换热器课程设计.doc

成绩

化工原理课程设计
设计说明书

设计题目：换热器课程设计

化工原理课程设计任务书

一、设计任务及操作条件
某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102℃冷却至40℃。已知有机料液的流量为（2.5－0.01×20）×104 =23000kg/h，循环冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。
已知:定性温度下流体物性数据

物性
流体
密度
kg/m3
粘度
Pa·s
比热容CP
kJ/（kg·℃）
导热系数
W/（m·℃）
有机化合液
986
0.54*10-3
4.19
0.662
水
994
0.728*10-3
4.174
0.626
注：若采用错流或折流流程，其平均传热温度差校正系数应大于0.8
二、确定设计方案
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102℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温40℃，管程压降与壳程压降均不大于60kPa，壳程压降不高，因此初步确定选用固定板式换热器。
2.管程安排
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，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，有机化合液走壳程。
三、确定物性数据
定性温度：对于一般气体和水等低粘度立体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程的有机化合液的定性温度为
T
管程流体的定性温度为
t=
根据定性温度分别查取壳程流体和管程流体的有关物性数据。
有机化合液的有关物性数据如下：
密度
粘度 0.54*10-3 Pa·s
比热容 =4.19 kJ/（kg·℃）
导热系数 λ=0.662 W/（m·℃）
循环水的有关物性数据如下：
密度
粘度 0.728*10-3 Pa·s
比热容 =4.174 kJ/（kg·℃）
导热系数 λ=0.626 W/（m·℃）

四、估算传热面积
1、热流量
Q=
=23000*4.19*（102-40）=5974940 kJ/h=1659.7kw
2、平均传热温差
先按照纯逆流计算，得

3、传热面积
由于有机化合液的粘度为0.54*10-3 Pa·s，假定总传热系数
K=300W/（.℃），则传热面积为
=194.12

4、冷却水用水量=39.76kg/s=143146kg/h
五、工艺结构尺寸
1、管径和管内流速 选用Φ25*20较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速=1.5m/s。
2、管程数和传热管数 可依靠传热管内径和流速确定单程传热管数
=85

按单程管计算，所需的传热管长度为
=29m
按单程管设计，宜采用多管程结构。现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为

传热管总根数 Nt=340
3、传热温差校平均正及壳程数
平均温差校正系数：

按单壳程，双壳程结构，查得温差修正系数得

平均传热温差
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。
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 ，则t=1.25*25=31.35=32mm
隔板中心到离其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22mm
各程相邻管的管心距为44mm。
管数的分程方法，每程各有传热管85根。
5、壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率=0.75，则壳体内径为：
D=
按卷制壳体的进级档，可取D=800mm
筒体直径校核计算：
壳体的内径应等于或大于管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：=t（-1）+2e
因为管子安正三角形排列：=
取e=1.2*20=24mm
所以=32*（20-1）+2*34=676mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：=800mm
6、折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去折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*800=200
取折流板间距B=0.3D，则B=0.3*800=240mm，可取B为240mm。
折流板数目N=传热管长/折流板间距-1=7000/240-1=27
7、其他附件
拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为800mm，故其拉杆直径为12mm最少拉杆数8。
8、接管
壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为u=0.2m/s，则接管内径为

圆整后可取管内径为210mm
管程流体进出口接管：取接管内液体流体u=1 m/s，则接管内径为

圆整后可取管内径为230mm
六、换热器核算
1、热流量核算
（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算

当量直径

壳程流通截面积：

壳程立体流速及其雷诺数分别为

普朗特数

粘度校正

（2）管内表面传热系数：

管程流体流通截面积：

管程流体流速：

雷诺数：
普朗特数：

（3） 污垢热阻和管壁热阻：
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
管壁热按查得碳钢在该条
件下的热导率为50w/(m·K)。所以
（4） 传热系数有：

（5） 传热面积裕度：
计算传热面积Ac：

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，该换热器能够完成生产任务。
2. 壁温计算
因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式计算。由于该
式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为
0.4×40+0.6×30=34℃
(102+40)/2=71℃
6629w/㎡·K
3046w/㎡·K
传热管平均壁温
℃
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=71℃。壳体壁温和传热管壁温之差为 ℃。
因此，需选用固定板式换热器较为适宜。
3．换热器内流体的流动阻力
（1）管程流体阻力

