列管式换热器课程设计767911498

1、化工原理课程设计² 专业班级 ² 小组成员 ² 指导老师 ² 设计时间 目 录中英文概要-(1)课程设计任务书- 2 -(2)第一章 前言-(3)第二章 列管式换热器的设计-(4)（1） 列管式换热器简介-(4)（2）设计过程-(5)附：过程流程图-(7)第三章 正文-(8)（1）初选换热器规格-(8) （2）换热器核算-(10)（3）经济衡算-(13)（4）换热器工艺结构的确定-(15)第四章 化工原理课程设计小结-(18)附：换热器主要结构尺寸和计算结果-(19)参考文献-(20)摘要摘要：任务要求设计年处理量为吨正戊烷的正戊烷冷凝器。首先要通过经验

2、数据和经济衡算确定冷热流体的流型、流速和进出口温度。本设计按照化工原理相关公式进行计算，选定固定管板式换热器，换热面积为41.6,换热管为8管程6m,管径为25×2.5mm共112根管子。经过进一步核算，换热器压降，面积裕度，管壁温度均符合设计要求，。然后通过查阅资料合理计算确定封头、管箱、拉杆、定距管等结构尺寸和选取符合要求的辅助设备（主要是离心泵）。最后画出符合工程语言的设备总装图和带控制点的工艺流程图。关键词：列管式 换热器 设计计算 经济优化Abstract:The heat exchanger is wildly used in chemical industry. To

3、design the heat exchanger which cools 1.25t/a steam pentane, we should first choose the curing velocity and the temperature of export float. We should select tubesheet heat exchanger. Nominal diameter: 450mm, nominal pressure: 2.5MPa, the total tubes:112. The press, the area and the temperature all

4、suit to the assignment request. Based on this chosen heater exchanger, we shall design the structures and correct them, then design proper nozzles, flange, tie rod, channel, tubesheet, spacer and so on. The final result includes a craftwork-flow-chart, a facility fitting draw, and a instruction.Key

5、word：Heat interchanger row tubular design calculationeconomic optimization化工原理（含化工设备机械基础）课程设计任务书设计题目：列管式换热器的设计设计时间：2010年05月10日至05月28日指导老师：何兵设计任务：年处理12500吨正戊烷的正戊烷冷凝器1. 设备型式立式列管式换热器2. 操作条件（1） 正戊烷：冷凝温度51.7，冷凝液于饱和温度下离开冷凝器；（2） 冷却介质：井水，入口温度32，出口温度由经济衡算优化；（3） 允许压强降：不大于105Pa；（4） 每年按330天计算，每天24小时连续运行；（5） 设备最

6、大承受压力：P=2.5Mpa;设计报告：1. 设计说明书一份2. 主体设备总装图（1#图纸）一张，带控制点工艺流程图（3#图纸）一张第一章前言化工原理课程设计属于化工设计的范畴。它是指将一个系统全部用工程制图的方法，描绘成图纸、表格及必要的文字说明，也就是把工艺流程、技术装备转化为语言的过程。化工设计过程具有政策性强、技术性强、经济性强、综合性强的特点。在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为换热器。在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。这里所讲的热换热器是以传热为其主要过程（或目的）的设备。在化工

7、、石化、石油炼制等工业生产中，换热器被广泛使用。在一般化工厂的建设中，换热器约占总投资的11。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的40%。随着化工、石化、炼油工业的迅速发展，各种新型换热器不断出现，一些传统的换热器的结构也在不断改进、更新。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性，不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。根据热换热器在生产中的地位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说，对其基本要求有：(1) 满足工艺过程所提出的要求，热交换强度高，热损失小，在有利得平均温差下工作。(2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简

