冷却器的设计.doc

兰州交通大学课程设计（论文 ）
目录
1、文献综述 …………………………………………………………………3
1.1换热器简介 ……………………………………………………………3
1.2换热器的发展前景…………………………………………………………3
1.3 换热器的种类 ……………………………………………………………4
1.4列式换热器设计一般要求 ………………………………………………6
1.5管壳式换热器设计时应考虑的问题 ………………………………6
1.6其他主要附件 …………………………………………………………8
2、任务书 …………………………………………………………………9
2.1设计题目 …………………………………………………………………9
2.2设计条件 …………………………………………………………………9
2.3设计要求 …………………………………………………………………9
2.4设计成果 …………………………………………………………………9
2.5时间安排 …………………………………………………………………10
3.计算与核算 ……………………………………………………………………10
3.1确定设计方案 …………………………………………………………10
3.1.1选择换热器的类型 ………………………………………………………10
3.1.2流动空间及流速的确定 …………………………………………………10
3.2确定物性数据 ………………………………………………………………10
3.3试算和初选换热器的规格 …………………………………………………11
3.3.1计算热负荷和冷却水流量 …………………………………………11
3.3.2计算两流体的平均温度差 …………………………………………11
3.3.3初选换热器规格 ……………………………………………………12
3.4核算总传热系数 ……………………………………………………………12
3.4.1管程对流传热系数 …………………………………………………12
3.4.2壳程对流传热系数 …………………………………………………12
3.4.3污垢热阻 ……………………………………………………………13
3.4.4总传热系数 …………………………………………………………13
3.5核算传热面积……………………………………………………………13
3.5.1 计算传热面积……………………………………………………13
3.5.2 核算传热裕度…………………………………………………14
3.6核算压强降 ………………………………………………………………14
3.6.1管程压强降 ………………………………………………………14
3.6.2壳程压强降 ………………………………………………………14
4.设计成果一览表……………………………………………………………16
5.符号说明………………………………………………………………………17
6.心得体会 ……………………………………………………………………18
7.参考文献 ……………………………………………………………………18

