1、生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 課程名稱 化工原理課程設(shè)計(jì) 題目名稱 列管式換熱器設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 生物工程 班 學(xué)生姓名 覃祚樹 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 周治德 二 O一四 年 七月 八 日目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)書.11.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件.11.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容.22 概述.33 確定設(shè)計(jì)方案.4 3.1 選擇換熱器的類型.43.2 流動(dòng)空間及流速的確定.44 確定物性數(shù)據(jù).45 計(jì)算總傳熱系數(shù).55.1 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量.55.2 計(jì)算平均傳熱溫差.55.3 確定總傳熱系數(shù)K并計(jì)算傳熱面積.56 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì).66.1 管徑和管內(nèi)流速.6 6.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù).6 6.3 傳熱管排列

2、和分程方法.66.4 殼體內(nèi)徑.76.5 折流板.7 6.6 接管.87 換熱器核算.87.1 熱量核算.8 7.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù).9 7.1.2管程對(duì)流傳熱系數(shù).9 7.1.3對(duì)流傳熱系數(shù)K.9 7.1.4傳熱面積.97.2 核算壓強(qiáng)降.10 7.2.1管程壓強(qiáng)降.10 7.2.2殼程壓強(qiáng)降.108 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果.119 設(shè)計(jì)評(píng)述及附圖.1210 主要符號(hào)說明.1311 參考資料.141 列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 某生產(chǎn)過程的流程如圖所示，反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進(jìn)一步冷卻至60之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組

3、分。已知混和氣體的流量為 kg/h，壓力為6.9MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為20，出口溫度為35，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。物性特征：混和氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：密度 0= 90 kg/m3定壓比熱容 cp0 = 3.297 /(kg)熱導(dǎo)率 0 = 0.0279 W/(m)粘度 = 1.510-5 Pas循環(huán)冷卻水在27.5 下的物性數(shù)據(jù)：密度 i = 996.373 kg/m3定壓比熱容 cpi = 4.174 kJ/(kg)熱導(dǎo)率 i = 0.6103 W/(m)粘度 = 0.74210-3 Pas1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

4、說明書要求 1、概述 2、設(shè)計(jì)方案的選擇 3、確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)4、設(shè)計(jì)計(jì)算（1）計(jì)算總傳熱系數(shù)（2）計(jì)算傳熱面積5、換熱器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) （1）管子的直徑、長(zhǎng)度、根數(shù)等管子尺寸 （2）殼體直徑、折流板長(zhǎng)度和數(shù)目 （3）隔板和接管尺寸 6、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 7、列管式換熱器裝配圖8、設(shè)計(jì)評(píng)述9、符號(hào)說明10、參考文獻(xiàn)圖紙要求列管式換熱器裝配圖2 概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置成為熱交換器，簡(jiǎn)稱為換熱器。在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日

5、益加強(qiáng)。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不用類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求。（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)與物理化學(xué)性質(zhì)是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，再單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。（2）安全可靠換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)

6、規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著重要作用。（3）有利于安裝、操作與維修直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。（4）經(jīng)濟(jì)合理評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)，固定費(fèi)用與操作費(fèi)的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。3 確定設(shè)計(jì)方案3.1 選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度110，出口溫度60。冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度20，出口溫度35。該換熱器冷卻熱的混合氣體，傳熱量

7、較大，可預(yù)計(jì)排管較多，因此初步確定選用固定管板式換熱器。因氣體操作壓力為6.9MPa，屬于較高壓操作，因此不選用膨脹節(jié)。3.2流動(dòng)空間及流速的確定單從兩物流的操作壓力看，混合氣體操作壓力高達(dá)6.9MPa，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大，應(yīng)使較大的循環(huán)水（一般氣體液體）走管內(nèi)。所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。選用25mm2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)循環(huán)水流速取1m/s。4 . 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程混合氣體的定性溫度t=85（）管程循環(huán)冷卻