8、单，装修方便，经济合理，运行可靠。(3) 设备紧凑。(4) 保证较低的流动阻力，以减小热换热器的动力损失。换热器的类型很多特点各异，分类方法也不尽相同。若按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。若按其结构类型分，有列管式、板式、螺旋板式、板翅式、板壳式利翅片管式等。若按传热原理和热交换方式分，有直接混合式、蓄热式和间壁式三类，列管式换热器是间壁式换热器的主要类型，也是应用最普遍的一种换热设备。第二章 列管式换热器的设计一、列管式换热器简介列管式换热器是间壁式换热器的主要类型，也是应用最普遍的一种换热设备，它以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有约7

9、0%的主导地位。因此列管式换热器的标准化工作为世界各工业发达国家所重视，也为ISO国际标准化组织的所重视。列管式换热器主要由壳体、换热管束、管板(又称花板)、封头(又称端盖)等部件组成。换热器在圆筒形的筒体内装有换热管束，管束安装固定在壳体内两端的管板上。封头用螺钉与壳体两端的法兰连接，如需检修或清洗，可将封头盖拆除。冷、热流体在列管式换热器内进行换热时，一种流体在管束与壳体的环隙内流动，其行程称为壳程；另一种流体在换热管内流动，其行程称为管程。列管式换热器的种类很多，分类方法各异，目前广泛使用的列管换热器主要以有无效补偿和补偿办法不同来进行分类。因为列管式换热器在使用时，由于冷、热流体温度不

10、同，使大体和管束受热不均，其热膨胀程度不同。如果两者温差大于50摄氏度 ，就可能使管束弯曲变形，从管板上松脱，甚至整个设备变形、毁坏。所以要从结构上加以改进，以消除或减轻热膨胀的不利影响。这种结构改进方法称为热补偿或温差补偿。按有无这种补偿和不同补偿办法，列管式换热器主要分为以下三类：1. 固定管板式换热器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；由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程易走不易结垢和清洁的流体。这种换热器比较适合用于温差不大或温差大但壳程压力不高的场合。2浮头式换热器在这种换热器中，一端的管板用法兰与外壳连接，

11、另一端的管板不与壳体连接，可相对于壳体作某些移动，并在这块管板上连接一个端盖，称之为浮头。当壳体与管束之间因温度不同而引起不同热膨胀时，管束连同浮头就可以在壳体内沿管轴方向自由伸缩，以消除温差应力。这种结构较复杂，造价也较高，但由于管束可整体从壳体中拉出，清洗和检修方便，能适应管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。3U型管式换热器U形管式列管换热器只有一个管板，管程至少为两程，每根管子都变成U形，两端固定在同一块管板上。这样，每根管于均可以按管长方向自由伸缩，以解决热补偿问题。这种换热器结构简单、质量小，管束可抽出，检修和清洗方便。但管内不易清洗，所以要求管程流体应清洁。另外管板利用率

12、较低，管子更换困难。这种换热器适用于高温和高压场合。4、填料函式换热器 此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函式密封。它的管束可自由膨胀，所以管壳之间不会产生热应力，且管程和壳程都能清洗，结构较浮头式简单，造价较低，加工制造方便，材料消耗较少。二、设计过程 列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求时均需进行这方面的工作。热力设计指根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。流动设

13、计主要计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备，例如泵的选择做准备。结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的长度、直径、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目，等等。在某些情况下还需对换热器的主要零部件，特别是受压部件做应力计算，并校核其强度。这是保证安全生产的前提。列管式换热器的工艺设计主要过程包括以下内容：根据换热任务和有关要求确定设计方案。初步确定换热器的结构和尺寸。核算换热器的传热面积和流体阻力。经济衡算确定所选换热器的冷流体最优出口温度。（一） 设计方案的确定1、确定换热器型式；2、管程、壳程流动空间的选择；3、流体流速的选择；4、流体出口温度的选择5、结构参数

