列管式换热器设计大学论文.doc

X x x x 大 学

课程设计说明书

题目名称： 列管式换热器设计

学 院： 化学化工学院
专业班级： 化工xx班
学生姓名： x x x
指导教师： xxx 老师
完成日期： 2015年1月7日

格式及要求
1、摘 要
1)摘要正文
(小四，宋体)
摘要内容200～300字为易，要包括目的、方法、结果和结论。
2）关键词 XXXX；XXXX；XXXX (3—8个主题词)
(小四，黑体)
2、目录格式
目 录(三号，黑体，居中)
1 XXXXX（小四，黑体） ……………………………………………1
1.l XXXXX(小四，宋体) ……………………………………………2
1.1.1 XXXXX(同上) …………………………………………………3
3、说明书正文格式：
1. XXXXX (三号，黑体)
1．1 XXXXX(四号，黑体)
1.1.1 XXXXX(小四，黑体)
正文：XXXXX(小四，宋体)
（页码居中）
4、 参考文献格式：
列出的参考文献限于作者直接阅读过的、最主要的且一般要求发表在正式出版物上的文献。参考文献的著录，按文稿中引用顺序排列。
参考文献内容(五号，宋体)
示例如下：
期刊——[序号]作者1，作者2…，作者n．题(篇)名，刊名(版本)，出版年，卷次(期次)。
图书——[序号]作者1，作者2…，作者n．．书名，版本，出版地，出版者，出版年。
5、.纸型、页码及版心要求：
纸 型： A4，双面打印
页 码： 居中，小五
版心距离：高：240mm(含页眉及页码)，宽：160mm
相当于A4纸每页40行，每行38个字。
6、量和单位的使用：
必须符合国家标准规定，不得使用已废弃的单位。量和单位不用中文名称，而用法定符号表示。

xxxx大 学
课程设计任务书
14/15学年 上学期 15 年1月7日
专业
化学工程与工艺
班级
xxxx班
课程名称
化工设计
设计题目
列管式换热器设计
指导教师
xxx
起止时间
2015.1.4-2015.1.9
周数
1
设计地点
图书馆
设计目的：
作为本专业的专业基础课，化工设计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：
物料
流量 kg/h
组成（含乙醇量）mol%
温度 ℃
操作压力　MPa
进口
出口
釜液
12800
5
95
58　
0.9
原料液
13620
10
15
50
0.5

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2天，计算2天，说明书撰写1天，整理半天。
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 天津大学出版社 贾绍义 柴诚敬 主编
化工原理课程设计 天津大学出版社 贾绍义 柴诚敬 主编
年 月 日

列管式换热器设计
学号:20131704xxxxxx 姓名：xxx
(xxxxxx, 乌鲁木齐 830000)

摘要：换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。
列管式换热器（又称管科时换热器）是应用最广泛的间壁式换热器。列管式换热器主要有壳体、管束、折流挡板、管板和封头等部分组成。管束两端固定在管班上，管板外是封头，供管程流体的进入和流出，保证各管中的流动情况一致。常用的折流挡板有圆缺型和圆盘型两种，圆缺型挡板应用最广泛。
关键字：乙醇水溶液；列管式换热器；设计

目录

1.引言 1
1.1列管式换热器按不同方式的不同分类 1
1.1.1固定管板式 1
1.1.2 U形管式 1
1.1.3浮头式 1
1.2 列管式换热器的选用及设计原则 1
1.2.1形式与结构的选定 1
1.2.2管程和壳程的确定 2
2.确定设计方案 3
2.1选择换热器的类型 3
2.2 流动空间及流速的确定 3
3．确定物性数据 3
4. 计算总传热系数 4
4.1 T2的计算 4
4.2 平均传热温差 4
4.3管程传热系数 4
4.4传热面积的计算 5
4.5工艺结构尺寸 5
4.5.1管径和管内流速 5
4.5.2管程数和传热系数 5
4.5.3平均传热温差校正及壳程数 5
4.5.4 传热管排列和分程方法   6
4.5.5壳体内径 6
4.5.6折流板 6
4.5.7 接管 6
4.6换热器核算 7
4.6.1热量核算 7
4.6.2换热器内流体的流动阻力 8
列管式换热器主要结构和计算结果表 10
列管式换热器结构和换热器排列方式 11
总结 12
致谢 13
参考文献 14
符号说明 15