1 、文件综述
1.1换热器简介
换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备;板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。
1.2换热器的发展前景：
近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。
　　 根据海关的统计，2001～2005年，我国平均每年从国外进口换热器22.49万台，总金额达到14.02亿美元。其中，仅2004年一年就进口了34.11万台，共计4.9亿美元。
　　 虽然，我国的换热器出口数量也不少，但其规模远远小于进口规模(见图1)。2001年，我国换热器的进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多44640台、8021.6万美元、245.72美元/台；但到了2005年，进出口间的差距已扩大到75667台、34517万美元和1347.57美元/台。这说明，我国换热器市场增长的速度远远超过了供给增长的速度。
　　 同时，我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半，2005年更是降到了25%以下。可以想见，我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品，而进口的产品多是附加值高的高端产品。这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状。预计“十一五”期间，我国的换热器进口规模还将维持在一个相对较高的水平(约200～300万台之间)，且更加向高端产品集中。
　　未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。
1.3换热器的种类
换热器种类很多,但根据冷,热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类,即间壁式,混合式和蓄热式.在三类换热器中,间壁式换热器应用最多,：
1 .间壁式换热器的类型
（1）夹套式换热器 这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却.
  （2） 沉浸式蛇管换热器 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状,并沉浸在容器内的液体中.蛇管换热器的优点是结构简单,能承受高压,可用耐腐蚀材料制造;其缺点是容器内液体湍动程度低,管外给热系数小.为提高传热系数,容器内可安装搅拌器.
  （3） 喷淋式换热器 这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善.
    （4）套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大. 套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目). 特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式.
    （5）管壳式换热器 管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器. 管壳式换热器主要有壳体,管束,管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上.在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程;一种在管外流动,其行程称为壳程.管束的壁面即为传热面. 为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板.折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加.常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛. 流体在管内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.为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组.这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程.同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程.在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同.如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱.因此,当管束和壳体温度差超过50℃时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力.
 2.混合式换热器
混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。
按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：
(1)冷却塔(或称冷水塔)
在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。
(2)气体洗涤塔(或称洗涤塔)
在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用!
(3)喷射式热交换器
在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并—同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。
(4)混合式冷凝器
这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝
 3.蓄热式换热器
蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。
蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。
1.4列管式换热器设计一般要求
列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：
（1）根据换热任务和有关要求确定设计方案；
（2）初步确定换热器的结构和尺寸；
（3）核算换热器的传热面积和流动阻力；
（4）确定换热器的工艺结构。
1.5管壳式换热器设计时应考虑的问题
1.5.1 流体通道的选择原则
1． 不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；
2． 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；
3． 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；
4． 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；
5． 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；
6． 有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；
7． 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。
1.5.2 流体两端温度的选择
若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，则不存在确定流体两端温度的问题。若其中一流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却一热流体，冷水的进口温度可根据当地的气温条件作出估计，而其出口温度则可根据经济核算来确定：为了节省冷水量，可使出口温度提高一些，但是传热面积就需要增加；为了减小传热面积，则需要增加冷水量。两者是相互矛盾的。一般来说，水源丰富的地区选用较小的温差，缺水地区选用较大的温差。不过，工业冷却用水的出口温度一般不宜高于45℃，因为工业用水中所含的部分盐类（如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4等）的溶解度随温度升高而减小，如出口温度过高，盐类析出，将形成传热性能很差的污垢，而使传热过程恶化。如果是用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。
1.5.3 管子的规格和排列方法
小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的传热面。或者说，当传热面积一定时，采用小管径可使管子长度缩短，增强传热，易于清洗。但是减小管径将使流动阻力增加，容易积垢。对于不清洁、易结垢或粘度较大的流体，宜采用较大的管径。因此，管径的选择要视所用材料和操作条件而定，总的趋向是采用小直径管子。管长的选择是以合理使用管材和清洗方便为原则。国产管材的长度一般为6m，因此管壳式换热器系列标准中换热管的长度分为1.5、2、3或6m几种，常用3m或6m的规格。长管不易清洗，且易弯曲。此外，管长L与壳体D的比例应适当，一般L/D=4～6。管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种。等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大；正方形直列比较松散，对流传热系数较三角形排列时低，但管外壁清洗方便，适用于壳程流体易结垢的场合；正方形错列则介于上述两者之间，对流传热系数较直列高。管子在管板上的间距t跟管子与管板的连接方式有关：胀管法一般取t=（1.3～1.5）do，且相邻两管外壁的间距不小于6mm；焊接法取t=1.25do。换热器壳体内径应等于或稍大于管板的直径。通常是根据管径、管数、管间距及管子的排列方式用作图法确定。
1.5.4管程和壳程数的确定
管程数N按下式计算：
N=u/v
式中 u——管程内流体的适宜流速；
V——管程内流体的实际流速。
1.6主要附件
封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体，圆形用于大直径的壳体。
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。
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。
放气孔、牌液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。
拉杆和定距管：为了使折流板能够牢靠的保持在一定的位置上，通常采用拉杆和定距管
接管 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算

