列管式换热器的设计.doc

江西科技师范学院药学院
课程设计说明书

专 业： 制药工程
班 级： 09级（2）班
姓 名： 徐俞红
学 号； 20093236
指导教师： 郭玉萍

设计时间：2011年9月1日——9月14日
要 求 与 说 明

一、学生采用本报告完成课程设计总结。
二、要求文字用钢笔或圆珠笔填写，工整、清晰。所附设备安装图用铅笔或计算机绘图画出。
三、本报告填写完成后，交指导老师批阅，并由学院统一存档。

目录
一、 设计任务书…………………………………………………4
二、 设计方案简介………………………………………………5
三、 工艺计算及主要设备计算……………………………7
（一）传热面积估算………………………………………………7
1.热流量 ………………………………………………………………7
2.平均传热温差 ………………………………………………………7
3.传热面积……………………………………………………………7
4.冷却水的流量 ………………………………………………………7
（二）工艺结构尺寸…………………………………………7
1．管径和管内流速……………………………………………………7
2.传热管排列和分程方法……………………………………………8
3.壳体内径……………………………………………………………8.
4.折流板………………………………………………………………8
5．其他附件……………………………………………………………8
6．接管…………………………………………………………………9
（三）换热器核算……………………………………………………9
1.热流量核算…………………………………………………………9
2.壁温计算……………………………………………………………12
3.换热器内流体的流动阻力…………………………………………12
四、设计结果汇总………………………………………………14
五、参考资料………………………………………………………16
六、后记……………………………………………………………16
七、设计说明书评定……………………………………………18
八、答辩过程评定………………………………………………18

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一、 设计任务书

设计题目：列管式换热器的设计
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120℃进一步冷却至70℃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227301㎏·h-1，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30℃，出口温度为40℃，要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
已知该混和气体在80～100℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度
定压比热容 =3.297 kJ/(kg·℃)
热导率 W/(m·℃)
粘度

生产过程流程图
二、 设计方案简介
1.选择换热器的类型【1】
根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下三种。以下根据本次的设计要求，介绍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。固定管板式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。

固定板式：
优点：结构简单，造价低廉；
缺点：壳程不易检修和清洗，不宜用于两流体温差较大，壳程压力过高的场合。
（2）.U型管换热器
U型管换热器的结构如下图1-2所示。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。

U形管换热器：
优点：结构简单，重量较轻，适合温度和壳程压强过高的场合；
缺点：管内清洗比较困难，管内要求是洁净的流体，管子需要一定的弯曲半径，管板利用率较低。
（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：
优点：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。
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。
2.换热器类型的选择
两流体温度的变化情况：热流体进口温度120℃ 出口温度70℃；冷流体进口温度30℃，出口温度为40℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季，初春，深秋等水温较低的季节操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，且浮头式换热器的浮头管板、钩圈与浮头端盖可拆联接，容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于维修。因此综合考虑以上因素，初步确定选用浮头式换热器。
3.流径的选择
在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。
参考标准：【2】
(1) 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。
(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，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。
(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) 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，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，宜走壳程，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。
(8) 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。
两流体的操作压力为6.9MPa，属中压，理论上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，特别在冬天，水的粘度较大，更容易结垢，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，而且高温流体走壳程更容易散热，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。
4.已知常数
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
℃
管程流体（循环水）的定性温度为
℃
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。
混和气体在95℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：
密度
定压比热容 =3.297 kJ/(kg·℃)
热导率 W/(m·℃)
粘度
循环水在35℃ 下的物性数据：
密度
定压比热容 =4.174kj/kg℃
热导率 =0.624w/m℃
粘度 pa.s

三、 工艺计算及主要设备计算
（一）传热面积估算【3】
1． 热流量
Q1=
=227301×3.297×(120-70)=3.747×107kj/h =10408kw
2.平均传热温差
℃
平均温差校正系数
查表得温度校正系数
所以 ℃
3.传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(㎡k)则估算的传热面积为

4.冷却水的流量

（二）工艺结构尺寸
1．管径和管内流速
选用Φ25×2.5mm较高级碳钢传热管，取管内流速u1=2.5m/s。可依据传热管内径和流速确定单程传热管数【4】
Vs =/=249.5/994.3=0.25
根
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=6m，则
程4程
传热管总根数 Nt=320×4=1280根，采用单壳程四管程设计。

2.传热管排列和分程方法【5】
每程内均按正方形排列，隔板两侧均按正方形排列，每程内含管子数目320根，取管心距t=1.25 t=1.25mm 取管心距为32mm
3.壳体内径【6】
采用多管程机构，壳体内径可按 取管板利用率 则可体内径

为保证管子列管的开度，D可取1400mm
4.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25%，则切去的圆缺高度为
H=0.25×1400=350mm，
取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×1400=420mm
折流板数目折合一下折流板可取13
折流板圆缺面水平装配，见图。
5．其他附件
拉杆数量与直径：其拉杆直径为Ф12mm,拉杆数量为10根。
6．接管【7】
壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为

可取
管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为

圆整后取管内径为360mm
（三）换热器核算
1． 热流量核算【8】
（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见下式

由于管子按正方形排列，当量直径为
=
壳程流通截面积为：

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特数

粘度校正 因此

（2）管内表面传热系数

用以下经验式计算【9】

管程流体流通截面积

管程流体流速

普朗特数

所以有

（3）污垢热阻和管壁热阻
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
查表可知，该条件下碳钢导热率为50w/(m·K)
管壁热阻按
（4） 传热系数【10】