xxxxxx化学化工学院

1.引言
1.1列管式换热器按不同方式的不同分类
1.1.1固定管板式
固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。
1.1.2 U形管式
U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。
1.1.3浮头式
换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。
1.2 列管式换热器的选用及设计原则
1.2.1形式与结构的选定
(1) 固定管板式与浮头式的选择
固定管板式与浮头式相比，其结构简单，造价低(约相差20%)，所以在工艺条件允许时应优先使用。但固定管板式的管束与壳体要承受较大的膨胀应力，且管束无法抽出清扫，故当冷热两流体的极限温度超过50℃或壳程流体易生垢、有腐蚀时应当选用浮头式。
(2) 管束形式及管径、管长的选择
目前，国产浮头换热器系列中，F、FA型为Ф19×2mm管子，正三角形排列；FB型为Ф25×2.5mm管子，正方形斜转450排列。正三角形排列单位传热面金属耗量低，小管径有利于传热，还可承受较高的压力，但壳程不易清扫，故只与壳程流体洁净时才优先选用FB系列。
固定管板换热器系列中管长有1.5、2、3、6m四种；浮头式只有3、6m两种，对单位传热面积而言，长管比短管节省金属，对炼油厂常用的大型换热器，一般都采用≥6m长的管子。
(3) 折流挡板的选择
前已述及，安装折流挡极可以提高壳程流体的速度，使端流程度加剧，以提高壳程对流传热系数。下面就常用的横向圆缺形折流挡板作一简要介绍。
圆缺形折流挡板切去的弓形高度约为外壳内径的10%～40%，一般取20%～25%。因形缺口太大或太小都会产生"死角"不利于传热。两相邻折流挡板间的距离(板间距)B约为外壳内径的0.2～1.0倍。系列标准中采用的B值，对固定管板式的有150、300和600mm三种；对浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过大时，不能保证流体垂直地流过管束，使壳程对流传热系数下降；板间距过小时，不仅制造、检修困难，且阻力损失也大。
(4)壳径的选定
壳径越大，单台换热器传热面积越大，单位传热面金属耗量越低，即用一台大换热器比用多台小型换热器经济。但壳径的选择还需根据壳程流速及壳程数对平均温差的影响综合考虑。
1.2.2管程和壳程的确定
主要是根据流体的性质、流量、生垢及腐蚀情况等因素，并依据有利传热、减少压降、便于操作与清扫等原则来确定。一般可按下列原则处理：
(1)不洁净或易结垢的流体应流经易清洗的一侧。对于固定管板式换热器上述物料应流经管程，而对于U形管式换热器应流经壳程，对浮头式换热器，流经管程或壳程均可。
(2)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体应流经管程。
(3)具有腐蚀性的流体应流经管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。
(4)压力高的流体宜流经管程，以免壳体受压。
(5)饱和蒸筑或沸腾液体应走壳程。因有相变化时对流传热系数很大，不需要用提高流速的方法来强化传热过程，同时也便于排出冷凝液。
(6)粘度大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在设有折流挡板的壳程中流动低的雷诺数(Re >100)下即可达揣流，以利于提高壳程的对流传热系数。
(7)需要冷却的流体一般流经壳程，便于散热。
以上各点往往不能同时兼顾，应视具体问题，首先考虑流体的压力、防腐蚀及清洗等要求，综合、权衡考虑，以便作出较恰当的选择。
管子的排列方式及管间距的确定。
管子在管板上排列的原则是：管子在整个换热器的截面上均匀分布，排列紧凑，结构设计合理，方便制造并适合流体的特性。其排列方式通常为等边三角形与正方形两种，也有采用同心圆排列法和组合排列法。
在一些多程的列管换热器中，一般在程内为正三角形排列，但程与程之间常用正方形排列，这对于隔板的安装是很有利的，此时，整个管板上的排列称为组合排列。
对于多管程的换热器，分程的纵向隔板占据了管板上的一部分面积，实际排管数比理论要少，设计时实际的管数应通过管板布置图而得。
在排列管子时，应先决定好管间距。决定管间距时应先考虑管板的强度和清理管子外表时所需的方法，其大小还与管子在管板上的固定方式有关。
2.确定设计方案
2.1选择换热器的类型
两流体温的变化情况：热流体进口温度95℃ 出口温度58℃,冷流体进口温度15℃，出口温度为50℃。根据初步估算平均温差小于5000C,所以选用列管式换热器。它的结构简单，造价低廉，应用广泛。
2.2 流动空间及流速的确定
由于物料的操作温度和原料液的污垢系数大于釜液的污垢系数综合考虑，应使釜液走管程，原料液走壳程。选用Ф25×2.5的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s。
3．确定物性数据
对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为
冷流体的定性温度：（15+50）/ 2 = 32.5℃
热流体的定性温度：（95+58）/ 2 = 76.5℃
查物性数据表得:
32.5℃时乙醇的物性数据:
ρ=785 λ=0.8115 =0.95 =2.159
32.5℃时水的物性数据：
ρ=994.83 λ= 0.621 =0.7462 =4.174
76.5℃时水的物性数据：
ρ=973.9 λ= 0.672 =0.439 =4.1852
76.5℃时的乙醇的物性数据：
ρ=740 λ= 0.171 =0.430 =3.205
物料
密度(Kg/m)
粘度（u/mpa·s）
热容Cp(KJ/Kg·℃)
导热系数（W/m℃）
5%的乙醇水溶液
962.2
0.439
4.136
0.647
10%的乙醇水溶液
973.8
0.783
4.009
0.640

