列管式换热器设计流体流动与传热课程设计说明书.doc

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1、列管式换热器设计 摘要：随着科技的发展，化工行业也在不断的发展，而换热器是许多工业部门的通用设备，在化工生产中可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等。此次我们设计的主要是换热器，根据冷热交换的方式进行，用冷却水冷却温度过高的笨，使生产能够顺利安全合理的进行，满足生产要求，设计的笨列管式换热器。 设计换热器，首先根据它的温差、物性来初估它的传热系数，再算出它的面积，来选择换热器的样式或规格，通过核算它的传热系数与传热面积，并且要计算它的压强将是否在允许的范围内，再来选择合适的换热器。通过这次的设计我们对换热器有了一定的了解。关键词：换热器，设计，传热系数 目 录第一部分 设计任务书11.1设计题

2、目11.2设计条件11.5设计评述1第二部分 设计方案简介评述22.1 换热器的发展及分类22.2列管式换热器的分类32.3 设计背景及设计要求6第三部分 换热器设计理论计算83.1试算并初选换热器规格83.2核算总传热系数K93.3计算压强降11第四部分 换热器主要结构尺寸124.1管子的规格和排列方法124.2管程和壳程数的确定124.3外壳直径的确定134.3折流板形式的确定134.5主要附件的尺寸设计14第五部分 工艺设计计算结果汇总表15参考文献16后记17第一部分 设计任务书1.1设计题目列管换热器设计1.2设计条件 加热介质：热水，入口温度 98 ，出口温度58 冷却介质：自来水

3、，入口温度30，出口温度50 允许压强降：不大于Pa1.3设计内容设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 换热器的主要结构尺寸设计。 主要辅助设备选型。 1.4设计日期开始日期：2012年12月31日结束日期：2013年1月6号 1.5设计评述 换热器是许多工业生产中常用的设备,尤其是石油、化工生产应用更为广泛。在化工厂中换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确

4、定换热器的工艺尺寸。 换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不同的计算方法而已。第二部分 设计方案简介评述2.1 换热器的发展及分类 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各换热器，且它们是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。它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

5、器既可是一种单独的设备，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，如氨合成塔内的热交换器。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

6、30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢

7、除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等）2.2列管式换热器的分类换热器种类繁多，形式各异，如列管式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、

8、套管式、蛇管式等。由于列管式换热器（亦称管壳式）易于制造、适应性强、处理量大、成本较低可供选用的材料范围广泛，仍是当前应用最广（约占70%），理论研究和设计技术最完善，运行可靠性良好的一类换热器。热管换热器是由壳体、热管和隔板组成的。热管作为主要的传热元件，是一种具有高导热性能的传热装置。热管的传热特点是热管中的热量传递通过沸腾汽化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行。由于沸腾和冷凝的对流传热程度都很大，而蒸汽流动阻力损失又较小，因此热管两端温度差可以很小，即能在很小的温差下传递很大的热流量。因此特别适用于低温差传热及某些等温性要求较高的场合。热管换热器具有结构简单、使用寿命长、工作可靠、应用范围广等

9、优点，可用于气-气、气-液和液-液之间的传热过程。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的原理与前一种情形并无本质上的差别。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：（1） 固定管板式换热器 固定板式式换热器是用焊接的方式将连接管束的管板固定在壳体两端。它的主要特点是制造方便、紧凑，造价较低。但由于管板和壳体间的结构原因，使得管外侧不能进行机械清洗。另外当管壁与壳体壁温之差较大时，会产生很

10、大的热应力，严重时会毁坏换热器。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管

11、的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的特点是：1、旁路渗流较小；2、造价低；3、无内漏；4、固定管板式换热器的缺点是，壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起

12、见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。其结构如下图所示：（2） 浮头式换热器浮头式换热器是用法兰把管束一端的管板固定到壳体上，另一端可以在壳体内自由伸缩，并在该端管板上一顶盖后称为浮头。这类换热器的应用范围广，能在较高的压力下工作，适用于壳体壁温与管壁温差较大或壳程易结垢的场合。浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端