式中 —流体的体积流量,
u —流体在接管中的流速，m/s
流速的经验值对液体可取为：u =1.5~2 m/s。

2、设计任务书
2.1设计题目：粗苯冷却器的设计
2.2设计条件
（1） 生产能力：15万吨每年粗苯
（2） 设备型式：列管换热器
（3） 操作压力：常压
（4） 粗苯进出口温度：进口80℃，出口35℃
（5） 换热器热损失为冷流体热负荷的3.5％
（6） 每年按300天计，每天24小时连续生产
（7） 建厂地址：兰州地区
2.3设计要求
（1） 选择冷却剂的类型和进出口温度并查阅定性温度下的物理性质
（2） 选择列管换热器的类型
（3） 选择冷热流体的流动空间及流速
（4） 选择列管换热器列管的规格
（5） 选择列管换热器折流板的形式
（6） 选择缓冲板、拉杆和定距管
（7） 估算传热面积
（8） 确定管程数和换热管根数
（9） 确定壳程数和换热管的排列方式
（10） 确定壳程和各管口的内径并圆整
（11） 核算壳体的管长L和直径D的比为6—10
（12） 核算换热器的传热面积，要求裕度不大于25％
（13） 核算管程和壳程的流体的阻力损失，要求管程和壳程的阻力都不小于Pa
（14） 将计算结果列表
2.4、设计成果
（1）设计说明书（A4纸）
（2）换热器工艺条件图（2号图纸）
2.5、时间安排
（1）6月28日到6月29日查阅有关设计资料并写出文献综述部分
（2）6月30到7月5日设计计算
（3）7月6日到7日绘制图纸，整理打印设计说明书
（4）7月9日5:00之前交设计成果
3.1确定设计方案
3.1.1选择换热器的类型
兰州地区虽然临近黄河，水资源丰富，但是黄河污染较为严重，而且泥沙含量大容易结垢，所以宜采用自来水。兰州年平均最高温度在24左右，设冷却水进口温度15，冷却水两端温度差取10.出口温度为25。热流体进口温度80,出口温度35。冬季操作时进口温度会降低，该换热器的管壁温和壳体壁温之差较小。T-t={(80+35)/2}-{（15+25)/2}=37.5＜50。不需要考虑热补偿，因此初步确定选用列管式换热器。
3.1.2 流动空间及流速的选择
由于苯是有毒物质宜走管程，自来水水走壳程。由于管径的大小影响管内流速的的大小和管内的压强降，若选用φ19×2mm 的管子会导致管内的流速和压强降过大，使得管子的材料要强高，成本增加，因此选用φ25×2.5mm的碳钢管。
3.2确定物性数据
定性温度：取流体进出口温度的平均值
管程流体的定性温度
T=
壳程流体的定性温度
t=
定性温度下的物性如下表：

名称
密度
定压比热容
黏度
导热系数
壳程

υ=100.5×10Pa.s

管程
=839.5 kg/

=1.80kJ/(kg.℃)

=0.00041P.s

=0.137w/(m.℃)

3.3试算和初选换热器的规格
3.3.1计算热负荷
苯的质量流量：
Ws=㎏/s
热负荷：
5.791.8×10×45＝468990J
3.3.2计算两流体的平均温度差，（先按单壳程，多管程，逆流计算：）
对数平均温度：

温度校正系数：

平均传热温差：

3.3.3初选换热器的规格：
由于℃<50 ℃ ,因此不需要考虑热补偿。据此，由换热器系列标准中选定固定管板式换热器。初选换热器的有关参数如下：
壳径：500mm 管程数：2
公称压力：2.5Kpa 公称面积：56.6
管径： 管长：4.5m
总管数：164 管子排列方法：正三角形排列
管程流通面积：0.0257
选圆缺型，切去的弓形高度为外壳内径D的25%挡板为所选换热器的折流挡板，间距(h)按系列标准取h=300mm.
3.4核算总的传热系数
3.4.1管程对流传热系数

Rei= (湍流)

3.4.2 壳程对流传热系数
取换热器的列管中心管距t=32mm，则最大流通面积

㎏／s
m/s
当量直径，由正三角形排列得

(湍流)
普朗特准数

3.4.3 污垢热阻
查得：苯R=1.7197
自来水R=1.7197
3.4.4 总传热系数
由经验可得

3.5 核算传热面积
3.5.1 计算传热面积

3.5.2 核算传热面积的裕度
裕度=％=18.4％＜25％
计算表明该换热器能够满足传热的裕度要求
3.6 核算压力降
3.6.1 管程压力降
由式4-121可知

其中：—分别为直管弯道中因摩擦阻力引起的压强降
— 结垢校正因数，对于的换热管
— 壳程数，此处为1
— 管程数，此处为2
Re=11057 Pr=5.4
相对粗糙度为：。查得：。
即
由经验公式得：

