化工原理课程设计列管式换热器设计.doc

新疆工业高等专科学校课程设计说明书题目名称： 换热器设计与选用 系 部： 化学工程系 专业班级： 煤化10-4（1）班 学生姓名： 指导教师： 完成日期: 2011-12-20 新疆工业高等专科学校课程设计评定意见设计题目： 换 热 器 的 设 计 与 选 用 学生姓名： 樊 有 万 评定指标：序号评分指标具 体 要 求分数范围得 分1学习态度努力学习，遵守纪律，作风严谨务实，按期完成规定的任务。010分2能力与质量设计论证能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。015分综合能力设计能运用所学知识和技能，正确的完成任务。025分设计质量论证、分析、计算逻辑合理，条理清晰。020分3工作量内容充实，工作饱满，符合规定要求。0 15分4撰写质量结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图、表、排版等符合要求。 0 15分合计0100分评定成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日新疆工业高等专科学校课程设计任务书11/12学年 下 学期 11 年 11月 28 日专业煤化工班级10-4（1）课程名称化工原理设计题目列管式换热器设计指导教师 马玉苗起止时间11.11.28-11-20周数3周设计地点自习室设计目的： 作为本专业的专业基础课，化工原理是设备专业学生对专业课综合学习与运用的基础，为学生今后进行毕业设计工作奠定基础，是设备专业技术人员必要的基础训练。设计任务或主要技术指标：1.已知条件（1）处理能力：50m3/h（2）原料：苯（3）冷却介质：循环水，入口温度30oC，出口温度38 oC（4）允许压强降：不大于10kPa（5）苯在定性温度下的物性参数数据：密度为879kg/m3,粘度为0.41×10-3Pas,比热容为1.84kJ/(kg oC),导热系数为0.152W/(m oC)2.合理的参数选择和结构设计3.传热计算和压降计算：设计计算和校核计算设计进度与要求：1.查阅资料1天，计算2天，说明书撰写1天，整理半天，课程设计答辩半天2.本课程设计一律要求用A4稿主要参考书及参考资料：化工原理（第二版）主编：陆美娟 张浩勤化工原理课程设计 主编：王为国化工装置实用工艺设计 主编：美E.E.路德维希教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日列管式换热器设计学号：2010230109 姓名：樊有万(新疆工业高等专科学校, 乌鲁木齐 830091) 摘要: 换热装置是以传递热量为主要功能的通用机械，通常称为热交换器，简称换热器。供热器在化工厂、石油、制冷、食品等部门中均有广泛的应用。它的设计、制造和用行对生产过程起着十分关键的作用。在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11%;通常，换热器均占炼油及化工装置设备总投资的40%。因此，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理研究，在节省投资、降低能耗等方面将发挥日益重要的作用。 化工厂选择传热装置时需要考虑的因素是多方面的，主要有：1.热负荷及流量大小；2.流体的性质；3.温度、压力及允许压降范围；4.对清洗维修的要求；5.设备结构材料、尺寸、重量；6.价格、使用安全性和寿命等。 流体的性质对换热器类型的选择往往产生重大影响，如流体的物理性质（如比热容、导热率、粘度）、化学性质（如腐蚀性、热敏性）、结构情况等因素。关键词:列管是管热器,压降,传热系数，热负荷目录1.换热器概述11.1 列管式换热器的结构和特点11.2 固定管板式换热器21.3 浮头式换热器21.4 填料函式换热器31.5 U型管式换热器31.6 列管式换热器的折流挡板31.7 列管式换热器的多壳程换热器32. 设计题目53. 确定设计方案53.1 选定换热器类型53.2 选定流体流动空间54. 估算传热面积64.1 计算热负荷64.2 计算冷却水用量64.3计算逆流平均温度差64.4 计算值：64.5 初选总传热系数65换热器核算75.1 管程传热系数和压降核算75.1.1管程传热系数计算75.1.2 管程压降为：75.2 壳程传热系数和压降计算75.2.1 壳程一些参数的计算85.2.2 壳程中苯的传热系数85.2.3 壳程压降：95.3 计算传热面积：96. 工艺流程图107. 换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表108. 符号说明表119. 结束语1210. 参考资料121.换热器概述1.1 列管式换热器的结构和特点列管式换热器（又称管壳式换热器）时应用最广的间壁式换热器换热器要由壳体、管束、折流挡板、管板和封头等部分组成。管束两端固定在管板上，管板外时封头，孤傲那个管程流体的进入和流出，保证各管中的流动情况比较一致。常用的流挡板有圆缺型和圆盘型两种，圆缺型挡板应用最为广泛。在两端封头内设置适当的隔板，使全部管子分为若干组，流体依次通过每组管子往返多次。管程数增多虽可提高管内对流传热系数，但流体流动阻力和机械能损失增大，传热平均推动力也会减小管程数不宜太多，以2、4、6程较为常见。同样，在壳体内安装纵向隔板使流体多次通过壳体空间，可提高管程外流速。 （d） （e）图5 换热管在管板上的排列（a）正三角形排列；（b）正方形直列；（c）正方形错列（d）三角形排列；(e)圆形排列列管式换热器内，由于管内、外流体温度不同，壳体和管束的温度及其热膨胀的程度也不同。若两者温差较大，就坑能引起很大的内应力，使设备变形、管子弯曲、断裂甚至从板上脱落。因此，必须采取适当的措施，以消除或减少热应力的影响。此外，有的流体易于结垢，有的腐蚀性较大，也要求换热器便于清理和维修。目前，已有几种不同形式的换热器系列化生产，以满足不同的工艺需求。1.2 固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。 图2 带有温度补偿的固定管板式换热器1挡板；2补偿圈；3放气嘴为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 1.3 浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。1.4 填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。 1.5 U型管式换热器U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。 