、设计方案的选择
3、确定物理性质数据
4、设计计算
（1）计算总传热系数
（2）计算传热面积
5、换热器结构尺寸设计
（1）管子的直径、长度、根数等管子尺寸
（2）壳体直径、折流板长度和数目
   （3）隔板和接管尺寸
6、设计结果汇总
7、列管式换热器装配图
8、设计评述
9、符号说明
10、参考文献
图纸要求
列管式换热器装配图

2 概述
在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它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、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。
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，不用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。
完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。
（1）合理地实现所规定的工艺条件
传热量、流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，再单位时间内传递尽可能多的热量。
（2）安全可靠
换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要作用。
（3）有利于安装、操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。
（4）经济合理
评价换热器的最终指标是：在一定的时间内，固定费用与操作费的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。

2

3 确定设计方案
3.1 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃。冷流体（循环水）进口温度29℃，出口温度39℃。该换热器冷却热的混合气体，传热量较大，可预计排管较多，因此初步确定选用固定管板式换热器。因气体操作压力为6.9MPa，属于较高压操作，因此不选用膨胀节。
3.2流动空间及流速的确定
单从两物流的操作压力看，混合气体操作压力高达6.9MPa，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；且两流体温度相差较大，应使α较大的循环水（一般气体α<液体）走管内。所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。选用Φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内循环水流速取1m/s。
4 确定物性数据
定性温度：可取流体进出口温度的平均值。
壳程混合气体的定性温度t==85（℃）
管程循环冷却水的定性温度为t==34（℃）
根据定性温度，分别确定壳程和管程流体的有关物性数据。
混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度 = 90 kg/m3
定压比热容 = 3.297 KJ/(kg•℃)
热导率 = 0.0279 W/(m•℃)
粘度 = 1.5×10-5 Pa•s
循环冷却水在34℃ 下的物性数据：
密度 = 994.3 kg/m3
定压比热容 = 4.174 KJ/(kg•℃)
热导率 = 0.624 W/(m•℃)
粘度 = 0.742×10-3 Pa•s

5 计算总传热系数
5.1 计算热流量
Q = ΔT =12000×3.297×(110-60) = 1.98×106KJ/h = 550(kW)
5.2计算平均传热温差(采用逆流)
热流体110℃ → 60℃
冷流体39℃ ← 29℃
Δt 71℃ 31℃
== ℃
平均传热温差校正系数

按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表，可得

平均传热温差
℃
5.3 确定总传热系数K
根据两流体的情况，假设K = 450 W/℃
5.4 计算传热面积

考虑15％的面积裕度，
6 换热器结构尺寸设计
6.1 管径和管内流速
选用Φ25mm×2.5mm传热管（碳钢管），可设管内冷却水流速=1m/s。

6.2管程数和传热管数
冷却水用量
依据传热管内径和流速确定单程传热管数。
ns = (根)计算，所需的传热管长度为m
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 a= 6.0(m)，则该换热器管程数为NP =(管程)
传热管总根数N =43×2 = 86(根)

6.3 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形排列，隔板两侧采用正方形排列。
因为壳程流体压力较大，故采用焊接法连接管子与管板。取管心距t = 1.25do，则
t= 1.25×25≈32(mm)
隔板中心到离其最近一排管中心距离=t/2+6=32/2+6=22mm
则分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn = 44mm。

横过管束中心线的管数 = 1.19 = 11根)

6.4 壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η= 0.7，则壳体内径为：
D = 1.05a = 1.05×32 = 372(mm) 圆整可取D = 400mm

6.5 折流板
采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为
h = 0.25D = 0.25×400 = 100(mm)
取折流板间距B = 0.3D = 0.3×400 = 120(mm)
为了便于制造和维修，减小阻力，取B为100mm。
折流板数NB = 传热管长/折流板间距-1 =-1 = 59(块)
折流板圆缺面水平装配。

6.6 接管
管程流体进、出口接管：取接管内循环水流速为u=1.5m/s，则接管内径为：
d = = 0.106(m)
圆整取109mm。
壳程流体进、出口接管：取接管内混合气体流速为u=20m/s，则接管内径为：
d = (m)
圆整取59mm。

7 换热器核算
7.1 热量核算
7.1.1 壳程对流传热系数。
对圆缺形折流板，可采用凯恩公式：
αo = 0.36Reo0.55Pr1/3
当量直径，由正三角形排列得：
de = 0.020(m)
流体通过管间最大截面积为：
S = BD(1－ ) = 0.1×0.4×(1－ ) = 8.75×10-3m2)
壳程流体流速及其雷诺数

