换热器设计1.doc

换热器设计
一、设计的目的和要求
n 意义:化工原理课程设计是一个具有总结性的实践教学环节。是综合应用本课程和相关课程知识，完成以某单元操作为主的一次设计实践。为毕业设计和今后从事技术工作打下一定的基础。
n 1.巩固和掌握本课程的主要知识；
n 2.培养综合运用所学知识去解决生产实际问题的能力；
n 3.掌握化工设备的工艺设计程序、方法和有关的设计原则。包括查阅技术资料、正确选择工艺参数、搜集有关公式和使用图表手册的能力，以及正确进行工程计算的能力；
n 4.树立正确的设计思想，用工程观念来考虑设计内容。使理论正确、技术可行、操作安全、经济合理。
n 5.熟悉有关的国家标准和部颁标准及技术规范。
n 6.具有用简洁的文字和正确的图表来表达自己设计思想与设计成果的能力。
二． 设计说明书
三． 概述与设计方案简介
换热器的类型
列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。
列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的各种影响。
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。
按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。
间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。
直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。
蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。
工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。
紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。
管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。
使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。
换热器分为3种，分别是板式换热器、暖气片式换热器和钎焊板式换热器。换热器是有体积的，内部可以储存一定量的水。片数越多体积越大的，其内部储存的水自然也就更多，如果片数达到了100片，就可以储存四分之一桶水。这些储存的水在内部和暖气水长时间换热，温度会非常接近暖气水温。
三、课程设计任务
（一）设计一台浮头式换热器
1、生产能力16000kg/h
2、由110℃冷却到60℃
3、冷却水进口温度29℃
4、冷却水出口温度39℃
某生产过程中，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。已知混合气体的流量为1.6×104kg/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。
（二）设计项目
1、确定冷却器的类型、结构、型式；
根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，有几种常见的列管式换热器。
1． 固定管板式换热器
这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

2.U型管换热器
U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

3. 浮头式换热器
浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

4.填料函式换热器
填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

安装方式的选择
n 安装方式有立式、卧式两种。
n 安置方式应根据厂房条件、工艺要求、传热效果、检修清洗方便等多方面考虑确定。

★立式安装特点：占地面积小，不用支承板，结构简单，清洗方便。但用于冷凝时传热效果较差。

★卧式安装特点：重心稳，维修方便，用于冷凝时传热效果较好。但占地面积大，换热器内须装支承板。
四、确定设计方案
1.选择换热器的类型
两流体温的变化情况：热流体进口温度110℃ 出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。
2.管程安排
从两物流的操作压力看，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，应使循环水走管程，混和气体走壳程。
五、计算定性温度，确定流体特性
定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为
T= =85℃
管程流体的定性温度为
t=℃
经查得混合气体在85℃下有关物性数据：
密度ρ1=90kg/m3,
定压比热容Cp1=3.297kJ/(kg*℃)；
热导率λ1=0.0279W/(m*℃)；
粘度ц1=1.5×10-5pa*s。
循环水在34℃ 下的物性数据：
密度 =994.3㎏/m3
定压比热容 =4.174kJ/（kg*K）
热导率 =0.624w/（m*K）
粘度 =0.742×10-3Pa*s

六、估算传热面积
1、确定冷却水的用量
由热量衡算：=+
式中=（3～5%）
=()
=
冷却水的用量：
=(-)/[()]
=[16000×3.297×（110-60）×（1-0.04）]/[4.174×(39-29)]
=60663.5kg/h
2、计算热负荷Q’
n 由于热流体走壳程，热损失不经过传热面积，所以
n Q’=
n 因为冷流体在换热过程中无相变化，则热负荷
Q’==()=703.36kw
3.计算流体平均温度差Δtm
本设计两流体采用折流（多管程）
热流体 T T1℃ → T2℃
冷流体 t t1℃ ← t2℃

=[(110-39)-(60-29)]/ =48.3℃
平均温差校正系数：
R=（110-60）/(39-29)=5
P=(39-29)/(110-29)=0.124
按单壳程，双管程结构
=0.96×48.3=46.4K
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。

