——换热器设计。
年级： 化学086
专业： 环境工程
指导老师： 李勇。
小组成员（学号）: 林澍瀚（27）张妙龄（15）杨光权（45）
二零一零年十二月二十五日。
目录。绪论
第一节设计任务和操作条件
第二节设计方案的确定
第三节确定物性设计
第四节估算传热面积
第五节工艺结构尺寸的设计计算。
第六节换热器校核。
第七节换热器设计 ——小结。
一、化工原理课程设计的目的和要求。
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；
2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
3. 迅速准确的进行工程计算的能力；
4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
二、化工原理课程设计的内容和步骤。
（一）课程设计的基本内容。
1. 设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；
2. 主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；
3. 典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；
4. 带控制点的工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；
5. 主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；
完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据，应包括以下主要内容：
1）封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）；
2）目录；3）设计任务书；
4）设计方案简介；
5）设计条件及主要物性参数表；
6）工艺设计计算；
7）辅助设备的计算及选型；
8）设计结果汇总表；
9）设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；
10）工艺流程图及设备工艺条件图；
11）参考资料。
（二）课程设计的步骤。
1. 动员和布置任务；
2. 阅读指导书和查阅资料。
3. 设计计算，绘图和编写说明书；
整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；图表应能简要表达计算的结果。
第一节设计任务和操作条件。
将纯苯液体从80℃冷却到55℃，其流量为20000kg/h。冷却介质采用35℃的循环水。要求换热器的管程和壳程压降不大于10kpa，试设计能完成上述任务的列管式换热器。
第二节设计方案的确定。
1、选择换热器的类型。
注释：若用冷却水做冷却剂，设计时一般取冷却水进出口的温升为5—10℃，根据经验，选择冷却水温升为8℃，则冷却水出口温度为35℃+8℃=43℃ 。从两流体的温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步选定固定管板式换热器。
如图所示，这种换热器两端的管板分别焊接在外壳上，具有结构简单，适应性强，造价低等优点，其缺点是关外清洗困难，管壳间存在温差应力，适用于管束和壳体间温差较小，壳程流体不易结垢的场合。
2、确定流体通入的空间。
由于设计任务的热流体为本，冷流体为水，为使苯通过壳体壁面向空气散热，提高冷却效果，故使苯走壳程，另外水也较易结垢，为便于提高流速减少污垢生成，以及便于清洗污垢，使水走管程。
第三节确定物性设计。
苯的定性温度：
t==67.5°c
水的定性温度：
t==39°c
分别查得苯和水在定性温度下的物性数据如下表。
第四节估算传热面积
1、传热平均温度差（先按逆流计算）
tm=℃2、计算热负荷（忽略热损失）
q=qm1cp1(t1-t2)= 1.841103 (80-55)=2.56105
3、冷却水的用量（忽略热损失）
qm2==
4、初算传热面积。
参照传热系数k的大致范围，取k=450w/（m2.℃）
则估算传热面积为：
a估= =20.61m2
由于考虑安全系数和数值的近似性，常取实际传热面积是计算值的1.15—1.25倍。本试验取实际面积为估算面积的1.15倍，则实际面积为：
a实=1.15x20.61=23.70m2
第五节工艺结构尺寸的设计计算。
1、选管子规格。
换热器的换热管构成换热器的传热面，管子的尺寸、大小和排列形状对传热有很大影响。采用小直径管子时，换热器单位体积的传热面积大一些，设备较紧凑单位面积的金属消耗量少，传热系数也稍高，但制造较麻烦，且小管子容易积垢，不易清洗。大直径管子用于黏性大或污浊的流体，小直径的管子适用于清洁的流体。
碳钢和不锈钢换热管的规格和尺寸偏差按gb8163—87、gb2270—80高级精度冷拔管的规定，其常用规格见下表：
换热器中最常用的的管子有：φ19mmx2mm和φ25mmx2.5mm两种规格。
小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较厚；对于相同的壳径，可以排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。
管长的选择是以清洗方便和合理使用管材为原则。中国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。
本设计实验选用φ25mmx2.5mm低合金钢无缝钢管，管长l=3m。
2、总管数和管程数。
总管数：单程流速：u=
单程流速较低，为提高传热效果，考虑采用多管程。
列管式换热器中常用流速范围。
按管程流速的推荐范围，选管程流速为u`=0.5m/s，所以管程数为。
m取双管程。
3、确定管子在管板上的排列方式。
因管程为双程，故采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
管子于管板采用焊接结构。
据下表，故管心距取 a=1.25d0=1.25×25=31.25≈32mm
隔板两侧相邻管心距 ac=44mm
4、壳体内径的确定。
多管程结构壳体内径按下式估算。
d=1.05a
式中η为管板利用率，取值范围如下。
正三角形排列 2管程 η=0.7~0.85
取管板利用率η=0.8，则壳体内径为。
d=1.05a=1.05=378mm
按壳体标准圆整取 d=400mm
换热器长径比==7.5，在推荐范围6~10内，壳卧式放置。
5、绘管板布置图确定实际管子数目。
管板布置如图所示。
由图可知，实际排管数目为102根，扣除4根拉杆，则实际换热管数为98根。
参考下表：取管板厚度为40mm，设管子与管板焊接时伸出管板长度为3mm，所以换热器的实际传热面积为。
a=nπd0（1—2×0.04-2×0.003）=98×3.14×0.025×(3—2×0.04—2×0.003)=22.4m2
管程实际流速 ui=
管程实际流速在推荐范围内。
6、折流挡板。
采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度为：
h=0.25×400=100mm
因壳程为单相清洁流体，所以折流板缺口水平上下布置。缺口向上的折流板底部开一90℃小缺口，以便停车时排干净器内残液。
取折流板间距 b=150mm（0.2d 折流板数 nb=换热管长/折流板间距－1=3000/150-1=19（块）
7、其他附件。
拉杆直径。拉杆数量。
根据上表选择拉杆直径为16mm，拉杆数量为4根，拉杆布置如附图所示。
8、接管。管程流体进出口接管。取管内流速 u=1.8m/s
则接管内径 d1=
按管子标准圆整，取管程流体进出口接管规格为φ83mmx3.5mm无缝钢管。
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