换热器专业课程设计.doc

成绩

东南大学成贤学院
化工原理课程设计
阐明书

设计题目：管壳式换热器设计
姓 名： 董佳琦
专 业： 化学工程与工艺
班 级： 11化工2班
学 号： 06111201
指引教师： 姚刚
设计地点 成贤院315
设计时间：09月02日至09月12日
完毕时间：09月12日

目录

前言…………………………………………………………………………………………3
1.管壳换热器设计书……………………………………………………………………6
2.设计方案拟定…………………………………………………………………………6
2.1.管壳换热器型式…………………………………………………………………6
2.2.流程选取…………………………………………………………………………6
3.拟定流体定性温度、物性数据并选取列管换热器型式……………………………6
3.1.定性温度……………………………………………………………………………7
3.2.物性参数……………………………………………………………………………7
4.换热器工艺计算…………………………………………………………………………7
4.1.估算总传热系数………………………………………………………………………7
4.1.1.热流量…………………………………………………………………………7
4.1.2平均传热温差…………………………………………………………………7
4.1.3．冷却剂水用量………………………………………………………………8
4.1.4. 选用K值，估算总传热系数………………………………………………8
4.2估算传热面积…………………………………………………………………………8
5. 换热器工艺构造尺寸设计………………………………………………………………8
6. 5.1.管径和管内流速………………………………………………………………………8
5.2.管程数和传热管数……………………………………………………………………8
5.3.传热管排列和分程办法………………………………………………………………8
5.4.计算平均传热温差……………………………………………………………………9
5.5.壳体内径………………………………………………………………………………9
5.6.折流板…………………………………………………………………………………9
5.7.计算壳程流通面积及流速……………………………………………………………9
5.8.计算管程流通面积及流速 ………………………………………………………… 10
6. 换热器核算…………………………………………………………………………………10
6.1传热系数校核………………………………………………………………………10
6.1.1．传热面积………………………………………………………………………10
6.1.2.核算总传热系数…………………………………………………………………11
6.1.3.污垢热阻…………………………………………………………………………11
6.1.4对流传热系数……………………………………………………………………11
6.1.5壳体对流传热系数………………………………………………………………11
6.1．6.传热面积…………………………………………………………………………11
6.2．换热器内流体流动阻力………………………………………………………………12
6.2.1.管程流动阻力……………………………………………………………………12
6.2.2.壳程流动阻力……………………………………………………………………12
7. 换热器重要构造尺寸和计算成果…………………………………………………………13
8.在ChemCAD中成果……………………………………………………………………………14
9.附图 ……………………………………………………………………………………………15
10.总结……………………………………………………………………………………………17
11.参照文献………………………………………………………………………………………17

前 言
换热器是化工、炼油工业中普遍应用典型工艺设备。在化工厂，换热器费用约占总费用10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其她部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛应用。因而，设计和选取得到使用、高效换热器对减少设备造价和操作费用品有十分重要作用。
在不同温度流体间传递热能装置称为热互换器，即简称换热器，是将热流体某些热量传递给冷流体设备。
换热器类型按传热方式不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表2-1所示。

表2-1 传热器构造分类
类型
特点

间

壁

式

管

壳

式

列

管

式
固定管式
刚性构造
用于管壳温差较小状况（普通≤50℃），管间不能清洗
带膨胀节
有一定温度补偿能力，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
管间容易泄露，不适当解决易挥发、易爆炸及压力较高介质
内填料函
密封性能差，只能用于压差较小场合
釜式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮
双套管式
构造比较复杂，重要用于高温高压场合和固定床反映器中
套管式
能逆流操作，用于传热面积较小冷却器、冷凝器或预热器
螺旋管式
沉浸式
用于管内流体冷却、冷凝或管外流体加热
喷淋式
只用于管内流体冷却或冷凝
板面式
板式
拆洗以便，传热面能调节，重要用于粘性较大液体间换热
螺旋板式
可进行严格逆流操作，有自洁作用，可用做回收低温热能
伞板式
构造紧凑，拆洗以便，通道较小、易堵，规定流体干净
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
合用于容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，合用于从高温炉气中回收热能场合

