课程设计,列管式换热器设计

1、设 计（论 文）列管式换热器的设计363 校核平均温度差 t m及壳程数 32设计任务及操作条件33列管式换热器的工艺设计.33.1换热器设计方案的确疋33.2物性数据的确疋43.3平均温差的计43.4传热总系数K的确疋43.5传热面积A的确疋63.6主要工艺尺寸的确疋63.6.1 管子的选用63.6.2 管子总数n和管程数Np的确疋Ns 7364传热管排列和分程方法7365 壳体内径73.6.6 折流板73.7核算换热器传热能力及流体阻力. 73.7.1 热量核算73.7.2换热器压降校核94列管式换热器机械设计104.1壳体壁厚的计104.2换热器封头选择104.3其他部件 115课程设计

2、评 价 115.1可靠性评价 115.2个人感想 116参考文献 11附表换热器主要结构尺寸和计算结果 12换热器（英语翻译：heat exchange）,是将热流体的部分热量传递给冷流体的 设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通 用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷 凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。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。列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。其优点是单位体积的传热面 积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压

3、和大型装置中采用更 为普遍。列管式换热器主要有以下几个类型：固定管板式换热器、浮头式换热 器、U形管式换热器等。设计一个比较完善的列管式换热器，除了能满足传热方面的要求外，还应该满 足传热效率高、体积小、重量轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作 安全等要求。列管式换热器的设计，首先应根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计 算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数， 然后进行机械设计。2设计任务及操作条件2.1设计题目：用水冷却甲苯的列管式换热器设计2.2设计任务及操作条件某生产过程中，用循环冷却水冷却柴油1甲苯入口温度：80 C,出口温度： 50 C

4、2、 甲苯流量：33125 kg/h，压力：0.40.6 MPa3、 循环冷却水压力：0.40.6 MPa,入口温度： 30 C,出口温度:40 C已知甲苯的有关物性数据：密度p i=867kg/m3;定压热比容cp,i=1.85kJ/(kgC );热导率入 i=0.126W/(mC )；黏度卩 i=3.75X 10-4 Pa - s3列管式换热器的工艺设计3.1换热器设计方案的确定甲苯入口温度80C，出口温度50C，冷却水入口温度30C，出口温度40C。 壳体和管束壁温差较大，且考虑到冷却水易结垢，需要清洗，故选用浮头式换热 器。冷却水走管程，甲苯走壳程。因逆流时的平均温度差最小，传热推动力

5、大，可 节省冷却介质的用量，操作无特殊要求，故流动方式选逆流。选用© 25X 2的碳钢管，管内流速设为ui=1.5m/s。3.2物性数据的确定定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程甲苯的定性温度：T 辽旦 65 C2管程冷却水的定性温度：T 30 40 35 C2壳程甲苯65 C物性数据：密度p 1=867kg/m3;定压热比容 cp，1=1.85kJ/(kgC)；热导率入 1=0.126W/(mC)；黏度卩 1=3.75X 10-4Pa - s管程冷却水35 C时物性数据：查化工原理附表可知 密度p 2=994.3kg/m3;定压热比容 cp，2=4.174kJ/(kg -C )

6、； 热导率入 2=0.62W/(m -C )；黏度卩 2=7.43X 10-4 Pa - s3.3平均温差的计算1、对于逆流换热过程，其平均温差可按式(3- 1)进行计算：tmtlt2Int2(31)式中， tl>A t2分别为大端温差与小端温差。当 tl/ t2<2时，可用算术平均值: tl =80-40=40rA t2=50-30=20°CA ti/ A t2=23.4传热总系数K的确定用式(3 2)进行K值核算。(3 2)式中：给热系数，W/m2 C；R 污垢热阻，m2C/W;管壁厚度，mm ；入一管壁导热系数，W/m C；下标1、 o、m分别表示管内、管外和平均2

7、 2 2At)= do =25 =490.63mm44Ai = di =>2o2=314.16mm244AmAi Ao2490.63 314.1622402.40 mm查化工原理附表可知Rsi=5.16X 10-4 m2 C /WRso=1.72X 10-4 m2 C /W入=50 W/m C管程 Re= = 0.02_I.5_994.3 =40146.6卩0.000743管程传热系数i可由公式(3 3)计算(33)i=0.023 Re0( J"di冷却水被加热，取n=0.40.62 /,c/i,cr08/ 4.17 0.000743、04 ,em” / 2 、 i=0.023

8、X40146.&.8><() 0.4=412.6W/ (m2 C)0.02 0.62假设取壳程传热系数为600W/ (m2 C)用公式(34)对K计算+ Ro +生+ R虫+空 dmdiidi(34)式中：一给热系数，W/m2C；R污垢热阻，m2.C/W;管壁厚度，mm ；入一管壁导热系数，W/m. C；下标1、o、m分别表示管内、管外和平均=179.5W/m2 C3.5传热面积A的确定换热器的传热量 Q=WhCph(Ti-T2)=33125 *85 花0-50)=1.84X 106kJ/h=511kwQK tm511000179.5 28.8598.68 m2考虑 15%