13、设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。 浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。 在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=35mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。 钩

14、圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。 钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。 浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。其结构如

15、下：（3） 填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。其结构如下：（4） U型管式换热器这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。其结构如下所示：2.3 设计背景及设计要求在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的差别。 在化工、石油、动力、制冷

16、、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的1020，在炼油厂约占总费用的3540。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求： （1）

17、合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下。 增大传热系数 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均温差 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 妥善布置传热面 例如在管壳式换热器中，采用

18、合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检

19、查孔与敷设保温层。 （4）经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。 动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。 传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。 严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作

20、条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。第三部分 换热器设计理论计算3.1试算并初选换热器规格（1） 定流体通入空间 两流体均不发生相变的传热过程 故 选择冷水走换热器的克程，热水走壳程。（2）确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的形式： 被冷却物质为热水，入口温度为98,出口温度为58，冷水的入口温度为30，出口温度为50 热水的定性温度： 冷水的定性温度： 两流体的温差： 由于两流体温差小于50，

21、故选用固定管板式列管换热器。表3.1 两流体在定性温度下的物性数据 物性流体热水78974.20.37554.1920.672冷水40992.90.6834.1740.632(3) 计算热负荷Q 按管内热水计算,即 若忽略换热器的热损失，冷水的流量可由热量衡算求得,即（4）计算两流体的平均温度差，并确定壳程数逆流温差 由R和P查图得温度校正系数为,所以校正后的温度为又因,故可选用单壳程的列管式换热器。（5）、初步选择换热器规格 根据管内为热水，管外为冷水，K值范围为8501700 ，假设K=900 则估计的为估=初选固定板式换热器规格尺寸如下： 外壳直径D 450mm 管排方式正三角形排列管程

22、流通面积S 0.0198m2 公称压力P 1.0Mpa管数n 126 管程数 2 管长L 6m 管尺寸 252.5mm（不锈钢管）中心距 32mm 公称面积S 58.4 m23.2核算总传热系数K （1）、计算管程对流传热系数，因为 管中水的质量流量为，则 水的体积流量为 所以： (2)、计算壳程对流传热系数换热器中心附近管排中流体流通截面积为 式中 h折流挡板间距，取 t管中心距，对于的管中心距为。 冷水的质量流量为，则 冷水的体积流量为 由于换热器为单壳程，所以冷水的流速为： 由于管为三角形排列，则有冷水在壳程中流动的雷诺数为因为在范围内，故可采用凯恩(Kern)法求算，即由于液体被加热

23、取1.05，所以 （3）、确定污垢热阻 （4）、计算总传热系数（管壁热阻可忽略时，总传热系数为：） 选用该换热器时，要求过程的总传热系数为900 ，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的=1010.2 则：= 该换热器传热面积的裕度为： 即，传热面有12%的裕度，则该换热器传热面积的裕度符合要求； 所以传热面积符合要求。3.3计算压强降 （1）、计算管程压强降 前已算出： 取不锈钢管壁的粗糙度，则由摩擦系数图查得所以对于的管子，有(2)、计算壳程压强降从上面计算可知，、Pa，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。第四部分 换热器主要结构尺寸4.1管子的规格和排列方法 考虑

24、到流体的流速，选用规格的管子。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列，它的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同壳程内可排列更多的管子。所以选择正三角形排列。4.2管程和壳程数的确定 管程数m可按下式计算，即 式中 管程内流体的适宜速度，m/s； 单管程时管内流体的实际速度，m/s。 取 （参考化工原理上册） 水的流量为 =，对于252.5mm的管子，求得 所以选用2管程。在单壳程中，由R和P查得温度校正系数为大于0.8，所以采用单壳程。4.3外壳直径的确定 初步设计中可用下式计算壳体的内径，即 式中 其中 则 按照此方法计算得到的壳内