14、的选择（二） 列管式换热器的结构1、 管程结构：管子在管板上的固定；确定管子规格和排列方式；管程分布；2、 壳程结构：壳体内径（一般为）；接管（尺寸按外径算）；两端封头；折流挡板（间距一般50的整数倍）；其他附件:主要考虑拉杆和定距管；（三） 列管式换热器的设计计算1、 确定型式，管程、壳程流体；2、 假定冷流体出口温度，计算定性温度，以确定流体的物性数据；3、 计算热负荷Q，并确定第二种换热流体的用量；4、 初算有效平均温差，一般先按逆流计算，然后在校核；5、 由经验数据确定，并计算初估传热面积；6、 由初估传热面积确定传热管数和管程数：、，根据确定的传热管排列和分程方式，确定壳径D和壳程挡

15、板形式和数量等；7、 校核：由管程和壳程流体性质确定、，计算出，求出需要面积和实际传热面积，、，由此计算得到面积裕度,面积裕量应在10%25%之间，以保证一定的安全系数，否则需重新设计。8、 计算流体流动阻力。如阻力超过允许范围，需调整设计，直至满意为止。（四） 经济衡算 设计列管式换热器时，为使设计换热器在经济上是最优的，应使由设计所引起的换热器的年总费用，即年设备投资折旧费用（包括维修费用）和年操作费用之和最小，总费用可简化为冷流体出口温度t2的一元函数，通过程序设计编辑可求出最低费用对应的最佳出口温度。将最优温度与假设出口温度对比，两者接近时则假设合理，所设计的换热器是合适的，否则已重新

16、假设出口温度，重新设计。确定型式，管程、壳程流体过程流程图如下：假定冷流体出口温度t2，计算定性温度由初估传热面积确定传热管数和管程数，确定壳径D和挡板形式和数量由经验数据确定K估，并计算初估传热面积A估初算有效平均温差计算热负荷Q，第二种换热流体用量校核：确定i,o,Ri,Ro,计算得到K计，求出实际面积A需，和面积裕量H，并计算流体流动阻力10%<H<25%且流动阻力满足要求NYt2 = t2,opt经济衡算得出冷流体最佳出口温度t2,optYN设计换热器符合要求，输出Y第三章 正文一、初选换热器规格（1）确定流体流动空间 冷却水走管程，正戊烷走壳程，有利于正戊烷的散热和冷凝，

17、而且压降也少，使易结垢的井水在管内流动，可以保持较高流速，对传热和防止结垢也都很有利。（2）假设井水出口温度，确定流体的定性温度、物性常数。冷却介质为井水，入口温度为32，假设出口温度为40。水的定性温度为tm=41乙醇蒸汽温度为51.7，因为恒温冷凝，故定性温度为51.7。两流体的温度差为51.7-41=10.7，由于两流体的温差小于50，故选用固定管板式换热器。 物性 流体温度mCpr 水41991.80.6434.1740.6354正戊烷51.75960.182.34357.40.13（3）换热器热负荷的计算:（4）确定冷却水用量（5）假设总传热系数根据管程走井水，壳程走正戊烷，总传热系

18、数范围为470815。估算时取K估为500。（6）对流平均温差的计算 ,对于冷凝体系，(7) 计算传热面积考虑15%的面积裕量，S=1.15×42.64=49.03m2（8）初选换热器规格1、确定管程数、管长选用25mm×2.5mm传热管（碳钢），设流速为u=0.5m/s。依据传热管内径和流速确定单管程传热管数由得=13.414根即单管程时需要14根传热管。按单管程计算，所需的传热管长度为=44.62m按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为=7.448（管程）;传热管总根数N=14×8=112（根）2、传热管排列和分

19、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，则t=1.25×25=31.2532（mm）横过管束中心线的管数3、换热器壳体采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为圆整可取D=450（mm）二、换热器核算（1）传热面积校核管程传热系数的计算首先假设管内流体做强制湍流：此时传热系数计算公式为:符合运算要求。壳程传热系数校核1）壳程特性温度的确定：设管壁温度为这与其饱和温度很接近，故在平均膜温48.35下的物性可沿用饱和温度51.7下的数据。蒸汽在垂直管外冷凝时的传热系数计算公式如下：当时，膜内为层流，当时，膜内为湍流， 假设膜内为湍流：

