列管式换热器课程设计书资料.doc

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前言
在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、炼油、动力、原子能与其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发与冷凝等。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。
在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器。目前这种换热器被当作为一种传统的标准换热器，在许多工业部门中被大量地使用。尤其在化工生产中，无论是国内还是国外，它在所有的换热设备中，仍占主导地位。
管壳式换热器是把管子及管板连接，再用壳体固定。它的形式大致分为固定管板式、釜式浮头式、 形管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种。根据介质的种类、压力、温度、污垢与其它条件，管板及壳体的连接，传热管的形状及传热条件，造价便宜，维修检查方便等情况，同时也需要了解各种结构形式的特点来选择设计制造各种管壳式换热器。
本设计根据设计要求，由于温差应力较大选用浮头式换热器。
浮头式换热器如图所示。一端管板及壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体与管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束及壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出（也有设计成不可拆的），这样为检修、清洗提供了方便。但结构较复杂，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以在安装时要特别注意其密封。

目录

1.化工原理课程设计任务书 1
2.流程图 2
3.工艺流程图 2
4.设计计算 3
4.1设计任务及条件 3
4.2设计计算 3
4.2.1确定设计方案 3
4.2.2确定物性参数 3
4.2.3估算传热面积 4
4.2.4管束计算 5
4.2.6壳体设计 9
4.2.7设备零部件设计 10
5.设计结果评价 12
6.总结 13
参考文献 13
7.设备装配图 14

1. 化工原理课程设计任务书
一、 设计题目：设计一煤油冷却器
二、 设计条件：
1、处理能力 160000吨/年
2、设备型式 列管式换热器
3、操作条件
流体
名称
入口温度/℃
出口温度/℃
物料
煤油
140
80
加热冷却介质
自来水
30
50

允许压力降：0.02MPa 热损失：按传热量的10%计算
每年按330天计，每天24小时连续运行
三、 设计内容
4、前言
5、确定设计方案（设备选型、冷却剂选择、换热器材质及载体流入空间的选择）
6、确定物性参数
7、工艺设计
8、换热器计算
（1）核算总传热系数（传热面积）
（2）换热器内流体的流动阻力校核（计算压降）
9、 机械结构的选用
（1）管板选用、管子在管板上的固定、管板及壳体连接结构
（2）封头类型选用
（3）温差补偿装置的选用
（4）管法兰选用
（5）管、壳程接管
10、换热器主要结构尺寸与计算结果表
11、结束语（包括对设计的自我评书及有关问题的分析讨论）
12、换热器的结构与尺寸（4#图纸）
13、参考资料目录

2.流程图

3.工艺流程图

水（30℃）
水（50℃）
可循环利用

浮头式换热器

产品：
煤油（80℃）

煤油（140℃）

4.设计计算
4.1设计任务及条件
某生产过程中，用自来水将煤油从140℃冷却至80℃。已知换热器的处理能力为160000吨/年，冷却介质自来水的入口温度为30℃，出口温度为50℃，允许压力降为0.02MPa，热损失按传热量的10%计算，每年按330天计，每天24小时连续运行，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
4.2设计计算
4.2.1确定设计方案
（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140℃，出口温度80℃，
冷流体进口温度30℃，出口温度50℃。
进口温度差-=110℃＞100℃，因此初步确定选用浮头式换热器。
（2） 管程安排 由于自来水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器热流量下降，而且管程较壳程易于清洗，再加上热流体走壳程可以使热流体更易于散热，减小能耗，所以从总体考虑，应使自来水走管程，混合气体走壳程。
4.2.2确定物性参数
定性温度：对于一般气体与水等低粘度流体，其定性温度可取流体进、出口温度的平均值。故壳程煤油的定性温度为
℃
管程流体的定性温度为
℃
查资料得，煤油在110℃下的有关物性数据如下：

水在40℃下的有关物性数据如下：

4.2.3估算传热面积
1、 计算传热量
热流体的质量流量：

热流体损失的热量：

2、 冷却水用量
由于热流体在传热过程中会损失10%的热量，因此冷流体的质量流量为：

3、 平均传热温差

根据P、R值查有关资料可得
，因此选用单壳程的列管式换热器。

4、 假设

传热面积：

4.2.4管束计算
1、 管子的确定
管径
2、 管数计算
假设流速
管数

3、 管长计算

所以选择6m长的管，双管程，m=2
4、 排管
按照正三角形排列，每行管数分别为5、6、7、8、9、9、8、7、6、5，因此总管数N=70，其中有四根是拉杆，则管数Nʹ=66
管心距