1.管壳式换热器
管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用原则换热设备，它具备构造简朴，结实耐用，造价低廉，用材广泛，清洗以便，适应性强等长处，应用最为广泛。管壳式换热器依照构造特点分为如下几种：

（1） 固定管板式换热器
固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起，此类换热器构造简朴，价格低廉，但管外清洗困难，宜解决两流体温差不大于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢物料。
带有膨胀节固定管板式换热器，其膨胀节弹性变形可减小温差应力，这种补偿办法合用于两流体温差不大于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa状况。
（2） 浮头式换热器
浮头式换热器管板有一种不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳膨胀无关。浮头式换热器管束可以拉出，便于清洗和检修，合用于两流体温差较大各种物料换热，应用极为普遍，但构造复杂，造价高。
（3） 填料涵式换热器
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，构造简朴，造价低，但壳程流体有外漏也许性，因而壳程不能解决易燃，易爆流体。

2.蛇管式换热器
蛇管式换热器是管式换热器中构造最简朴，操作最以便一种换热设备，普通按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。

3.套管式换热器
套管式换热器是由两种不同直径直管套在一起构成同心套管，其内管用U型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其长处是构造简朴，能耐高压，传热面积可依照需要增减，恰本地选取管内、外径，可使流体流速增大，两种流体呈逆流流动，有助于传热。此换热器合用于高温，高压及小流量流体间换热。

1 平盖 2 平盖管箱(部件) 3 接管法兰 4 管箱法兰 5 固定管板 6 壳体法兰 7 防冲板 8 仪表接口 9 加强圈 10 壳体(部件) 11 折流板 12 旁路挡板 13 拉杆 14 定距管 15 支持板 16 双头螺柱或螺栓 17 螺母 18 外头盖垫片 19 外头盖侧法兰 20 外头盖法兰 21 吊耳 22 放气口 23 凸形封头 24 浮头法兰 25 浮头垫片 26 球冠形封头 27 浮动管板 28 浮头盖(部件) 29 外头盖(部件) 30 排液口 31 钩圈 32 接管 33 活动鞍座(部件) 34 换热管 35 挡管 36 管束(部件) 37 固定鞍座(部件) 38 滑道 39 管箱垫片 40 管箱圆筒(短节) 41 封头管箱(部件) 42 分程隔板
换热器材质选取
在进行换热器设计时，换热器各种零、部件材料，应依照设备操作压力、操作温度。流体腐蚀性能以及对材料制造工艺性能等规定来选用。固然，最后还要考虑材料经济合理性。普通为了满足设备操作压力和操作温度，即从设备强度或刚度角度来考虑，是比较容易达到，但材料耐腐蚀性能，有时往往成为一种复杂问题。在这方面考虑不周，选材不当，不但会影响换热器使用寿命，并且也大大提高设备成本。至于材料制造工艺性能，是与换热器详细构造有着密切关系。

普通换热器惯用材料，有碳钢和不锈钢。
（1）碳钢
价格低，强度较高，对碱性介质化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性规定环境中应用是合理。
（2） 不锈钢
奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是原则18-8奥氏体不锈钢，有稳定奥氏体组织，具备良好耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列构造紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，构造更为紧凑。国内换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。
正三角形排列构造紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，构造更为紧凑。国内换热器系列中，固定管板式多采正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

1．化工原理课程设计任务书
设计题目：水冷却氯苯换热器设计
设计任务书：
操作条件 ：①氯苯：入口温度120℃，出口温度21℃
②冷却介质：河水，入口温度20℃
③容许压强降：不不不大于100KPa
④每年按330天计，每天24小时持续运作
解决能力：41万吨/年
设备型式：管壳式换热器
设计规定：
1.选定管壳式换热器种类和工艺流程
2.管壳式换热器工艺计算和重要工艺尺寸设计
3.设计成果概要或设计成果一览表
4.设备简图（规定按比例画出重要构造及尺寸）
5.对本设计评述及关于问题讨论