（5）裕度计算
K的裕安全系数
面积裕度：该换热器实际传热面积为

而依据 计算传热面积

该换热器裕度为

而裕度在15%~25%是较理想的，因此该换热器能够完成任务。

2． 壁温计算
传热管壁温通常用如下经验式计算
【11】
其中t（冷流体）、t均为冷流体定性温度 T为热流体定性温度
℃
此种算法为严格按照题意的温度及相关数据来处理。若在冬季、春季、深秋季节玄循环冷却水的入口温度是远低于30℃的，因此要从实际出发做全面的思考，取冷流体入口温度15℃计算

壳体壁温，壳近似取为壳程流体平均温度T=95℃
则壳体壁温和传热管壁温之差为
该温差较大，应考虑温度补偿设置，加之换热器壳程压力大，因此选用浮头式换热器为宜。
3．换热器内流体的流动阻力
（1）管程流体阻力

由Re=67455，传热管粗糙度查图得。流速，
所以：

而可用如下公式计算

Ns为串联壳程数，Np为管程数：Ns=1 Np=2 Fs=1.5

液体允许压强降为10~100KPa，该压强降在允许范围内。
（2）壳程阻力 按式计算
, ,
流体流经管束的阻力

由于管子排列成正方形，F取0.3，F=0.3

管子按正方形排列则横过管束中线的管数

折流板数为13，壳程流体流速为
所以
流体流过折流板缺口的阻力

折流板数,壳体内径D=1.4m,折流板间距B=420mm=0.42m

所以壳程阻力为

由于该换热器壳程流体压力为6.9MPa，压力较高，壳程阻力也相对较高。

四、 设计结果汇总
1.换热器主要结构尺寸和计算结果汇总表
参 数
管 程
壳 程
流量（㎏·h-1）
897840
227301
进/出口温度（℃）
30/40℃
120/70℃
压力（MPa）
0.4
6.9
物性
定性温度（℃）
34
87.5
密度（kg·m-3）
994.3
90
定压比热容[kJ/(kg·℃)]
4.174
3.297
粘度（Pa·S）
0.737×
1.5×
热导率[w/(m·℃)]
0.624
0.0279
普朗特数
4.93
1.7726
设备结构参数
形 式
浮头式
壳程数
1
壳体内径（mm）
1400
台 数
1
管径（mm）
Φ252.5
管心距（mm）
32
管长（mm）
6000
管子排列方式
正方形
管 数
1280
折流板数
13
传热面积（m2）
649.98
折流板间距（mm）
450
管程数
4
材 质
碳钢
主 要 计 算 结 果
管 程
壳 程
流速（m/s）
2.5
5.2
表面传热系数[W/(m2· K)]
9914
674
污垢热阻(m2· K /W)
0.0006
0.0004
阻力（MPa）
0.060151
0.096440
热流量(kW)
10408
传热温差(K)
328
传热系数[W/(m2· K)]
374.5
裕 度
19.38%

2.设备工艺条件图见附图

五、 参考资料
【1】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p273
【2】王志魁，刘丽英，刘伟主编。化工原理第四版，北京：化学工业出版社p173
【3】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p224，（4-30）；p230 （4-45）；p231 ；p231，（4-44a）
【4】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p280（表4-13至表4-15）
【5】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p281
【6】、【7】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p282
【8】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p253（4-77a）（4-78）（4-80）
【9】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p248（4-70）
【10】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p227（4-40）
【11】夏清，陈常贵主编。化工原理（上册），天津：天津大学出版社，2005，p262（4-97）

六、后记（包括专业知识在课程设计过程中的应用、对课程设计的体会和最终的的结论以及不足与努力方向）
本次化工课程的设计，主要有以下几点感想
1.团体合作的重要性。在很多情况下，单靠个人能力有时很难完全处理各种错综复杂的问题并采取切实高效的行动，所以这些都需要几个人组成团体，并要求组织成员之间进一步相互依赖、相互关联、共同合作，建立合作团队来解决错综复杂的问题，并进行必要的行动协调，开发团队的综合能力，依靠团队合作的完成任务。我们开始接触任务时，迷茫，对换热器一无所知，查找资料难以下手，但经过我们五人利用网络资源进行分析，讨论，一步一步的对换热器各个方面有一定的了解，各个成员查阅文献资料并选用合适的经验公式，整套思路清晰出来，最终合力完成设计。
2.查阅资料的能力很重要。查阅资料也是课程设计极其重要的环节。我们可以从文献找到灵感，从别人的工中得到启发，这样在任务设计中可以少走弯路，同时还可以确保自己所做的东西是合适的。我们团队只用了四本书和一定的网络资源，从中吸取其精华，特别是经验公式的原则，对我们的设计进程有极大的促进作用。若不查阅文献资料或错误的选用资料，我们的设计难以完成。
3.理论要联系实际，我们在选用进行换热器结构尺寸的设计和经验公式时，要考虑到实际的需要作出相应的调整，我们注重理论，有不拘泥于理论
4.计算机在制图中的重要作用，计算机软件与工程设计越来越紧密，本次设计运用AutoCAD软件，把设计的结果以最直观的形式展现出来，从中得到了启示，相信以后会对专业的学习有重大作用。
总之， 通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，特别是对传热过程及其换热器各方面的了解和过程设计，对实际单元操作设计中所涉及的个方面要注意问题都有所注意。通过这次对换热器的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和团队中的同学帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。但此次设计任然有很多不足之处，例如此次管长和壳径都采用非标准设计，对换热器的制造都会增加困难，会增加成本，对实际的考虑不够充分，我想今后会更注重实际的需要，并运用到自己的专业中。

七、 设计说明书评定

指导教师签字：

年   月    日

八、 答辩过程评定

指导教师签字：
年   月    日