25、径应圆整，标准尺寸如下表： 壳体外径/mm325400，500，600，700800，900，10001100，1200最小壁厚/mm8101214 所以取=500mm。4.3折流板形式的确定折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。选择水平圆缺形折流板，切去的弓形高度为外壳内径的25.0%（圆缺率的范围一般为15%45%），即为： 折流板的间距，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm。折流板间距取h=600mm。采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25，

26、则切去的圆缺高度为h00.25500125mm，故可取h600mm。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/600-1=9(块)折流板圆缺面水平装配折流板的最大无支撑间距如表所示：换热管外径（mm）141619253238最大无支撑间距(mm)1100130015001850220025004.5主要附件的尺寸设计 （1）封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体。壳径为450mm，选用圆形封。 （2）缓冲挡板 它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。 （3）放气孔、排液孔 换热器的

27、壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。 （4）接管 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即 式中 流体的体积流量， 流体在接管中的流速，m/s。流速 的经验值可取为对流体 u=1.52m/s 取液体流速=1.5m/s， 热水进出口接管的内径 83.86mm 冷水进出口接管的内径 117.76mm 第五部分 工艺设计计算结果汇总表工艺设计计算结果汇总表参数管程壳程流率(kg/h)29056.658356进口温度/9830出口温度/5850压力/Mpa0.30.4物性参数定性温度/7840密度/（kg/m3）974.2992.9定压比热容/kJ/（kg）4.1924.174粘

28、度/（mPas）0.37550.683热导率（W/m） 0.6720.632普朗特数2.354.53设备结构参数形式固定管板式壳程数1壳体内径/mm500台数1管径/mm管心距mm32管长/mm6000管子排列正三角形管数/根126折流板数/个9传热面积/m258.4折流板间距mm600管程数2材质碳钢圆缺高度/mm100拉杆直径及数量接管/mm83.86117.76主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.41880.2762表面传热系数/W/（m2）2941.82758.6污垢热阻/（m2/W）管壁热阻/（m2/W）0阻力/ kPa3.1563.499热流量/KW1355温度校正系数0.88

29、传热温差/32.65总传热系数ko/W/（m2）1010.2参考文献 1中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，19892中华人民共和国国家标准.GB150-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，19893夏清、陈常贵.化工原理（上册）.天津大学出版社.2005年4贾绍义、柴诚敬.化工原理课程设计.天津大学出版社.2005年5邹华生、钟理、伍钦、赖万东.传热传质过程设备设计.华南理工大学出版社.2006年6化工制图华南理工大学机械制图教研组编7JB/T4736-95中华人民共和国行业标准8 陆美娟主编.化工原理（上册）.北京：化学工业出版社9 杨祖荣主

30、编.化工原理.北京：高等教育出版社后记课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程. 通过本次的学习与设计，使我们对换热器原理与组成有了更深的认识。设计换热器是一个考察我们综合能力的一项任务，包括我们的计算能力，逻辑理解能力，以及同学之间的协调组织能力等等。为了完成任务，我们先是查阅了相关资料，又找了一个电子模板，按照参考书上的内容一一列式，找出所需的各种数据，以及注意事项，然后在演草纸纸上一一计算出结果当然，对于对流传热系数的估计（），并不能一步到位，我们先估的1200w/m,接着又尝试了850 w/m，1000 w/m和950 w/m,最后用=900 w/m估算成功，算出的估算的为=,并且由于小于50，所以选择固定管板式换热器.选出的固定管板式实际传热面积为=换热器的总传热系数,所以，符合,.设计需要团队的合作，这对于我们这些应试教育下的孩子的是一个很好的启蒙，因为在以后的工作中许多问题不是一个人单枪匹马就能完成的，这就需要团队合作。因此，及早的树立起团队合作精神对我们以后的发展是十分必要的。总之，本次的设计让我们学会了很多，很感谢我组同学的协力合作，共同完成了相应的任务。17