4.假定一个传热系数K′ (参化原)
n 换热器传热系数K值的大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件和所用换热器的类型等，现操作条件（d，L，u 等)尚未确定,无法计算,可根据经验值初选。
n 根据经验选取,K’=290 w/(
初估需要的传热面积
A’=Q’/(K’X )=703.36×10/290×46.4=52.27
n 考虑（15%～25%）安全系数，则设计初估实际
需要的面积:=(1.15～1.25)A’
=1.2 ×52.27=62.73
七、工艺结构尺寸
1.选择管径、管长,确定换热管数目
n 我国列管式换热器标准中常用的钢管规格（外壁×壁厚）有：φ19×2；φ25×2.5；φ38×2.5等。
n 常用管长有：1.5；2；3； (4) ；6m。
考虑到折流挡板数目不宜太多及换热器体积大小适中，取单根管长l=3 m
2．管径和管内流速选用Φ25×2.5 传热管（碳钢），取管内流速
=1.2m/s。
3．管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数
n=
=4×60663.5/(3600×994.3)/(3.14×0.02×1.2)=45根
按单程管计算，所需的传热管长度为
L=/(3.14d×n)
=62.73/(3.14×0.025×45)=17.76 m
按单程管设计，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，现取传热管长l=3m，则该换热器的管程数为
=L/l =17.76/3=6
传热管总根数 N=45×6=270根
n 对于管式换热器，其传热面积可由管子的直径、长度和管数的多少而定。即

=3.14×45×0.025×17.76=62.73
式中：---以管的外表面积计算的传热面积，m2；
---管子的外径，m；
L---管子的长度，m；
n---管子的根数，对于套管式换热器而言,n=1。

4.选择管径、管长,初定换热管数
n 管子的选取，一般应保证有较大的流速,同时考虑流体的粘度或加热程度，清洗，安装和加工的难易程度等。
n 初定换热管总数

=62.73/(3.14×0.025×3)=267（圆整）
验算单管程时水的流速

=4×60663.5/3600×994.3/(270×3.14×0.02)=0.199m/s
n 若流速太小（不在常用流速范围），为了提高管程流速，从而提高管程对流传热系数，应考虑采用多管程结构。
n 且为了制造和操作的方便，一般程数以偶数为宜。

确定管程数和实际管数
管城数：m=u/
=1.2/0.199=6(取偶数）
式中u为合理流速，m/s
每程管数：
=267/6=45(圆整)
实际总管数：
=6X45=270(根）
管程实际流速：）
=4×60663.5/(3600×994.3)/(3.14×45×0.02)=1.199 m/s
5.选定管子排列方法、管中心距、初定壳体内径

5.1选定管子排列方法
n 管子的排列方法:常用有正三角形法、正方形法、同心圆法。
n 等边三角形排列法在一定的管板面积上可以配置较多的管子数，且由于管子间的距离都相等，在管板加工时便于划线与钻孔。应用最多.

5.2管中心距t
n 管心距t过大，则管束多时，不紧凑，所需壳径大，过小会造成制造及清洗困难。
n 管心距随管子与管板的连接方法不同而异。
n 通常胀接法：t=(1.3～1.5)，且相连两管外壁间距不应小于6mm，即t≥d0＋6 。
t=1.4 ×25=35 mm
t≥25+6=31 mm

根据所选的管径和上表，选择 t= 32 mm
5.3初步确定壳体的内径
壳体内径

=1.25 × 32×
=658 mm 圆整到 800 mm
换热器的长度与壳径之比 l/D =3000/658=4.6合格
（一般卧式为4～10）
6． 折流挡板
采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为
h=0.25×800=200m，故可取h=200mm
取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×800=240mm，可取B为240mm。
折流板数目
管子在管板上的固定方法有胀接法、焊接法、先胀后焊法。当操作压力不大时，常用胀接法。
八、换热器核算
1.热流量核算

1.1壳程表面传热系数 用克恩法计算

当量直径 =
壳程流通截面积：

=0.2×0.8×（1- 25/32）=0.035
壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特数