9、的面积裕度，A=1.15X 98.68=113.48mi3.6主要工艺尺寸的确定3.6.1管子的选用选用© 2X 2.5传热管（碳钢），取管内流速 Ui=1.5m/s3.6.2管子总数n和管程数Np的确定先按单管程计算单程传热管数ns,由式（3 5）进行计算(3 5)4Vsns2di u式中Vs管程流体体积流量，m3/s；di 管子内径，m；u管内适宜流速，m/s。冷却水用量 Wc -Q184000044125kg/hCpA ti4.17 （40 30）按单程管计算，所需的传热管长度管长I过长则采用多管程，此时管长一般多选6m （ L=6m）该换热器管程数为传热管总根数n=nsX N

10、p=27X 9=243（根）3.6.3校核平均温度差tm及壳程数Ns40 30P=80 300.2503080R=40按单壳程多管程（Np）查图得=0.93 ,0.8符合要求tm t tm=0.93 送8.85=26.83°C3.6.4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。取管心距t 1.25do，则t=1.25 25=31.25mm 32mm横过管束中心线的管数nc=1.19 .24318.619（根）3.6.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径圆整可取D 700mm3.6.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺

11、高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为取折流板间距B 0.4D，则取 B=300mm折流板圆缺水平装配。3.7核算换热器传热能力及流体阻力3.7.1热量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采取克恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校正0.14=1.035W(2)管程传热系数管程 Re=d = 0.°25 994.3 =40146.7 卩0.000743管程传热系数i可由公式(3 6)计算/ cp 、i=0.023 Re0.8)ndi(36)冷却水被加热，取n=0.4i=0.0230.620.02X40146.70.8

12、>< 4.17 0.000743)0.4=412.57W/ (m2C)0.62管程流体流通截面积:Sid：丄=空 0.025 0.025 竺 0.01325 m24 Np 49(3)传热面积校核 计算传热面积A': A实际传热面积A: A=98.68m2K tm(n nc) doL =105.5m2A/A: =05.5/98.68=1.07 换热器设计合理3.7.2换热器压降校核(1)管程阻力传热管相对粗糙度0010.005查莫狄图得i 0.036W/(mC)，流速20ui 0.931m/ s,994kg/m3，所以管程流动阻力在允许范围之内(2)壳程阻力流体流经管束的阻力

13、流体流过折流板缺口的阻力 总阻力壳程流动阻力也比较合适。4列管式换热器机械设计4.1壳体壁厚的计算以公式(4 1)计算壁厚(4 1)PD2p式中P设计压力(表压),MPa；D壳体内径，mm；©一焊缝系数；2 壳体材质在设计温度时的许用应力，MPa。取 P=0.101MPa D=700mm采用双面焊的对接接头局部无损检测，©=0.85按标准GB 912选材用Q235-B碳素钢，100C时，查化工原理下册附录9,取/13 MPa查化工原理下册P97表4-9取Ci=0.25mm C2=2mmC=C 什C2=2.25mm圆整后取 =3.0mm，符合材料的最小厚度。4.2换热器封头选

14、择根据标准JB/T 4746-2002,选择标准椭圆封头。圭寸头厚度为C06 251.9 1.98mm20.5P2 113 0.85 0.5 0.6取圆整值2.0mm。4.3其他部件为固定折流板，需要设拉杆和定距管。换热器壳体直径为700mm时，拉杆数可取4，其直径是10mm。定距管直径一般与换热器尺寸相同，即 700mm。5课程设计评价可靠性评价此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互 联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问 题。理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。这些方面 都应在以后的学习中得以加强与改进。

15、个人感想第一次做课程设计，刚开始我脑袋里都是大问号，不知从何下手，如何动手。还记得老师宣布课程设计做换热器时，同学们面面相觑的表情。是啊，都没见过实 体，刚学了理论就直接上战场了。还好有老师的悉心指导和同学的热情帮助，我们 按课程设计步骤一步步做了起来。前三天，我拿着计算器在寝室里算数据，从吃完 早餐开始，到快晚查房了结束。一遍遍的核查、重设数字、运算，直到最终修正出 一个范围内合理的结果。接着，用之前算出的数据，准备画图了。按课程设计要 求，图得作在标准绘图纸上。这时，大家都犯难了，由于CAD是大二学的，经过1年的洗礼，基本都把CAD忘光了！现在我们都是大学生了，自学能力多少都有些 吧。先在

16、网上下了个CAD开始摸所起来。经过几天的拼凑，终于把 CADS定!从这次的课程设计中我学习了很多，发现学校学的东西都是基础，我们以后还 要在这些基础上不断前进！6参考文献1 夏清，陈常贵.化工原理.天津：天津大学岀版社，2007.2 刁玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础.大连：大连理工大学岀版社，2006.3 孙培先.画法几何与工程制图.北京：机械工业岀版社，2004.参数管程壳程流量 /(kg/h)6743.733125进(出)口温度/°c30 (40)80 (50)压力/MPa0.40.60.40.6物性定性温度/C3565密度 /(kg/m3)994.3867定压比热容/kJ/(kg C 4.1741.85黏度/Pa s7.43X 10-43.75X 10-4热导率/W/(m C 0.620.126设备结构参数型式浮头式列