8、水的定性溫度為t=27.5（）根據(jù)定性溫度，分別確定殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。混和氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：密度 = 90 kg/m3定壓比熱容 = 3.297 KJ/(kg)熱導(dǎo)率 = 0.0279 W/(m)粘度 = 1.510-5 Pas循環(huán)冷卻水在27.5 下的物性數(shù)據(jù)：密度 = 994.3 kg/m3定壓比熱容 = 4.174 KJ/(kg)熱導(dǎo)率 = 0.624 W/(m)粘度 = 0.74210-3 Pas5 計(jì)算總傳熱系數(shù)5.1 計(jì)算熱流量= T0 =3.297(110-60) = 1.88107KJ/h =5216(kW)5.2計(jì)算平均傳熱溫差

9、(采用逆流)熱流體110 60冷流體35 20t 75 40 = 平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程、雙管程結(jié)構(gòu)查溫差校正系數(shù)圖表，可得平均傳熱溫差5.3 確定總傳熱系數(shù)K 根據(jù)兩流體的情況，假設(shè)K = 313 W/5.4 計(jì)算傳熱面積6.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 冷卻水用量6 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)6.1 管徑和管內(nèi)流速選用25mm2.5mm傳熱管（碳鋼管），可設(shè)管內(nèi)冷卻水流速=1.3m/s。依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。ns = 計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng) = 6.0(m)，則該換熱器管程數(shù)為NP =傳熱管總根數(shù)NT =2053 = 615(根

10、)6.3 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。因?yàn)闅こ塘黧w壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。取管心距t = 1.25do，則t= 1.252532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離=t/2+6=32/2+6=22(mm)則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距Sn = 44mm。橫過管束中心線的管數(shù) = 1.19 = 11根)6.4 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率= 0.7，則殼體內(nèi)徑為：D = 1.05t= 1.0532 = 996(mm) 圓整可取D = 1000mm6.5 折流板采用單弓形折流板，取折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則

11、切去的圓缺高度為h = 0.25D = 0.251000 =250(mm)取折流板間距B = 0.3D = 0.31000 =300(mm)可取B為100mm。折流板數(shù)NB = 傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1 = = 19(塊)折流板圓缺面水平裝配。6.6 接管殼程流體進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為：D1 = 圓整取212mm。管程流體進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為：D2= (m)圓整取206mm。7 換熱器核算7.1 熱量核算7.1.1 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式：o = 0.36Reo0.55Pr1/3當(dāng)量直

12、徑，由正三角形排列得：(m)流體通過管間最大截面積為：S = BD(1 ) = 0.31(1 ) = 0.0656(m2)殼程流體流速及其雷諾數(shù) (m/s)普蘭特準(zhǔn)數(shù)： Pr = =1.773黏度校正 o = 0.36.551/3 = 951.47.1.2 管程對(duì)流傳熱系數(shù)i = 0.023Rei0.8Pr0.4管程流通截面積：Si = =0.0644(m2)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：Rei = 30610 普蘭特準(zhǔn)數(shù)：Pr =5492w/()7.1.3 對(duì)流傳熱系數(shù)K查表得，污垢熱阻R0 = 0.0004 m2/W，Ri = 0.0006 m2/W在該條件下管壁（碳鋼）導(dǎo)熱系數(shù)= 50W

13、/(m)K = = 402.5W/(m2)7.1.4 傳熱面積S傳熱面積裕度Ac=242(m2)實(shí)際傳熱面積（m2）該換熱器的面積裕度為：H = %傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。壁溫核算Tm=0.4350.620=26 (0C)Tm=1/2(110+60)=85(0C)Hc=hi=5492 W/Hh=h0=951.4 W/t=33.3 (0C)殼體壁溫 T=85 (0C)殼體壁溫和傳熱管壁溫差85-33.3=51.7 (0C)7.2 核算壓強(qiáng)降7.2.1 管程壓強(qiáng)降pt = (pi +pr)其中Ft = 1，Np = 3，Ns = 1Re=30610,設(shè)管壁粗糙度= 0.2m，傳