粘度校正

式中 液体被加热时取1.05，被冷却时取0.95

1.2管内表面传热系数：

管程流体流通截面积：
=3.14×0.02×270/6=0.01413
管程流体流速：

雷诺数：

普朗特数：

1.3 污垢热阻取
管内侧污垢热阻
管外侧污垢热阻
管壁热阻碳钢在该条件下的热导率为45w/(m·K)。
R==0.000056m.k/w

=1/[25/(5485.1×25)+0.0006×25/20+0.000056×25/22.5+0.0004+1/433.6]=283
1.4传热面积裕度：
计算传热面积
= 703360/278/46.4=54.5
换热器实际传热面积

安全系数
合格
安全系数在（15～25）% 合格

换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器型式
浮头式换热器
参数
管程
壳程
工作介质
循环冷却水
混合气体
流量/(kg/h)
60663.5
16000
温度（进/出）/℃
29/39
110/60
压力/MPa
0.4
6.9
物性参数
定性温度/℃
34
85
密度/(㎏/m)
994.3
90
比热容/[kJ/(kg·℃)
4.174
3.297
黏度/mPa·s
0.742
0.015
热导率/[W/(m·℃)]
0.624
0.0279
普朗特数
4.96
1.773
设备结构参数
型式
浮头式
台数
1
壳体内径/mm
800
壳程数
1
管子规格
φ25mm×2.5mm
管心距/mm
32
管长/mm
3000
管子排列
正三角形
管子数目/根
270
折流板数/块
12
传热面积/㎡
72.06
折流板距/mm
240
管程数
6
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/(m/s)
1.199
1.41
传热膜系数[W/(㎡·℃)]
5485.1
433.6
污垢热阻/(㎡·℃/W)
0.0006
0.0004
传热系数/[w/m.℃]
290
安全系数%
16.7
九、参考资料
1、列管式换热器
2、容器零部件标准
3、课本及其它版本的化工原理教材
4、化工原理课程设计
5、化工基础过程及设备
6、制图课本（化工制图补充教材）
7、换热器设计
8、化工容器及设备
9、换热器原理及计算
10、换热器及其计算基础知识
11、钱颂文主编，《换热器设计手册》，化学工业出版社，2002。

12、贾绍义，柴诚敬等，《化工原理课程设计》,天津大学出版社,1994.

13、匡国拄，史启才等，《化工单元过程及设备课程设计》,化学工业出版社,2002.

14、王志魁主编，《化工原理》，化学工业出版社，2004.

15、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.

16、何潮洪等编，《化工原理》，科学出版社，2001年.

十：心得体会
为期两个星期的课程设计就要结束，这次设计的是列管式换热器。虽然为期不长，但收获颇多。

首先，这次课程设计是我们接触的第一个专业课程设计，所要用到的知识很多，包括机械设计基础、机械制图、工程热力学、传热学、流体力学、制冷原理和换热器原理与设计等方面的知识。这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过；有时会不耐烦，可想想不耐烦对我没有任何益处，便及时的调整过来。这次设计巩固我以前所学习的知识，让我专业知识有了更深的认识和理解。

其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而确我们又是第一次设计，所以单独靠自己是不法完满的完成本次课程设计，我们经常要进行讨论，甚至争论，现在还依然记得大家争着面红耳赤的场面，这没有什么关系，因为问题就是这样发现，比较合理的结果和方法就是这样产生的，大家都明白了，那其他都不是问题。同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。

酸甜苦辣，基本上每一天的工作时间上都都在13到16小时，连续两个星期是一件挺辛苦的事。有时为了一个数据查找了好几本书，还是找不到结果的时候，是挺纳闷的，很容易让人想放弃。但有目标在，或继续请教其他同学，或继续寻找；努力终会结果，这结果就是对努力的奖励。特别是在其他同学都还没找到而你找到，拿来跟其他同学共享，那更是一件乐事。在辛苦的同时，享受着辛苦带来收获的喜悦。

在此，感谢学院给我们提供了这么一个学习的机会，让我们把所学的知识得以运用，感谢王淑杰老师给我们的耐心指导，让我们的设计得以顺利完成，让我明白什么是严谨的科学态度。