4. 计算总传热系数
4.1 T2的计算
已知T=95℃. t1＝15℃. t2＝50℃ mc = 136200Kg/h mh= 100600Kg/h
Qc = mcCpc△t = 13620/3600×4.009×103×(50-15)= 5.31×105 J
= △T = 10060/3600×4.316×10^3×(95-T2)= Qc
则=49.1℃
4.2 平均传热温差

4.3管程传热系数

根据经验，初步估计壳程传热系数2000
污垢热阻
0.000327
0.000335
管壁的导热系数45

4.4传热面积的计算

考虑到安全性问题，留15%的裕度，S=S’(1+15%)=20.10×1.15=23.11
4.5工艺结构尺寸
4.5.1管径和管内流速
选用φ25×2.5冷拔无缝钢管，取管内流速0.5
4.5.2管程数和传热系数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数

按单程管计算，所需的传热管长度
m
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长=6m,
则该换热器的管程数为:
（取整）
则换热器管子的总根数为根
4.5.3平均传热温差校正及壳程数

按单管程设计，三壳程，温差校正系数应差有关图表。查图可得
℃
4.5.4 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=1.25d0，则
t=1.25×25=31.25≈32㎜
横过管束中心线的管数
根
4.5.5壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率为η＝0.7，则壳体直径为
D=
按卷制壳体的进级档壳体直径应取D=400mm。
4.5.6折流板
采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：
h=0.25×400=100mm
取折流板间距B=0.3D，则
B=0.3×400=120mm
折流板数目块
折流板圆缺面水平装配。
4.5.7 接管
壳程流体进出口接管：取接管内冷流体流速为，则接管内径为：

取标准管径为60mm
管程流体进出口接管：取接管内冷流体流速为，则接管内径为：

取标准管径为60mm
4.6换热器核算
4.6.1热量核算
(1)壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩法计算得：

