化工原理课程设计列管式换热器设计

1、列管式换热器设计说明书设计者： 班级：姓名 ：学号 ：日期 ：指导教师 设计成绩 日期 目录一、方案简介·········································&#

2、183;······················32、方案设计··························&

3、#183;·····································41、确定设计方案··········

4、3;·················································

5、3;42、确定物性数据················································&

6、#183;············43、计算总传热系数···································

7、83;·······················44、计算传热面积·························

8、····································55、工艺结构尺寸············

9、83;················································56、换热器核算&

10、#183;·················································&

11、#183;············73、设计结果一览表···································

12、83;······················104、对设计的评述··························

13、;··································115、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）···········

14、3;·····················6、参考文献···························

15、3;····································127、主要符号说明············

16、················································12附图·&#

17、183;·················································&#

18、183;······················一、方案简介本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器

19、，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。二、方案设计某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从93冷却到50。处理能力为1×105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度27，出口温度37。要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按300天，每天24小时连续运行）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93，出口温度50

20、冷流体。冷流体进口温度27，出口温度37。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。（2）流动空间及流速的确定 由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/。 2、确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程硝基苯的定性温度为：管程流体的定性温度为： 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 硝基苯在71.5下的有关物性数据如下： 密度 o=1154 kg

21、/m3定压比热容 cpo=1.558kJ/(kg·导热系数 o=418.4×30.9×10-50.129 W/(m·粘度 o=0.000979 Pa·s冷却水在32下的物性数据： 密度 i=994.3kg/m3定压比热容 cpi=4.24 kJ/(kg·导热系数 i=0.618 W/(m·粘度 i=0.000818 Pa·s3计算总传热系数 （1）热流量 Wo=1×105×1000÷300÷2413889kg/hQo=Wocpoto=13889×1.558×

22、;(93-50=930479.7 kJ/h=258.5 kW（2）平均传热温差 （3）冷却水用量 （4）总传热系数K 管程传热系数 壳程传热系数 假设壳程的传热系数o=290 W/(m2·； 污垢热阻Rsi=0.000344 m2·/W , Rso=0.000172 m2·/W管壁的导热系数=45 W/(m·4、计算传热面积 考虑 15的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×19.24=22.12m25、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速及管长 选用25×2.5传热管(碳钢，取管内流速ui=0.5m/s，

23、选用管长为3m（2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算其流速为按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。则该换热器管程数为 (管程传热管总根数 N=94 (根（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差（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=1.25 d0，则 t=1.25×25=31.2532(mm横过管束中心线的管数得到各程之间可排列11支管，即正六边形可排6层。则实际排管数设为102根，其中4根拉杆，则实际

24、换热器为98根（5）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为 圆整可取D400mm 1前言1.1工程背景换热器是许多工业生产中常用的设备, 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中应用极为广泛，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%，在炼油厂约占总费用的35%-40%。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。在化工厂中经常应用换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多

25、，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。1.2 换热器介绍（1）换热器在工业中的应用：换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可或缺的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化元件诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成就，得到了大量的

26、回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T 型翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张情况。随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化，煤油加氢，汽油、柴油加氢和乳化油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大。螺纹锁紧环换热器、密封环换热器、金属垫圈式换热器、蜜蜂盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然等场合，可满足承压高达35MPa ，承温达700的使用要求。在这些场合

27、，换热器占有的投资占50%以上。（2）换热器的研究现状：20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高和换热器及空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府都加大了投入资金力度。国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、纵横管

28、等；天津大学在流路分析法、震动等发面研究成果显著；清华大学在板片传热反方面有深入的研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面江苏化工学院开发出液压涨管器；以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流管换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器、环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器。（3）换热器的发展动向：换热器的传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流

29、物性的模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但汽油组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更准确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m ，传热面积将达到单位10000，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取

30、代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电厂动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。1.3设计概述我们设计的是热水冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。在换热器中至少要有两种温度不同的流体, 一种流体温度较高, 放出热量; 另一种流体则

31、温度较低, 吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器, 它们也是这些行业的通用设备, 并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。，则切去的圆缺高度为 h 0.25 × 400 100 mm ，故可取 h 100 mm 。 取折流板间距B0.5D，则B0.3×400200mm，可取B为200。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(

32、块折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内硝基苯流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 取标准管径为108 mm×11mm。 管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u1.5 m/s，则接管内径为 取76mm×6.5mm无缝钢管。6换热器核算 （1）热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 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 管程对流传热系数 管程流通截面积管程流体流速 普兰特准数传热系数K传热面积S该换热器的实际传热面积Sp该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器

33、能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Pi=(P1+P2FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5由Re10064.6，传热管相对粗糙度0.01/200.005，查莫狄图得i0.037 W/m·， 流速ui0.414m/s，994 .3kg/m3，所以 管程压力降在允许范围之内。壳程压力降流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 壳程压力降也比较适宜。 三、设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热面积（m2）:22.2工艺参数名称管程壳程物料名称冷却水硝基苯操作压力，Pa未知未知操作温度，27/3793/50流量，kg/h21945.313889流体密度，kg/m3994.31154流速，m/s0.4140.191传热量，kW258.5总传热系数，W/m2·K347.5传热系数，W/（m2·）2402.3866.6污垢系数，m2·K/W0.0003440.000172阻力降，Pa2185.51800.8程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格25×2.5管数98管长mm:3000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm200切口高度25%壳