课程设计列管式换热器设计

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1、设计（论文）题目: 列管式换热器的设计 目录 1 前言 3 2 设计任务及操作条件 3 3 列管式换热器的工艺设计 3 3.1 换热器设计方案的确定 3 3.2 物性数据的确定 4 3.3 平均温差的计算 4 3.4 传热总系数 K 的确定 4 3.5 传热面积 A 的确定 6 3.6 主要工艺尺寸的确定 6 3.6.1 管子的选用 6 3.6.2 管子总数 n 和管程数 Np 的确定 6 3.6.3校核平均温度差 tm及壳程数Ns 7 3.6.4 传热管排列和分程方法 7 3.6.5 壳体内径 7 3.6.6 折流板 7 3.

2、7 核算换热器传热能力及流体阻力 7 3.7.1 热量核算 7 3.7.2 换热器压降校核 9 4列管式换热器机械设计 10 4.1 壳体壁厚的计算 10 4.2 换热器封头选择 10 4.3 其他部件 11 5课程设计评价 11 5.1 可靠性评价 11 5.2 个人感想 11 6参考文献 11 附表换热器主要结构尺寸和计算结果 12 1冃U言 换热器（英语翻译：heat exchange）,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

3、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。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量 交换的原理和方式基本上可分三大类即：间 壁式、混合式和蓄热式。 列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。其优点是单位体积的传热面 积、处理能 力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更 为普遍。列管式换热器 主要有以下几个类型：固定管板式换热器、浮头式换热器、 U 形管式换热器等。 设计一个比较完善的列管式换热器，除了能满足传热方面的要求外，还应该满 足传热效率 高、体积小、重量轻、消耗材料少、制造成本低、清洗维护方便和操作 安全等要求。 列管式换热器的设

4、计，首先应根据化工生产工艺条件的要求，通过化工工艺计 算，确定换 热器的传热面积，同时选择管径、管长，确定管数、管程数和壳程数， 然后进行机械设计 2设计任务及操作条件 2.1 设计题目：用水冷却甲苯的列管式换热器设计 2.2 设计任务及操作条件 某生产过程中，用循环冷却水冷却柴油。 1、 甲苯入口温度：80 C,出口温度：50 C 2、 甲苯流量： 33125 kg/h,压力： 0・4~0・6 MPa 3、 循环冷却水压力：0・4~0・6 MPa,入口温度：30 C,出口温度:40 C已知甲苯的有关物 性数据：密度P i=867kg/m3；定压热比容Cp,尸1・85kJ/(kg

5、「C)； 热导率入 i=0.l26W/(m C )；黏度卩 i=3.75x 10-4 Pa- s 3 列管式换热器的工艺设计 3.1 换热器设计方案的确定 甲苯入口温度80C，出口温度50C，冷却水入口温度30C，出口温度40C。壳体和管束 壁温差较大，且考虑到冷却水易结垢，需要清洗，故选用浮头式换热器。 冷却水走管程，甲苯 走壳程。因逆流时的平均温度差最小，传热推动力大，可节省 冷却介质的用量，操作无特殊要 求，故流动方式选逆流。选用 © 25X 2 的碳钢管， 管内流速设为 u=1.5m/s。 3.2 物性数据的确定 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程甲苯的定性温度

6、： T 辽旦 65 C 2 管程冷却水的定性温度： T 30 40 35 C 2 壳程甲苯 65 C 物性数据： 密度 p 1=867kg/m3； 定压热比容 Cp，1=1.85kJ/(kg -C)； 热导率 入 1=0.126W/(m-C)； 黏度 卩 1=3.75X 10-4Pa - s 管程冷却水 35 C 时物性数据：查《化工原理》附表可知 密度 p 2=994.3kg/m3； 定压热比容 cp，2=4.174kJ/(kg -C )； 热导率 入 2=0.62W/(m -C )； 黏度 2=7.43X 10-4 Pa - s 1、对于逆流换热过程中其平均温差可

7、按式大端温差与小端温差。当△ 3—△）!进行计算: In 丄 t2 （3— 1 ） 可用算术平均值： △ t2 tm ti t2 m 2 A t=80-40=40°C 2 A t2=50-30=20C A ti/ A t2=2 A t △ t「t2 28.85C △ tm In 20 3.4 传热总系数 K 的确定 用式（3 — 2）进行 K 值核算。 (3— 2) 3.3 平均温差的计算

8、 式中：一给热系数， W/m2 -C; R —污垢热阻，m2 -C/w； S—管壁厚度，mm ； 入一管壁导热系数，W/m -C； 下标1、o、m分别表示管内、管外和平均 A)= d = >252=490.63mm2 o2 44 2 A= d9= o >20i2=314.16mm 2 d00+d 0R-0 + dm m di i d0- idi ii