, ,
由Re=40691，传热管对粗糙度0.01，查图得，流速=1.5m/s,
, 所以：

管程流体阻力在允许范围之内。
（2） 壳程阻力：
按式计算
, ,
流体流经管束的阻力

F=0.5

0.5×0.2419×20×(27+1)×=1335.7Pa
流体流过折流板缺口的阻力
, B=0.24m , D=0.8m
Pa
总阻力
1335.7+1544.8=2880.4Pa
所以壳程流体的阻力适宜。

3）换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：
参数
管程
壳程
流率
143146
23000
进/出口温度/℃
40/30
102/40
压力/kPa
<60
<60
物性
定性温度/℃
35
71
密度/（kg/m3）
994
986
定压比热容/[kj/（kg•K）]
4.174
4.19
粘度/（Pa•s）
0.728×
0.54×
热导率（W/m•K）
0.624
0.662
普朗特数
4.85
3.42
设备结构参数
形式
固定板式
壳程数
1
壳体内径/㎜
800
台数
1
管径/㎜
Φ25×2.5
管心距/㎜
32
管长/㎜
7000
管子排列
正三角形排列
管数目/根
340
折流板数/个
27
传热面积/有机
186.83
折流板间距/㎜
240
管程数
4
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
1.5
0.2
表面传热系数/[W/（㎡•K）]
6629
3046.3
污垢热阻/（㎡•K/W）
0.0006
0.0004
阻力/ Pa
57030.75
2880.4
热流量/KW
1659.7
传热温差/℃
25
传热系数/[W/（㎡•K）]
400
裕度/%
28%

七、结构设计
1、固定管板及法兰结构设计：
由于换热器的内径已确定，采用标准内径、固定定管板外径及各结构尺寸，结构尺寸为：
公称直径
D

b
c
d
螺栓孔数
800
930
890
798
843
40
10
23
36
2、管板与壳体的连接
在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，前者的结构是在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合。
3、管子与管板的连接
管子与管板的连接是管壳式换热器制造中最主要的问题。对于固定管板换热器，除要求连接处保证良好的密封性外，还要求接合处能承受一定的轴向力，避免管子从管板中拉脱。
管子与管板的连接方法主要是胀接和焊接。胀接是靠管子的变形来达到密封和压紧的一种机械连接方法，如图1-13所示。当温度升高时，材料的刚性下降，热膨胀应力增大，可能引起接头的脱落或松动，发生泄露。一般认为焊接比胀接更能保证严密性。对于碳钢或低合金钢，温度在300℃以上，蠕变会造成胀接残余应力减小，一般采用焊接。
焊接接口的形式见图1-14。图1-14（a）的结构是常用的一种；为了减少管口处的流体阻力或避免立式换热器在管板上方滞留的液体，可采用图1-14（b）的结构；为了不使小直径管子被熔融的金属堵住管口，则可改成图1-14（c）的结构；图1-14（d）的形式适用于易产生热裂纹的材料，但加工量大。

胀接和焊接方法各有优缺点，在有些情况下，如对高温高压换热器，管子与管板的连接处，在操作时受到反复热变形、热冲击、腐蚀与流体压力的作用，很容易遭到破坏，仅单独采用胀接或焊接都难以解决问题，如果采用胀焊结合的方法，不仅能提高连接处的抗疲劳性能，还可消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命。目前胀焊结合的方法已得到比较广泛的。

八、对设计的评述
在刚开始做课程设计时，觉得好难，没有一点头绪，不知道从哪里下手，就按照设计书上的例子一部部计算，其中很多东西都要查表，感觉很复杂，很烦！修改重算过很多次，结果一直都不怎么让人满意。在熟悉整个计算过程后理清了思路，发现计算简单了。我想开始是由于过于盲目，没有科学地规划，以至于一直处在在盲目的计算、改数字、再次计算这个阶段。
这次化工原理课程设计给我留下了极深的印象，也让我有很大的收获。化工原理课程设计是旨在学生的工程设计能力，对所学知识进行一次综合性训练。这次我们对换热器进行了设计。将设计题目、设计内容与生产实践相结合，设计题目来源于生产实际，具有实际意义。课程设计与计算机使用相结合。设计中要求我们根据设计任务，用计算机进行辅助设计，设计计算与 CAD 设计相结合，应用CAD绘制符合工程设计制图的要求的图纸，在设计过程中采用 AutoCAD 辅助设计、绘图。
通过这次设计使我对所学知识的综合应用能力、分析和解决工程实际问题能力和计算机的应用能力等方面都得到了提高，为今后的工作做了必要的准备，对我们很有帮助。

九、参考书目:
1、 姚玉英 . 化工原理 ,上册.天津:天津大学出版社,2010
2、 王国胜 . 化工原理课程设计.大连:大连理工大学出版社,2011

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