20、即假设成立，膜层内为层流。2）壁温核算核算壁温时，一般忽略管壁热阻，根据下列近似关系核算tw值。计算温度与假设温度相差很小，原假设合理。污垢热阻和管壁热阻。查化工原理课程设计（天津大学出版社）表3-6得管内侧污垢热阻，管外侧污垢热阻。总传热系数K。得传热面积的校核该换热器的实际传热面积为： 该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适，该换热器能够完成任务。 （2）换热器内压降的核算1)计算管程压力降。由=14746，传热管相对粗糙度，查莫狄图得，管程流动阻力在允许范围内。2）计算壳程压力降。壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，可忽略压降。由此可知，所选换热器是合适的。三、经济衡算通过编程确定所设计换热器在所给

21、任务下的最优出口温度。#include <stdio.h>#include <math.h>void main(void)double j,a0,ai,fai,t2,mdi,cpi,limi,ndi,nliut,gi,tw,tm,dt,re,bt,mt;double lim0=0.00013,md0=596.0,qro=357.4,nd0=0.00018,T=51.7,t1=32.0,zi=1.05,g0=0.43841,g=9.81,ui=0.5,L=6.0,ri=0.344,r0=0.172;double f1=1.12,f2=6.5,fc=0.125,a=334,

22、b=0.73,ct=7920,cu=0.0007,ci=0.5,di=0.02,d0=0.025,rdw=0.66373,minj=8.0e20,mint=0; /*ndi是管程流体粘度系数，Cpi是管程流体比热容，mdi管程流体密度，limi是管程流体导热系数*/ /*ndo是壳程流体粘度系数，qro是壳程流体汽化潜热，mdo壳程流体密度，limo是壳程流体导热系数，*/for(t2=32;t2<50.1;t2+=0.1) /*t2的最高温度为50度，否则井水易结垢*/ nliut=(t2-t1)/log(T-t1)/(T-t2); /*nliut是逆流温差*/mdi=1005.34-

23、0.32733*(t1+t2)/2;cpi=4.178+0.00017603*(t1+t2)/2;limi=0.00059354+(9.287e-7)*(t1+t2)/2;ndi=0.001*pow(10,658.25*(1/(273.15+(t1+t2)/2)-1/283.16);cpi=4.178+0.00017603*(t1+t2)/2;fai=22.672*pow(di,1.424)*pow(ndi,1.859)/d0/mdi/mdi/pow(ndi,2.283)/pow(cpi,1.141)/pow(zi,2.424);gi=ui*mdi; ai=0.023*limi/di*pow(

24、di*gi/ndi),0.8)*pow(cpi*ndi/limi,1.0/3)*1.05; /*ai为管程对流传热系数*/ for(tw=32;tw<51.7;tw+=0.5) /*tw是假设比壁温*/ dt=T-tw; a0=pow(0.0077*pow(md0*md0*g*lim0*lim0*lim0/nd0/nd0,1.0/3)*pow(4*L*dt/qro/nd0,0.4),5.0/3); /*a0为壳程对流传热系数*/ re=4*a0*L*dt/qro/nd0;mt=(t1+t2)/2;tm=(mt*(1/a0+r0)+T*(1/ai+ri)/(1/a0+r0+1/ai+ri)

25、; bt=tw-tm;if(fabs(bt)<0.5&&re>=2000) /*衡算壁温及校验湍流*/ break; j=1.3*f1*f2*fc*a*pow(1/a0+d0/ai/di+rdw)*qro*g0/nliut),b)+3600*ct*cu*g0*qro/cpi/(t2-t1)+fai*pow(ai,3.424)*ci*ct*(1/a0+d0/ai/di+rdw)*g0*qro/nliut);/*j是最优经济量*/if(j<minj)minj=j,mint=t2;printf("nj=%e,t2=%e,re=%e",minj,t