图4 U型管式列管换热器 1-U形管；2壳程隔板；3管程隔板1.6 列管式换热器的折流挡板为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。 1.7 列管式换热器的多壳程换热器列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施。列管式换热器（又称管壳式换热器）时应用最广的间壁式换热器。列管式换热器主要由壳体、管束、折流挡板、管板和封头等部分组成。管束两端固定在管板上，管板外市封头，供管程流体的进入和流出。本次课程设计是水冷却器的设计。水冷却器属于列管式换热器，列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。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，以热力设计最为重要。列管式换热器的设计内容主要包括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，确定换热器的工艺结构列管式、浮头式、设计、计算、图纸、逻辑结构示例传热器的结构分类 类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 套管式 能逆流操作用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能 平板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净 板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式适用于允许换热流体之间直接接触 蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合 2. 设计题目 某化工厂需要将50 m3/h液体苯80 oC冷却到35oC，拟用冷却水冷却，当地冬季水温为5oC，夏季水温为30 oC，要求通过管程与壳程的压力降不大于10kPa. 试选用一台适当型号的列管式换热器。物料温度oC体积流量m3/h比热kJ/kg. oC密度kg/m3导热系数kJ/m.oC粘度Pa.s入口出口苯8035501.848790.1520.41×10-3水3038m24.1749950.6250.743×10-33. 确定设计方案3.1 选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体（苯）入口温度为80oC，出口温度为35 oC； 冷流体（水）入口温度为30 oC，出口温度为35 oC。 两流体的定性温度如下： 苯的定性温度为：T= 水的定性温度为：t= 两流体的温度差 oC 因为23.5 oC <50 oC。所以只选取一般的固定式换热器。3.2 选定流体流动空间因循环冷却水交易结垢，为便于清洗，故选定冷却水走管程，苯走壳程4. 估算传热面积4.1 计算热负荷 W4.2 计算冷却水用量 4.3计算逆流平均温度差 逆流过程如图所示： t1=T1-t2=80-38=42oC t2=T2-t1=35-30=5oC 逆流平均温差：=17.39oC4.4 计算值： P= 查表得 则: 4.5 初选总传热系数 查表得，初步估计传热系数K估=450W/()则，152.0m2 由于两流体温差较大，同时为了便于清洗参考换热器系列标准，初步选定型号为BES-800-2.5-49.2-3/25-1I的固定管式换热器，有关参数见下表。公称直径D/mm800管程数NP1公称面积/m249.2管数NT467公称压强/MPa0.6管子排列方式正三角形错列管子尺寸/mm25×2.5管中心距/mm32管长l/m4.5换热面积A实/m2161.35换热器核算 5.1 管程传热系数和压降核算5.1.1 管程传热系数计算管程流通面积：=管内水流速=0.208m/s雷诺因数计算： =5593传热系数计算管程水被加热：则 0.4 =5.1.2 管程压降为：管壁摩擦系数： 0.011 所以 =（0.011×+3）×1.4×1×=164.98Pa164.98Pa10kPa 符合设计要求5.2 壳程传热系数和压降计算5.2.1 壳程一些参数的计算 选用缺口高度为25%的弓形挡板，取折流板间距h为300mm，故折流挡 板数目 NB= 壳程中流道面积：So=hD(1-) =0.3×0.8×（1-）=0.05m2 壳程中苯流速： = =0.28m/s公称直径 ： = =0.02m 雷诺数： = = = =4.965.2.2 壳程中苯的传热系数 壳程中苯被冷却，取=0.95 所以 =0.365.2.3 壳程压降： P0 =0.289×=5974Pa5974Pa10kPa符合设计要求5.3 计算传热面积： 传热系数 : 忽略污垢热阻与管壁热阻，由于水在30以下不易结垢所以其污垢热阻 可以省略，苯为清洁流体，其污垢热阻也可以省略，管壁热阻也可省略，则总的传热系数为： K计=465 w/(m2oC) = =147m2 K计=465 w/(m2oC)，A计=147m2，与原估计值相符，由附表可知该型换热器的实际面积为161.3m2，故： 1.10=164.98Pa10kPa=5974Pa10kPa 所选换热器的传热面积有10%的裕度则，所选换热器的规格是可用6. 工艺流程图 7. 换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表物料名称循环水苯名称管程壳程操作温度 30/3880/35流量 m3/h109.550流体密度 kg/995879流速 m/s0.3260.06传热量 kw1010.850总传热系数 w/m2·k161.3对流传热系数 w/m2·k1157777程数1使用材料碳钢碳钢管子规格.5管数 467管长 mm4500管间距 mm32排列方式正三角型折流挡板型式上下间距 mm300切口高度25%8. 符号说明表符号说明符号说明ui管内流体流速管内流体导热系数uo关外流体流速关外流体导热系数pi管内流体压降管内流体传热系数po关外流体压降管外流体传热系数阻力系数粘度9. 结束语这是我第一次做设计，在实际任务还没下达时，觉得自己又能里而且会很快完成的，可当真正做的时候才觉得自己有些力不从心，有很多不懂得的，还有很多要我们去学习、去探讨、去发展。在这次设计中我最大的收获就是：1.知道了团队精神的重要性，我想团队精神主要在协作和互补两方面；2.是我认识到了我的不足之处，首先就是对专业知识了解太少，对已经学过的知识理解不深；3.使我学会了怎样查找资料，在实际过程中，用较短的时间查了一些有用的资料;4.对工业生产有了进一步的了解，将所学的理论只是初步的应用到实践中，解决实际问题。今后的学习中，继续努力。 10. 参考资料化工原理（第二版）主编：陆美娟 张浩勤化工原理课程设计 主编：王为国化工装置实用工艺设计 主编：美E.E.路德维希