9、 (3—4) Am m AiAo io -2- 490.63 314.16 2- 2 402.40 mm2 查《化工原理》附表可知 Rsi=5.16X 10-4 m2「C /W Rso=1.72X 10-4 m2 •C /W 入=50 W/m •C 管程Re= dA =0.02 1.5 994.3 _=40146・6 卩 0.000743 管程传热系数i可由公式(3—3)计算 (3—3) / CP i= 0.023 Re0.8 ) di i 冷却水被加热，取 n=0.4 尸0・023°A X 40146

10、・60$X( 4.17 0.000743) 0.4=412・6W/ (m2 •C) 0.02 0.62 假设取壳程传热系数为600W/ (m2・C) 用公式(3—4)对K计算 R0+ 1 十 R 虫 + r。-「dm dd i i i 式中：一给热系数，W/m2. C； R—污垢热阻，m2.C/w ； S—管壁厚度，mm ； 入一管壁导热系数， W/m. C 下标1、o、m分别表示管内、管外和平均 1 07025 0.0025 0.025 c 0.025 0.000172 0.000516 600 50 0.0225 0.020 412.6 0.0

11、20 =179.5W/m2. C 3.5传热面积A的确定 换热器的传热量 Q=WhCph(T1-T2)=33125 X.85 X80-50)=1.84X 106kJ/h=511kw

12、 511000 K △叩79■豆885 2 98.68m2 8.9 9 考虑15%的面积裕度，A=1・15X 98.68门13・48m2 3.6 主要工艺尺寸的确定 3.6.1 管子的选用 选用© 25< 2.5 传热管（碳钢），取管内流速 Ui=1.5m/s 3.6.2 管子总数 n 和管程数 Np 的确定 ns ■4V s d：u (3— 5) 式中Vs—管程流体体积流量，m3/s； di —管子内径， m； u-管内适宜流

13、速，m/s 冷却水用量 W 184°°° CpA ti 4.17 (4030) 4 44125/3600/994.3 ns 3.14 0.02 0.02 1.5 26.2 27 根 按单程管计算，所需的传热管长度 44125kg/h Ao 113.48 l o 53.54m dons 3.14 0.025 27 os 管长 I 过长则采用多管程，此时管长一般多选 6m （ L=6m 该换热器管程数为 53.54 6 先按单管程计算单程传热管数ns,由式（3-5）进行计算 传热管总根数 n=nsX Np=27< 9=243（根） 3.6.3 校核平均温度

14、差 tm 及壳程数 Ns 40 30 0.2 P=— 80 30 80 50 R=— 40 30 按单壳程多管程(Np)查图得△=0.93, tm t tm=0.93 X8.85=26.83C m t m At> 0.8 符合要求

15、 3.6.4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 1.25do，则 t=1.25 25=31.25mm 32mm 横过管束中心线的管数 nc=1.19•一 24318.6 19（根） 3.6.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 0.7，则壳体内径 D 1.05t.N/ 1.05 32 一 243/0.7 626mm 圆整可取 D 700mm 25%，则切去的圆缺高度为 3.6.6 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 h 0.25 700 175mm 取折流板间距B 0

16、・4D,贝IJ B 0.3D 0.4 700 280mm 取 B=300mm 折流板数为 N B L -1 6000 -1 19（根） B 300 折流板圆缺水平装配。 3.7 核算换热器传热能力及流体阻力 3.7.1 热量核算 对圆缺形折流板， 可采取克恩公式 0.36—oR0.e55o 1 /3 Pr de 0.14 do o 4 空 t2 2 ¥ —0.0322 3.14 0.025 d e 3.14 0.025 （1） 壳程对流传热系数 当量直径，由正三角形排列得 0.020m

17、 0.28 0.7 1 0025 0.032 0.043m2 壳程流通截面积 A o 壳程流体流速及其雷诺数分别为 33025/(360(8867) 0.247m/ s U 00304375 o Re 9941.6 普兰特准数 c 1.85 103 0.000375 Pr 5.51 0.126 粘度校正 0.14 — =1.035 W 0.36 0126 9941.60.55 5.511/3 1.035 655W/(m2 °C) 0.02 (2) 管程传热系数 管程 Re= dA

18、 = 0.02 1.5 994.3 =40146・7 卩 0.000743 管程传热系数)可由公式(3—6)计算/ C、 p i= 0.023 Re 0.( —)n di i (3—6) (3) 传热面积校核 计算传热面积A： A 实际传热面积A： A 冷却水被加热，取n=0.4 Q =98.68m2 (n nc) doL =1 05.5m i=0.023°a X40146 .严(4.17 0.000743) 0.4=412.57W/ (m2 °C) 0.02 0.62 管程流体流通截面积： S di 2口 = 3 14 i 4 N 4 p A/A： =0

19、5.5/98.68=1.07 换热器设计合理 0.025 0.025 243 2 0.01325 m2 9 (1)管程阻力 Pi p ip Ns1 Ft 1.4 st 3.7.2 换热器压降校核 P1 P2FtNsN