26、2,re); 通过编译，执行得到结果：由结果可知，所设计换热器在所给任务条件下的管程井水的最佳出水温度为50，即开始假设的出水温度是正确的，所设计的换热器是合适的。四、换热器工艺结构的确定1、管程结构（1）管箱封头选用封头型号为EHA450×5-16MR JB/T4746-2002；（2）容器法兰 选用法兰型号为法兰-FM 450-2.5/43-190 JB/T4702-2000；（3）法兰垫片选用石棉橡胶垫片，型号为垫片450-2.5 JB/T4704-2000；（4）管板与壳体采用不可拆连接，两端管板直接焊在外壳上并兼做法兰，拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。2、折流挡板（1）折流挡

27、板结构设计:选用弓形折流挡板；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：h=0.25×450=112.5（mm） 故可取h=110mm排列方式：切口上下方向排列（2）折流挡板布置靠近管板的折流挡板尽可能靠近壳程进出口接管，其余等距布置。（3）折流挡板间距则折流板间距取150mm（4）折流挡板厚度厚度为d=5mm（5）折流板数： 3、拉杆和定距管 为使折流板牢靠地保持在一定位置，需要设拉杆和定距管。当换热器管外径为25mm，壳体直径为450mm时，拉杆数量取4，其直径为16mm，定距管直径一般与换热器尺寸相同。拉杆直径拉杆螺纹公称直径LaLbb16mm16mm20mm6

28、0mm2.0mm4、接管壳程流体进出口接管：取接管内正戊烷蒸汽的流速为,则接管内径为取标准管径为DN=15mm,。管程流体进出口接管：取接管内井水流速，则接管内径为取标准管径为DN=65mm,。5、离心泵的选型该课程设计中的主要辅助设备为离心泵，其主要性能参数有扬程、流量、功率、效率、转速。所传输的液体为冷却水，所以选用IS系列的离心泵。（1）流量计算（2）扬程计算扬程计算（换热器位于精馏塔顶）设精馏塔高为20m，换热器高度为6m。换热器产生的热损失为，冷却水流经进口管路的阻力损失和出口管路阻路损失分别为（均包括局部阻力损失）。将以上数据带入扬程公式：（3）根据流量及扬程选取离心泵规格如下:型

29、号流量扬程m转数轴功率kW电机功率kW效率%必须汽蚀余量m泵的净质量 KgIS50-32-20012.55029003545.5482.052备用离心泵，规格如下：型号流量扬程m转数轴功率kW电机功率kW效率%必须汽蚀余量m泵的净质量 KgIS50-32-25012.5802900701611382.088第四章 化工原理课程设计小结 本次课程设计是我们体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基础知识的初次尝试，使自己所学知识能够得到综合利用.在此过程中我们发现了书本上所学的知识只是每个行业中的皮毛而已，不论要做好哪一方面的工作我们都还有很多理论知识要去学习，有很多的经验需要积累。我们也认识到书本

30、上的理论和实际实践的差距是非常巨大的，从理论的提出到实际应用到工业实践还有很多的工作需要完成，需要查阅大量资料，参考许多经验数据，理论上的最佳值在实际生产中未必可取，这就需要我们进行复杂的计算来确定经济最优值，这些都是在课堂学习中接触不到的。通过这次换热器的设计，我们对传热部分的知识掌握的更加熟练，理解也更加深刻，初步学会了设计换热器的主要步骤，提高了分析问题和解决问题的能力，如查阅文献搜集资料选用物性参数和公式、查阅国家标准或行业标准选定用件的能力、准确而迅速地进行过程计算和工艺设计计算、运用C语言编程解决问题、运用AutoCAD画图表达自己的设计思想的能力。 至少对于我们这些没有任何工作经验的同学们而言，这是一项复杂的工作，所以没有团队的精诚一致是很难完成的。在为期三周的课程实际中，我们都要求自己毫无保留地表达出自己的想法供大家一起讨论，不放过任