普兰特准数：
Pr = =1.77

黏度校正
αo = 0.36××5076000.551/3 = 835

7.1.2 管程对流传热系数
αi = 0.023Rei0.8Pr0.4
管程流通截面积：
Si = (m2)
管程流体流速及其雷诺数分别为：
(m/s)
Rei =
普兰特准数：
Pr =
αi = 0.023××263180.8×4.960.4= 4680

7.1.3 对流传热系数K
查表得，污垢热阻 = 0.000344 m2•℃/W， = 0.000172 m2•℃/W
在该条件下管壁（碳钢）导热系数λ= 45W/(m•℃)
K =
=
=469.8W/(m2•℃)

7.1.4 传热面积S
S = (m2)
该换热器的实际传热面积Sp = π = 3.14×0.02×(6.0-0.06)×(86-11) =27.98(m2)
该换热器的面积裕度为：H = ×100% =×100% =25%
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

7.2 核算压强降
7.2.1 管程压强降ΣΔpi = (Δp1 +Δp2)
其中Ft = 1.4，Np = 2，Ns = 1

直管部分的压降

设管壁粗糙度ε= 0.1m，传热相对粗糙度0.005，Rei =26318，查图得λ= 0.033
所以Δ= (Pa)

ΣΔpi = Pa < 0.035M Pa
管程压降再允许范围之内。

7.2.2 壳程压强降ΣΔpo = (Δp’1 +Δp’2)，其中Fs = 1.15，Ns = 1
壳程流通截面积：So =)
= = 4.23(m/s)
流体流经管束的阻力
Δp’1 = = 0.5×5.0×507600-0.228×11×(59+1)×（90×4.232）/2 = 41400(Pa)
流体流过折流板缺口的阻力：

ΣΔpo = (41400+46400)×1×1 = 87810Pa
壳程压降也在范围之内。

8 换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器形式
固定板管式
换热面积/m2
27.98
工艺参数
名称
物料名称
操作压力/操作温度/℃
流量/(kg/h)
管程
循环水
0.4
29/39
47448
壳程
混合气体
6.9
110/60
12000
流体密度/(kg/m3)
994.3
90.0
流速/(m/s)
0.982
4.23
传热量/kW
550
总传热系数/ (W/m2•℃)
469.8
传热系数/ (W/m2•℃)
4680
835
污垢系数/ (m2•℃/W)
0.000344
0.000172
压力降/kPa
16.59
87.8
程数
2
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Φ25×2.5
管数
86
管间距/mm
32
管长/mm
6000
壳体内径/mm
400
排列方式
正三角形
折流板形式
上下
间距/mm
120
切高/mm
100

9 设计评述
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，本设计由于换热任务较大，故管数较多。由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程走不易结垢的混合气体。
在设计过程中应尽量做到：
1、增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的情况下，尽量选择较高的流速。
2、提高平均温差。对于无相变的流体，采用逆流的传热方式，不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。
3、妥善布置传热面。本设计采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。并且错列管束的传热方式比并列的好。

列管式换热器装配图(见打印稿)

10 符号说明

13

B——折流板间距，m；
C——系数，无量纲；
d——管径，m；
D——换热器外壳内径，m；
f——摩擦系数；
F——系数；
h——圆缺高度，m；
K——总传热系数， W/(m2•℃)；
L——管长，m；
m——程数；
n——指数、管数、程数；
N——管数、程数；
NB——折流板数；
Nu——努塞尔特准数；
P——压力，Pa；
因数；
Pr——普兰特准数；
q——热通量，W/m2；
Q——传热速率，W；
r——半径，m；
汽化潜热，kJ/kg；
R——热阻，m2•℃/W；
因数；
Re——雷诺准数；
S（或A）——传热面积，m2；
t——冷流体温度，℃；
a(或t)——管心距，m；
T——热流体温度，℃；
u——流速，m/s；
W——质量流量，kg/s；
V——体积流量，m3/s。
希腊字母：
α——对流传热系数，W/(m2•℃)；
Δ——有限差值；
λ——导热系数，W/(m2•℃)；
μ——黏度，Pa•s；
ρ——密度，kg/m3；
ψ——校正系数。
下标：
c——冷流体；
h——热流体；
i——管内；
m——平均；
o——管外；
s——污垢。

11 参考资料
[1] 上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，1986
[2] 尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，1981
[3] 时钧，汪家鼎等.化学工程手册，北京：化学工业出版社，1996
[4] 卢焕章等.石油化工基础数据手册，北京：化学工业出版社，1982
[5] 陈敏恒，丛德兹等.化工原理(上、下册)(第二版).北京：化学工业出版社，2000
[6] 大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社，1994
[7] 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，1995
[8] 马江权，冷一欣.化工原理课程设计，北京：中国石化出版社，2009
[9] 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，1995
[10] 姚玉英等.化工原理(上、下册).天津：天津科学技术出版社，2001