2．设计方案拟定
2.1.管壳换热器型式：
用河水做冷却剂时，出口温度不适当超过40度，选定出口温度为30度。两流体温变化状况：热流体进口温度120℃，出口温度21℃；冷流体进口温度20℃，出口温度为30℃，该换热器用循环河水冷却，冬季操作时，其进口温度会减少，考虑到这一因素，预计该换热器管壁温度和壳体温度之差较大，两侧温差比较大。而列管式换热器在生产中被广泛运用。它构造简朴、结实、制造较容易、解决能力大、适应性大、操作弹性较大。特别在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。故因而初步拟定选用列管式换热器。
2.2流程选取：
从两物流操作压力看，应使氯苯走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器热流量下降，因此从总体考虑，应使循环水走管程，氯苯走壳程。

3. 拟定流体定性温度、物性数据并选取管壳换热器型式
3.1.定性温度
定性温度：可取流体进出口温度平均值。

氯苯定性温度为：

水定性温度为：

管程冷却水定性温度为t=25(°C) 壳程氯苯定性温度为T=70.5(°C)

3.2.物性参数
依照在定性温度，分别查询壳程和管程流体关于物性数据。

氯苯 在70.5°C下关于物性数据如下：
密度 ρ0=1053 ㎏/ m3
定压比热容 Cp0=1.47 kJ/（kg.k）
导热系数 l λ0=0.118 （W/m.k）
粘度 η0=0.00045（Pa.s）

循环冷却水在25°C下关于物性数据如下：
密度 ρi=995.6 ㎏/ m3
定压比热容 cpi=4.18kJ/（kg.k）
导热系数 l λi=0.613 （W/m.k）
粘度 ηi=0.000801（Pa.s）

4.换热器工艺计算
4．1估算总传热系数
4．1.1热流量（忽视热损失）

4．1．2平均传热温差（忽视热损失）

4．1. 3冷却水用量

4．1．4估算总传热系数

选用K值=489W/(㎡.℃)
4. 2 估算传热面积
由Q=KA△tm 得

5．换热器工艺构造尺寸设计
5.1管径和管内流速
选用碳钢管，管内流速取。
5.2管程数和传热管数
根据传热管内径流速拟定单程传热管数：

按单程管计算，所需传热管管长度为：

由上面计算成果可知，按单程管设计话，传热管过长，应当采用多管程构造。现取传热管长l=9m，则该换热器管程数为：

传热管数量为：
5.3传热管排列和分程办法
采用组合排列办法，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,则
t=1.25×25≈32mm
横过管束中心线管数：
5.4.计算平均传热温差
计算逆流平均温差

由R和P查“查化工原理课程设计指引图2-6(a)”得
因两流体平均温差为：

5.5.壳体内径
壳体是一种圆筒形容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。
采用多管程构造，取管运用率η=0.7，则壳体内径为：

圆整可取D=700mm。
5.6.折流板
安装折流板目是为了加大壳程流体湍流速度，使湍流速度加剧，提高壳程流体对流传热系数。在壳程管束中，普通都装有横向折流板，用以流体横向穿过管束，增长流体速度，以增强传热，同步用以支撑管束、防止管束震动和管子弯曲作用。弓形折流板简朴，性能优良，在实际中最惯用。本次设计采用弓型折流板。
①圆缺高度
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径35%，则圆缺高度为：
h=0.35×0.7=0.25m，
②折流板间距
折流板间距B=0.21D，则：
B=0.21×0.7=0.15mm，
③折流板数
折流板数
5.7.计算壳程流通面积及流速

壳程流通截面积：

壳程流体流速极其雷诺数分别为：

5.8.计算管程流速
管内柴油流速：
雷诺数：
6.换热器核算
6.1传热系数校核
6.1．1．壳体对流传热系数
对圆缺形折流板，可用Kern公式：

当量直径：

普朗特准数：
粘度校正：≈1，则

6.1．2．对流传热系数
普朗特准数：
则管程对流传热系数为：

6．1．3.污垢热阻

6．1．4.计算总传热系数
以表面为基准计算总传热系数，由下式可得：

6.1．5.核算总传热系数

6.1．6.传热面积

该换换热器实际传热面积：

该换热器面积裕度为：

传热面积裕度适当，该换热器可以完毕生产任务。

壳程流动阻力在容许范畴内。

6.2换热器内流体流动阻力
6.2.1.管程流动阻力

， ，
由Re=24859，传热管对粗糙度0.01m，查莫狄图得，流速u=0.60m/s,
,因此:

10887.52不大于50K
因此：管程流体阻力在容许范畴之内。

6.2.2.壳程流动阻力
（其中Fs=1.15，Ns=1）

98351.6不大于50K
因此：壳程流体阻力在容许范畴之内

7. 换热器重要构造尺寸和计算成果：
参数
管程
壳程
流率（）
179426
51767.68
进（出）温度/
20/30
120/21
压力/Mpa
<0.1
<0.1

物性
定性温度/
25
70.5
密度
995.6
1053
定压比热容/
4.18
1.47
黏度/pa.s
0.801
0.45
热导率/
0.613
0.118
普朗特数
5.45
5.6

设备构造参数
型式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/mm
700
台数
1
管径/mm

管心距/mm
32
管长/mm
9000
管子排列
正三角形
管数目/根
320
折流板数/个
59
传热面积/
226.08
折流板间距/mm
150
管程数
2
材质
碳钢
重要计算成果
管程
壳程
流速(m/s)
1
0.6
表面传热系数/
4561
37908
污垢热阻/
0.21
0.176
阻力 /kpa
29.90
98.35
热流量/w
2085000
传热温差/
19
传热系数/
537.8
裕度/%
10.8

8.在ChemCAD中成果
SUMMARY REPORT
--------------
General Data： Heat Transfer Data:
Exch Class/Type R/AEL Effective Transfer Area 219.02
Shell I.D. 0.70 Area Required 380.44
Shell in Series/Parallel 1/1 COR LMTD 13.57
Number of Tubes 320 U (Calc/Service) 428.70/744.66
Tube Length 9.00 Heat Calc 4585.74
Tube O.D./I.D. 0.0250/0.0200 Heat Spec 7965.53
Excess % -42.43
Tube Pattern TRI30 Foul(S/T) 1.761E-004/1.761E-004
Tube Pitch 0.03 Del P(S/T) 13.49/50.69
Number of Tube Passes 2 SS Film Coeff 697.13
Number of Baffles 57 SS CS Vel 0.35
Baffle Spacing 0.15 TW Resist 0.000056
Baffle Cut % 21 TS Film Coeff 2801.03
Baffle Type SSEG TS Vel 517.89

Thermodynamics:
K：UNIFAC
H：Latent Heat
D：Library

Number of Components：2

Calculation Mode：Rating

Engineering Units:
Temperature C
Flow/Hour (kg/h)/h
Pressure kPa
Enthalpy MJ
Diameter/Area m/m2
Length/Velocity m/(m/sec)
Film W/m2-K
Fouling m2-K/W

9.附图

10.总 结
课程设计不同于平时作业，在设计过程中需要咱们自己做出决策，即自己拟定方案，选取工艺参数和条件，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己选取做出论证和核算，通过重复分析比较，择优选取最抱负方案和最合理设计。因此这对培养咱们独立工作能力有很大协助。在“列管换热器工艺设计和选用”设计过程中，感觉到理论和实践能力均有一定提高。重要有如下几点：（1）查找资料，选用公式和收集数据能力。设计任务数给出后，有许多数据需要由咱们自己取收集，有些物性参数要查去或估算，计算公式也规定咱们自己选取，这就规定咱们运用各方面知识，通过详细全面考虑才干选定。（2）精确、迅速地进行工程计算能力。设计计算是一种重复试算过程，计算工作量大，这就规定咱们需要有精确迅速能力。（3）综合分析问题能力。课程设计不但规定计算对的，还规定从各方面考虑各种因素，分析设计方案可行性、合理性、从总体上得到最佳成果。

11.参照文献
[1]夏清、贾绍义，《化工原理上册》，天津大学出版社，.1
[2] 贾绍义、柴诚敬，《化工单元操作》课程设计，天津大学出版社，.9
[3]任晓光，《化工原理课程设计指引》，化学工业出版社，.1
[4]申迎华、郝晓刚，《化工原理课程设计》，化学工业出版社，.5