3.6.2壳程压强降

式中 —分别为流体横过管束的压强降和通过折柳挡板缺口的压强降
—壳程压强降的结垢后校正因数，此处取为1.15

式中 F—管子排列方式对压强降的校正因数， 由于此处为正三角形排列，所以取0.5
—壳程流体的摩擦系数，时
—折流挡板数
—折流挡板间距，按浮头时换热器系列标准，此处取150mm
—按壳程流通截面积计算的流速
—横过管束中心线的管数 此处 (n为总管数) 即 （根）
（块）
壳程流通截面积
m/s
(湍流)

所以
计算表明管程和壳程压强降都能满足生产要求

4设计成果一览表

换热器的形式 固定管板式
管口表
换热面积 56.6
符号
尺寸
用途
连接方式
工艺参数
a
200
冷却水出口
法兰平面
名称
管程
壳程
b
200
苯的入口
法兰凹面
物料名称
河水
苯
c
20
放气口
法兰凹面
操作压力MPa
0.05
0.05
d
70
苯出口
法兰凸面
操作温度
20
57.5
e
20
排净口
法兰凸面
流量kg/h
5.79
10.83
f
200
冷却水入口
法兰平面
流体密度
839.5
998.2
附简图

流速
0.27
0.32
传热量 468990
总传热系数 319
对流传热系数
531
2540
污垢系数
1.7197
1.7197
流动阻力
1066.8
2531
程数
2
1
材质
碳钢
碳钢
管的规格
规格
管数 164
管长 4.5m
管间距
32mm
排列方式
等边三角形
折流版型式
圆缺形
间距
32mm
切口高度300mm
壳体内径
500mm
保温层的厚度
10

5.符号说明

18

英文字母
Q——热量 KW
——平均传热温差
——质量流量
V——体积流量
——定压比热容
T——热流体温度
t——冷流体温度
S ——传热面积
Q——传热速率 W
——估计传热面积
——实际传热面积 ——换热器传热总管数
——温度校正系数
——结构校正系数
——壳程压强降的结垢校正系数
F——管子排列方法对压强降的校正数
——串联的壳程数
——管程数
——单程传热管数
d——管径 m
——体积流量 u——流速 ——壳程流体的摩擦系数
F——校正系数
B——挡板间距 m
——挡板数目
——粗糙度
h——折流板圆缺高度 m
K——总传热系数
L——单程长度 m l—— 换热器管长 m P——压强 Pa
——当量长度 m
——密度
——系数
——热流体
——冷流体
——管内
——管外
s——污垢
t——传热温度差
D——换热器内径 mm
Re——雷诺准数
Pr——普朗特准数
P R——因数
——污垢热阻
希腊字母
——对流传热系数
——导热系数
——粘度

6.心得体会
本次课程设计是理论联系实际的桥梁，是我们学习化工设计基础的初步尝试。通过课程设计，使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成了指定的化工设计任务，从而得到了化工程序设计的初步训练。通过课程设计，使我们更加深刻的了解了工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养了我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。
此外，通过本次课程设计，提高了我们以下方面的能力
1 熟悉查阅文献资料，搜索有关数据。正确选用公式。当缺乏必要数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场实际查定。
2 在兼顾技术上先进性，可行性，经济上合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过得程正常，安全运行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。
3 准确而迅速地进行过程计算用主要设备的工艺设计计算。
4 用精炼的语言，简洁的文字，清晰的图表来表达自己的设计思想的计算结果。
此次设计按以上步骤进行，通过核算已经符合要求。由于本人水平有限，难免有遗漏谬误之处，恳切希望张老师指出，以便订正。
7、参考文献
1． 柴诚敬，张国亮等．化工流体流动与传热．北京：化学工业出版社，2000
2． 余国琮等．化工容器及设备．北京：化学工业出版社，1980
3． 中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布,1989
4． 匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2002
5． 化工设备设计全书编委会．热换器设计．上海：上海科学技术出版社，1988
6． 徐中全译，尾花英郎著．热交换器设计手册．北京：石油工业出版社，1982
7． 潘继红等．管壳式换热器的分析与计算．北京：科学出版社，1996
8． 朱聘冠．换热器原理及计算．北京：清华大学出版社，1987