20、 NP 4 Ju! d 2 0.931m/s, 传热管相对粗糙度001 °・°°5查莫狄图得i 0.036W/(m C),流速U. 0.02 994 0.9312 Pi 0.036 — 2 4652.4( Pa) P 994 0.931 2 1292.34( Pa) 22 994kg / m3,所以 P (4652.4 1292.34) 1.4 1 4 40688(Pa) 100kPa 管程流动阻力在允许范围之内 (2)壳程阻力 Po( P1' P2')FSNS Ns 1 Fs 1.15 流体流经管束的阻力 uo R' Ff。nc(NB 1) 2^ F

21、0.5 fo 5 9941.6 ■ 0 228 0.613 nc 19 c NB 19 Uo 0.247m / s o 867 02.2472 4271.3( Pa) P1' 0.5 0.85 19 (19 1) 12 流体流过折流板缺口的阻力 2B P2' NB(3.5 D) B 0.28m D 0.7m P2' 19 (3.5 2 0.280.7 )867 0.24272 1356.8(Pa) 总阻力 P0' (4271.3 1356.8) 1 1.15 0 6472.3(Pa) 壳程流动阻力也比较合适 4 列管

22、式换热器机械 设计 4.1 壳体壁厚的计算 以公式（4 — 1）计算壁厚 (4— 1) PD 2TT~~P 式中P—设计压力（表压），MPa； D—壳体内径，mm；© ①一焊缝系数； [2 —壳体材质在设计温度时的许用应力， MPa 取 P=0.101MPa D=700mm 采用双面焊的对接接头局部无损检测，© =0.85 按标准GB 912选材用Q235-B碳素钢，100C时，查《化工原理下册》附录9,取 [2=113 MPa P97 表 4-9 取 C1=0・25mm C2=2mm 查《化工原理下册》 2.25 2.62mm C=C[+C2=2 ・2

23、5mm 0.101 700 PDC 2 113 0.85-0.101 2[『P 圆整后取=3・0mm，符合材料的最小厚度 4.2 换热器封头选择 根据标准 JB/T 4746-2002,选择标准椭圆封头。 封头厚度为 孚 C 06 25 1.9 1.98mm 2 0.5P 2 113 0.85 0.5 0.6 取圆整值 2.0mm。 4.3 其他部件 为固定折流板，需要设拉杆和定距管。换热器壳体直径为 700mm 时，拉杆数可 取4其直径是10mm。定距管直径一般与换热器尺寸相同，即 700mm。 5 课程设计评价 可靠性评价 此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术

24、条件的要求进行。同学之间相互 联系，讨论， 整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题V 理论的数据计算不难, 困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。这些方面都应 在以后的学习中得以加强与改进 个人感想 第一次做课程设计，刚开始我脑袋里都是大问号，不知从何下手，如何动手。 还记得老师宣布课程设计做换热器时，同学们面面相觑的表情。是啊，都没见过实 体，刚学了 理论就直接上战场了。还好有老师的悉心指导和同学的热情帮助，我们 按课程设计步骤一步步 做了起来。前三天，我拿着计算器在寝室里算数据，从吃完 早餐开始，到快晚查房了结束。一 遍遍的核查、重设数字、运算，直到最终修正出

25、一个范围内合理的结果。接着，用之前算出的 数据，准备画图了。按课程设计要求， 图得作在标准绘图纸上。这时，大家都犯难了，由于 CAD是大二学的，经过1年的 洗礼，基本都把CADS光了！现在我们都是大学生了，自学能力多少都有些吧。先在网上下了 个CAD开始摸所起来。经过几天的拼凑，终于把CADS定！ 从这次的课程设计中我学习了很多，发现学校学的东西都是基础，我们以后还 要在这些 基础上不断前进！ 6 参考文献 [1] 夏清，陈常贵•化工原理•天津：天津大学出版社， 2007. [2] 刁玉玮，王立业，喻健良•化工设备机械基础•大连：大连理工大学出版社， 2006. [3] 孙培先.画

26、法几何与工程制图.北京：机械工业出版社， 2004. 黏度/[Pa •] 7.43X 10-4 3.75X 10-4 热导率/[W/(m C ] 0・62 0.126 设备结 构参数 型式 浮头式列管 换热器 壳程数 1 壳体内径/mm 700 台数 1 管径/mm 25 X 2.5 管心距/mm 32 管长/mm 6000 管子排列 正三角形 管数目/根 243 折流板数/个 110 传热面积/m 105.5 折流板间距/mm 300 管程数 9 材质 Q235-B 碳 素钢 主要计算结果 管程 壳程 流速/(m⑸ 0・93 0.247 表面传热系数/[W/(m 2 C ] 412 655 污垢热阻/(m2 C /W) 5・ 16X10-4 1.72X 10-4 阻力/MPa 0.41 0.316 热流量/kW 511 传热温差/C 28.85 传热系数/[W/(m2 C ] 180 裕度/% 0.3 最新文件仅供参考已改成word文本。方便更改