5、 壳体直径
取管板利用率

取标准D=400mm
6、 折流板
采用弓形折流板，取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

取折流板间距

则

4.2.5换热器核算
1、 K值的核算
热流体流量
冷流体流量
（1）管程对流传热系数
管内水的实际流速：
管内液体雷诺数
普朗特数
管程对流传热系数

（2） 壳程对流传热系数
壳体的当量直径
壳体流通截面积
壳内流体流速
雷诺数
普朗特数
壳程对流传热系数
℃℃℃℃
（3）总传热系数
查资料得

则实际的K值为

估算的K值及实际K值之差小于50，因此，K值核算合格
2、 传热面积核算

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务

3、 换热器内压降的核算
（1） 管程阻力

由，传热管相对粗糙度0.01，查参考文献中双对数坐标图得

管程流体阻力在允许范围之内。
（2） 壳程阻力

其中 ，
流体流经管束的阻力

其中 ，

流体流过折流板缺口的阻力

其中，，则

总阻力

壳程流体阻力在允许范围之内。
4.2.6壳体设计
壳体厚度计算:

其中 ，，，
，
故
所以选取壁厚为3mm的壳体
4.2.7设备零部件设计
（1） 封头的选取
根据壳体公称直径查参考文献5中的附录6.3，选取公称直径为450mm的标准椭圆形封头。
（2）法兰的选取
根据管的公称直径参照标准选取相对应的标准法兰
（3） 管板的选取
（4） 接管的选取
壳程流体进出口接管：取接管内煤油的流速u=2m/s,则接管内径为

圆整后选取外径为70mm，壁厚为3mm的标准无缝钢管
管程流体进出口接管：取接管内水的流速u=2m/s，则接管内径为为

圆整后选取外径为76mm，壁厚为3mm的标准无缝钢管
管板厚度，内径
接管长度均为200mm。

换热器主要结构及结构尺寸见附表1

附表1 换热器主要结构尺寸与计算结果
参数
管程
壳程
流率/(kg/h)
28749.4
20202
进（出）口温度/℃
30（50）
140（80）
压力/Pa
9962.4
10680.3
物性
定性温度/℃
40
110
密度/(kg/m)
992.2
825
定压比热容
4.174
2.2
粘度/mPa·s
0.6560
0.175
热导率/
0.6338
0.140
普朗特数
4.32
11.24
设备结构参数
型式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/mm
400
台数
1
管径/mm

管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
正三角形
管数目/根
70
折流板数/个
29
传热面积/
25.8
折流板间距/mm
200
管程数
2
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/(m/s)
0.705
0.389
表面传热系数/
3766
843.0
污垢热阻/)

阻力/MPa
9962.4
10680.3
热流量/W
740740
传热温差/
110
传热系数/
469
裕度/%
1.17

5.设计结果评价
(1) 本设计通过对面积校核，压降校核，壁温校核等计算可知均满足要求，且传热效率较好，能很好的完成任务。
(2) 经济与环境效益评价：生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行评价的过程,它通过对能量与物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识与量化,来评估能量与物质利用对环境的影响,以寻求对产品或工艺改善的途径。这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个生命周期,包括原材料的开采与加工、产品制造、运输、销售、产品使用及再利用、维护、再循环及最终处置。本设计中使用水作冷却剂，无污染，耗资少，无有害气体产生，整个过程简单，易操作，环境与经济效益良好。
(3) 本设计中面积，传热系数，压降等均有比较好的裕度保证，即使生产使用中出现比较大的误差，设备结构也能保证不出现打的安全损伤的事故，具有良好可靠的安全保证。

6.总结
通过两周艰辛设计学习，我在理解换热器工艺基础上掌握了换热器装备中常用的技术设计要求，掌握了换热器冷热交换及设计工艺。
本次设计课程能够熟练掌握换热器设计技术及自己辛勤汗水与指导老师的教导是分不开的。通过老师的讲解，我不仅学会了最初的设计计算，而且成功得绘制出设备图，虽然在计算以及画图过程中遇到一些小问题，但是在老师与同学的帮助下，设计任务书最终得以顺利完成。
在设计过程中让我感受最深的就是设计计算，在本课程设计中,一定要注意计算准确,往往是开始某个结果算错了,导致后面所有公式都要重新计算。虽然换热器的设计相对及精馏塔的设计简单,但是也要清楚的明白每一步的含义。
通过此次课程设计,我不仅学会了许多关于换热器的知识,而且明白了许多做人的道理,无论做什么事情,一定要弄懂它的本质,要细心与耐心的去做每一件事情,知难而上.同时我还要感谢老师与同学对我的帮助.

参考文献
1、 化工设备图册热交换器，上海化学工业设计院，石油化工设备设计建设组，1974.
2、 方书起，化工设备课程设计指导，化学工业出版社，2010.
3、 谭蔚，陈旭，许莉，化工设备设计基础-2版，天津大学出版社，2007.3.
4、 陆怡，化工设备识图及制图，北京：中国石化出版社，2011.8.
5、 申迎华，郝晓刚，化工原理课程设计，化学工业出版社，2009.5

7.设备装配图