换热器设计固定管板式说课讲解.doc

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化学工程基础课程设计

设计题目： 管壳式换热器（固定管板式）
学生姓名： X X X
专业班级： 1001
学 号： 1115020126
指导教师：

西安科技大学化学与化工学院
2013年1月14日

管壳式换热器设计任务书
一、设计目的
培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力
二、设计目标
设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的
三、设计题目
管壳式换热器设计——固定管板式
四、设计任务及操作条件
1. 设计任务
设备型式：管壳式换热器 ——固定管板式
处理任务：物 料：原油 处理量 4900kg/h
2. 操作条件
（1）热流体(原油)：入口温度140℃; 出口温度40℃
（2）冷却介质：水（入口30℃，出口40℃）
（3）允许压降：不大于0.1MPa
（4）物性数据
原油定性温度下的物性数据

水的定性温度35℃下的物性数据：

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目 录

一、设计概述 2
1、换热器的简单介绍 2
2、设计的目的及意义 3
二、方案设计 4
1、工艺设计计算 4
1.1确定设计方案 4
1.2确定物性数据 4
1.3计算总传热系数 5
1.4计算传热面积 6
2、换热器设备结构设计计算 6
2.1管径和管内流速 6
2.2管程数和传热管数 6
2.3传热管排列和分程方法 7
2.4壳体内经 7
3、换热器的核算 8
3.1面积核算 8
3.2换热器内流体的流动阻力核算 10
三、设计结果一览表 12
四、参考文献 13
五、主要符号说明 14
六、设计感想 15

一、设计概述
1、换热器的简单介绍
换热器（heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。
随着人类社会生活的发展，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。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。近年来，由于科技的快速发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。
1.1换热器的类型
换热器根据不同的方式分类也不同。按传热原理分为表面式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器；按用途分为加热器、预热器、过热器、蒸发器；按结构分为浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。接下来着重介绍浮头式换热器和板式换热器。
浮头式换热器的简介
新型浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。
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。
板式换热器的简介

图二 1—挡板 2—补偿圈 3—放气嘴

板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液—液、液—汽进行热交换的理想设备。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。 板式换热器主要由板式换热器板片和板式换热器密封垫片、固定压紧板、活动压紧板、夹紧螺栓、上导杆、下导杆 、后立柱七部分组成；具有传热系数高对数平均温差大、末端温差小、容易改变换热面积或流程组合、重量轻、价格低、制作方便、容易清洗、单位长度的压力损失大、不易结垢等优点，在实际生产中是用的比较多的一种换热器。
2、设计的目的及意义
换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。
通过本次设计，对本学期所学的化学工程基础进行整体的回顾，查漏补缺，扩宽知识面，了解换热器的类型及用途，熟悉换热器的工艺设计计算、设备结构设计计算和换热器的核算，知道换热器在日常生活中扮演着非常重要角色，掌握课程设计的一般步骤。在工业设计中，根据处理量的不同，选择合适的换热器，为换热系统的节能、低耗和高效益打下坚实的基础。通过设计，使同学们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强课程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风

二、方案设计
1、工艺设计计算
1.1确定设计方案
1）选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时出口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁和壳体壁温之差较大，因此初步选用带膨胀节的固定管板式换热器。
3）流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，原油走壳程。选用Ф25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。
1.2确定物性数据
定性温度：可取流体进出口温度的平均值
壳程油的定性温度：
℃
原油在90℃下的物性数据：
密度
黏度
定压比热容
导热系数
管程流体的定性温度为：
℃
循环冷却水在35℃下的物性数据：
密度
黏度
定压比热容
导热系数
1.3计算总传热系数
热流量

平均传热温差

冷却水用量

总传热系数K
管程传热系数：

壳程传热系数：

由于冷却水较易结垢，查表得，污垢热阻：

管壁的导热系数：

1.4计算传热面积

考虑15%的换热面积裕度，
2、换热器设备结构设计计算
2.1管径和管内流速
选用Φ传热管（碳钢），取管内流速。
2.2管程数和传热管数
依据传热管内径的流速确定单程传热管数：

按单程管计算，所需的传热管长度为：

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L=6m，则该换热器管程数为：

传热管总根数

平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正数：

按单壳程、双管程结构，经查阅资料，得
所以平均传热温差：

2.3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，隔板两侧采用正方型排列。取管心距，则：

横过管束中心线的管数：

2.4壳体内经
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内经为：
圆整可取D=400mm
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为，故可取h=100mm。
取折流板间距B=0.3D，则，可取B为100mm。折流板数
折流板圆缺面水平装配。
壳程流体进口接管：取接管内油品流速为1.0m/s，则接管内径为

取标准管径为50mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为

取标准管径为80mm。
3、换热器的核算
3.1面积核算
1）热量核算
壳程对流传热系数 对圆缺型折流伴，可采用Kren公式

当量直径de由正三角形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及雷诺数分别为

普朗特准数

黏度校正

则壳程对流传热系数

2）管程对流传热系数

管程流通截面积：

管程流体流速

普朗特准数

则管程对流传热系数

3）总传热系数

4）传热面积

该换热器的实际传热面积：
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。
3.2换热器内流体的流动阻力核算
1） 管程流动阻力