管子按正三角形排列传热当量直径为：
0.020m
壳程流通截面积：

壳程流体流速及其雷诺数分别为：

普朗特数：
粘度校正：

(2)管程对流传热系数

管程流体流通截面积：
m
管程流体流速：
m/s

普朗特数：

(3)总传热系数
(4)传热面积S为：

该换热器的实际传热面积为

该换热器的面积裕度为H：

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
4.6.2换热器内流体的流动阻力
（1）管程流体阻力

式中Ft——结垢校正系数，无因次，Φ25×2.5mm的换热管取1.4；
, ,

由Re=2.2×104，传热管相对粗糙度，查莫狄图，流速u=0.490m/s, ,所以直管压降可按范宁公式计算 ：
pa
回弯管压降由经验公式得：

管程流体阻力在允许范围之内。
（2）壳程流体阻力：

,
流体流经管束的阻力：

F=0.5

流体流过折流板缺口的阻力

其中B=0.12m，D=0.40m 则

总阻力：
壳程流动阻力也比较合适。
列管式换热器主要结构和计算结果表

换热器的形式：固定板式
换热面积（m2）:28.91
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
釜液
原料液
操作温度（0C）
95/58.9
15/50
流量（Kg/h）
12800
13620
流体密度(Kg/m3)
962.2
973.8
流速(m/s)
0.490
0.216
传热量(J)
5.31×105
总传热系数W/(m2.0C)
594.4
对流传热系数W/(m2.0C)
3263
2000
阻力降（KPa）
6.695
7.235
污垢热阻(m2.0C)/W
0.327×10-3
0.335×10-3
程数
3
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢

管子规格
Φ25×2.5
折流切高度：25%
折流方式：
上下
管间距
32
管数
72
壳体内径，mm
400
管子排列方式
正三角形
管长/m
6
折流间距（mm）
120
列管式换热器结构和换热器排列方式

总结
时间如流水，转眼之间我们的设计即将结束。本次设计是今年来任务最重，耗时最多，最为重要，然而这次设计让我受益匪浅。在设计即将结束之际，我对这次设计进行了总结。
首先，这次设计对培养我的实际工程能力具有重要意义。通过设计，我把先修课程中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以动用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。这次设计，初步培养了我对换热容器设计的能力；树立正确的设计的思想；掌握一些容器设计有基本方法和步骤，为以后进行设计工作打下了良好的基础。另外还使我能训练地应用有关参考资料、计算图表、手册；熟悉有关的国家标准，为成为一个工程技术人员在培养基本技能。
其次，我从这次设计中得到了以下经验：
一、设计前应做好计划
 学习计划
在设计前进行相关知识的系统学习，包括过程设备的结构特点以及AUTOCAD软件的熟悉；设计时对此设计内容进行学习。
二、设计中应做到以下几点：
1.学习相关基础知识。
2.借鉴以前的实例，对别人的设计多问几个为什么。
3.向指导老师请教，与同学讨论。
三、关于计算
首先，计算公式必须符合规范的要求，在多种公式中选择更安全、更合理的公式；其次，计算的步骤可以参照以往的计算书或者其它资料，计算的每一步结果都要确保正确；最后，要认真地对计算书进行检查校正。
最后，我想说：通过这次设计，使我的各方面的能力得到提高和增强，不仅在计算机能力得到提高，还有增强了我的独立思考和创新能力。但是由于水平的有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请老师和同学批评指正。
致谢
本设计是在xxx老师的帮助和指导下完成的，在设计的选题以及设计的方法上，赵老师给了我们莫大的帮助与关怀。在这里，谨向赵老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。
在大学一年半的时间，老师们循循善诱的教导我们，为我们的付出了无数的汗水，还要感谢化学化工学院的各位领导和老师在大学一年半年来对我们的辛勤培育与教导。
时间过得很快，一学期的生活快要结束了。在这最后的时间里，我得到了同学的很多帮助。我们在一起设计，互相讨论，互相请教问题，大家共享资料。在我碰到困难的时候，他们帮我渡过了难关。这般友谊，弥足珍贵，我不会忘记。
谢谢你们！

参考文献
⑴. 化工原理——陆美娟，张浩勤，化学工业出版社，2011。
⑵. 换热器设计手册——钱颂文，化学工业出版社，2002。
⑶. 常用化工单元设备设计——李功祥，陈兰英，崔英德，华南理工大学出版，2003。
⑷. 化工原理课程设计——贾绍义，柴诚敬，天津大学出版社，2002。
⑸. 过程设备设计——郑津洋，董其伍，桑芝富，化学工业出版社，2001。
⑹. 化工原理——王志魁，化学工业出版社，2005。
⑺. 化工设备设计——聂清德，化学工业出版社，1991。

符号说明
A——传热面积，
——管数
——导温系数，
——传热速率
——热通量
——质量定压热熔
——污垢热阻
D——换热器内径， m；
S——截面积，
——校正系数；
T——热流体温度，

h——挡板间距，m
K——换热系数，
L——管长，m
——折流挡板数
——管程数

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