14、熱相對(duì)粗糙度0.01， 查莫迪圖圖得= 0.04，所以pi= 11750.9(Pa) 2518(pa)pt= 管程壓降再允許范圍之內(nèi)。7.2.2 殼程壓強(qiáng)降ps = (p0+pi)，其中Fs = 1，Ns = 1殼程流通截面積：So =) = = 4.23(m/s)流體流經(jīng)管束的阻力p0 = F=0.5, f0=5-0.228=0.273, NTC=1.1NT0.5=1.16150.5=27.3 ,NB=19 ,u0=5.36m/spo =0.50.23727.3(19+1)905.362/2=83648 (pa)流體流過折流板缺口的阻力71235 (pa)1.55105 (pa)殼程壓降也在

15、范圍之內(nèi)。參 數(shù)管程殼程 流率/（kg/h） 進(jìn)/出溫度20/35110/60 壓力/Pa0.46.9物性定性溫度/27.585密度/(kg/)996.37390定壓比熱容/4.1763.297黏度/0.8451.5熱導(dǎo)率/0.61030.0279普朗特?cái)?shù)5.781.733設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm1000殼程數(shù)1管徑/mm管心距32管長(zhǎng)/mm6000管子排列正三角形管數(shù)目/根615折流板數(shù)/個(gè)19傳熱面積/290折流板間距/mm300管程數(shù)3材質(zhì)碳鋼 主要計(jì)算結(jié)果管程殼程 流速/（m/s）1.2985.36 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)5492951.4 污垢熱阻/0.00060.0004

16、阻力/MPa0.0430.155 熱流量/kW5216 傳熱溫差/K53.472 傳熱系數(shù)【】402.5 裕度/%19.8換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果9 設(shè)計(jì)評(píng)述固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，本設(shè)計(jì)由于換熱任務(wù)較大，故管數(shù)較多。由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程走不易結(jié)垢的混合氣體。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量做到：1、增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的情況下，盡量選擇較高的流速。2、提高平均溫差。對(duì)于無相變的流體，采用逆流的傳熱方式，不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。3、妥善布置傳熱面。

17、本設(shè)計(jì)采用合適的管間距和排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動(dòng)特性。并且錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列的好。列管式換熱器裝配圖30018L=6000 =6000 10 符號(hào)說明B折流板間距，m；C系數(shù)，無量綱；d管徑，m；D換熱器外殼內(nèi)徑，m；f摩擦系數(shù)；F系數(shù)；h圓缺高度，m；K總傳熱系數(shù)， W/(m2)；L管長(zhǎng)，m；m程數(shù)；n指數(shù)、管數(shù)、程數(shù)；N管數(shù)、程數(shù)；NB折流板數(shù)；Nu努塞爾特準(zhǔn)數(shù)；P壓力，Pa； 因數(shù)；Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)；q熱通量，W/m2；Q傳熱速率，W；r半徑，m； 汽化潛熱，kJ/kg；R熱阻，m2/W； 因數(shù)；Re雷諾準(zhǔn)數(shù)；S（或A）傳熱面積，m2；t冷流體溫度，；a(或t)管心距，m；T熱流體溫度，；u流速，m/s；W質(zhì)量流量，kg/s；V體積流量，m3/s。希臘字母：對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2)；有限差值；導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2)；黏度，Pas；密度，kg/m3；校正系數(shù)。下標(biāo)：c冷流體；h熱流體；i管內(nèi)；m平均；o管外；s污垢。11 參考資料1 上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(上、下).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19862 尾范英郎（日）等，徐忠權(quán)譯.熱交換設(shè)計(jì)手冊(cè)，19813 時(shí)鈞，汪家鼎等.化學(xué)工程手冊(cè)，北京