由Re=17000,传热管相对粗糙度ε=0.01/20=0.005，查莫狄图得,流速，故有：

<0.1MPa
管程流动阻力在允许范围内。
2） 壳程阻力

流体流经管束的阻力

其中F=0.5，，，

故
流体流过折流板缺口的阻力

其中B=0.10m,D=0.40m

壳程总阻力

壳程阻力也比较适宜。

三、设计结果一览表
表一：换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器型式：固定板板式
管口表
换热面积/㎡：38.2
符号
尺寸
用途
连接型式
工艺参数
a
DN80
循环水入口
平面
名称
管程
壳程
b
DN80
循环水入口
平面
物料名称
循环水
原油
c
DN50
原油入口
凹凸面
操作压力
不大于0.1MPa
d
DN50
原油入口
凹凸面
操作温度/℃
30/40
140/100
e
DN20
排气口
凹凸面
流量/（kg/s）
7.33
1.36
f
DN20
放净口
凹凸面
流体密度/（kg/m³）
994
815
附图

流速/（m/s）
0.62
0.19
传热量/kw
299.2
——
总传热系数/[w/（㎡/k）]
292.3
——

对流传热系数/[w/（㎡/k）]
3247
420.7
污垢热阻/（m2*k/w）
0.000344
0.000172
压降/MPa
0.0070494
0.0080463
程数
2
1
使用材料
碳钢
管子规格
Ф25*2.5
管数
管长/mm
94
6000
管间距/mm
32
排列方式
正三角形
折流板型式
上下
间距/mm
切口高度
100
25%
壳体内径/mm
400
保温层厚度
——

四、参考文献
[1]王国胜.化工原理课程设计.第二版.大连理工大学出版社.200608-02：（60-62）
[2]武汉大学.化学工程基础.第二版.高等教育出版.2009.8.第三章.热量传递
[3]百度百科.换热器.换热器的分类
[4]马江权.冷一欣.化工原理课程设计.中国石化出版社.2008.7（34-38）

附：固定管板式换热器图

五、主要符号说明

原油的定性温度
T
冷却水定性温度
t
原油密度
ρo
冷却水密度
ρ
原油定压比热容
cpo
冷却水定压比热容
cp
原油导热系数
λo
冷却水导热系数
λi
原油粘度
μo
冷却水粘度
μ
热流量
Qo
冷却水用量
Wi
总传热系数

平均传热温差

温差校正系数

管程雷诺数

初算初始传热面积

管程、壳程传热系数

初算实际传热面积
S
传热管数
N
壳体内径
D
管程数

折流板间距
B
横过中心线管数

折流板数

NB
管心距
t
管程压力降

接管内径
d
壳程压力降

当量直径

六、设计感想
在进入大学生活之前，我就告诉自己，大学里，不管做什么事，先不管你做的对不对，一定要注意态度，因为在我心底一直深深的烙印这一句话：态度决定一切。在学习生活中，时常有同学把别人的认真说成是傻Ｂ级行为，每次我都是一笑而过……老师，虽然我不知道，这次的课程设计你看不看，虽然网上有好多模板，但是，我还是把所有的公式编辑完了，老师，你带我们化学工程基础，带我们有机合成实验，说真的，我感谢你，我会记住你的，老师，你是大学里第一个欣赏我做的作业，我很感动，不管是谁，对于我认真做过的事，能够得到别人的认可，在我看来就是一种快乐，一种收获。本次化学工程基础课程设计历时两周，是上大学以来第一次设计。在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
由于第一次接触课程设计，还记得刚开始，当我第一次看到这个题目时——换热器的设计，那种茫然，那种不知所措……什么管程结构设计、壳程结构设计、传热系数等等。几天都没什么进展，大部分同学都不会做。后来，章老师专门为大家提示了一下，按照设计任务书后面的说明，同时参考化工原理课程设计，也可以上网找一些相关资料，终于，有些眉目了，又过了两天，老师给我们发来了这次课程设计的步骤，可以说，为我们这次课程设计指明了大的方向。通过课程设计 使我们初步掌握化工设计的基础知识、 设计原则及方法；掌握各种结果的校核， 能够利用ＣＡＤ画出换热器的基本结构；在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。
我的课程设计题目是固定管板式换热器的设计。物料为原油，处理量为４９００ｋｇ／ｈ，当我有了自己查找的材料时，我找到了我的哥们——小兄弟，我们都把自己找到相关材料集中到一起，然后讨论商量，终于有了自己的模板，后来，我们商定，通过合作，在ｗｏｒｄ中利用公式编辑器编辑出全部的公式，这期间，我们印象都很深刻，那绝对是大学中难忘的日子之一，我相信，毕业了，我还记得，那年，我跟他花了将近两天专门编辑公式；另外，让我欣喜的是，利用ＣＡＤ绘制出换热器的简图，还不错，没忘多少，就是有点不熟练。现在我还清楚的记得我核算完后那激动的心情，因为我尝到了自己在付出很多后那种成功的喜悦，因为这些都是我们的“血泪史”的见证。
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。通过本次课程设计的训练， 让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识， 我们了解了换热器设计的基本内容， 掌握了课程设计的主要程序和方法， 增强了分析和解决实际问题的能力。同时通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强课程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。 最后，指导老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持，与他们一起对一些问题的探讨和交流让我开拓了思路，也让我在课程设计时多了些轻松、愉快。