课程设计-列管式换热器设计.doc

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1、_设计（论文）题目： 列管式换热器的设计 12_目 录1 前 言32 设计任务及操作条件33 列管式换热器的工艺设计33.1换热器设计方案的确定33.2 物性数据的确定43.3 平均温差的计算43.4 传热总系数的确定43.5 传热面积A的确定63.6 主要工艺尺寸的确定63.6.1 管子的选用63.6.2 管子总数n和管程数Np的确定63.6.3 校核平均温度差Dtm及壳程数Ns73.6.4 传热管排列和分程方法73.6.5 壳体内径73.6.6 折流板73.7 核算换热器传热能力及流体阻力73.7.1 热量核算73.7.2 换热器压降校核94 列管式换热器机械设计104.1 壳体壁厚的计算

2、104.2 换热器封头选择104.3 其他部件115 课程设计评价115.1 可靠性评价115.2 个人感想116 参考文献11附表 换热器主要结构尺寸和计算结果121 前 言换热器（英语翻译：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。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

3、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

4、水冷却柴油。1、甲苯入口温度： 80 ，出口温度： 50 2、甲苯流量： 33125 kg/h，压力： 0.40.6 MPa 3、循环冷却水压力： 0.40.6 MPa，入口温度： 30 ，出口温度： 40 已知甲苯的有关物性数据：密度1=867kg/m3；定压热比容cp，1=1.85kJ/(kg)；热导率1=0.126W/(m)；黏度1=3.7510-4 Pas3 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80，出口温度50，冷却水入口温度30，出口温度40。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

5、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252.5的碳钢管，管内流速设为ui=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：管程冷却水的定性温度：壳程甲苯65物性数据：密度 1=867kg/m3；定压热比容 cp，1=1.85kJ/(kg)；热导率 1=0.126W/(m)；黏度 1=3.7510-4 Pas管程冷却水35时物性数据：查化工原理附表可知密度 2=994.3kg/m3；定压热比容 cp，2=4.174kJ/(kg)；热导率 2=0.62W/(m)；黏度 2=7.4310-4 Pas3.3

6、平均温差的计算 1、对于逆流换热过程，其平均温差可按式（31）进行计算： （31）式中，t1、t2分别为大端温差与小端温差。当t1/t22时，可用算术平均值： t1=80-40=40 t2=50-30=20 t1/t2=23.4 传热总系数的确定用式（32）进行值核算。 （32） 式中：a给热系数，W/m2； R污垢热阻，m2W； 管壁厚度，mm； 管壁导热系数，W/m；下标、分别表示管内、管外和平均。A0=d02=252=490.63mm2Ai=di2=202=314.16mm2mm2查化工原理附表可知Rsi=5.1610-4 m2/WRso=1.7210-4 m2/W=50 W/m管程Re

7、=40146.6管程传热系数ai可由公式（33)计算 ai=0.8n （33)冷却水被加热，取n=0.4ai=0.02340146.60.80.4=412.6W/（m2）假设取壳程传热系数为600W/（m2）用公式（34）对K计算 （34）式中：a给热系数，W/m2.； R污垢热阻，m2.W； 管壁厚度，mm； 管壁导热系数，W/m.；下标、分别表示管内、管外和平均。 =179.5W/m2.3.5 传热面积A的确定换热器的传热量Q=Whcph(T1-T2)=331251.85(80-50)=1.84106kJ/h=511kwm2考虑15%的面积裕度，A=1.1598.68=113.48m23.

8、6 主要工艺尺寸的确定3.6.1 管子的选用选用252.5传热管（碳钢），取管内流速ui=1.5m/s3.6.2 管子总数n和管程数Np的确定先按单管程计算单程传热管数ns，由式（35）进行计算。 （35） 式中Vs管程流体体积流量，m3/s； di管子内径，m； u管内适宜流速，m/s。 冷却水用量 按单程管计算，所需的传热管长度 管长l过长则采用多管程，此时管长一般多选6m（L=6m）。该换热器管程数为传热管总根数n=nsNp=279=243(根）3.6.3 校核平均温度差Dtm及壳程数NsP=R=按单壳程多管程（Np）查图得jt=0.93 ，jt0.8 符合要求=0.9328.85=26

9、.833.6.4 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，则t=1.2525=31.25mm横过管束中心线的管数nc=1.19(根）3.6.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径圆整可取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，则切去的圆缺高度为取折流板间距，则取B=300mm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(1) 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采取克恩公式当量直径，由正三角形排列得壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校正=1.0

10、35(2） 管程传热系数管程Re=40146.7管程传热系数ai可由公式（36)计算 ai=0.8n （36)冷却水被加热，取n=0.4ai=0.02340146.70.80.4=412.57W/（m2）管程流体流通截面积：=m2(3) 传热面积校核计算传热面积A：=98.68m2实际传热面积A：=105.5m2A/A=105.5/98.68=1.07 换热器设计合理3.7.2 换热器压降校核(1）管程阻力 传热管相对粗糙度查莫狄图得，流速，所以管程流动阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力 流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力总阻力壳程流动阻力也比较合适。4 列管式换热器机械设计4.1

11、 壳体壁厚的计算 以公式（41）计算壁厚 （41）式中 P设计压力（表压)， MPa； D壳体内径，mm； 焊缝系数； t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，100时，查化工原理下册附录9，取t=113 MPa查化工原理下册P97 表4-9取C1=0.25mm C2=2mmC=C1+C2=2.25mm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。封头厚度为取圆整值2.0mm。4.3 其他

12、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。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

13、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CAD忘光了！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CAD搞定！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

14、.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.画法几何与工程制图.北京：机械工业出版社，2004.参数管程壳程流量/(kg/h)6743.733125进（出）口温度/30（40）80（50）压力/MPa0.40.60.40.6物性定性温度/3565密度/(kg/m3)994.3867定压比热容/kJ/(kg4.1741.85黏度/Pas7.4310-43.7510-4热导率/W/(m0.620.126设备结构参数型式浮头式列管换热器壳程数1壳体内径/mm700台数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列正三角形管数目/根243折流板数/个110传热面积/m2105.5折流板间距/mm300管程数9材质Q235-B碳素钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.930.247表面传热系数/W/(m2412655污垢热阻/(m2/W)5.1610-41.7210-4阻力/MPa0.410.316热流量/kW511传热温差/28.85传热系数/W/(m2180裕度/%0.3