换热器课程设计

英文字母。

b——折流挡板间距，md——管径，m；

d——换热器外壳内径，mf——摩擦系数；

f——系数h——圆缺高度，m；

k——传热系数，w/(m·kl——管长，m；

m——程数n——指数、管数、程数；

n——管数、程数nb——折流挡板数；

re——雷诺准数r——热阻，㎡·k/w；

s——传热面积t——冷流体温度，℃、管心距，m；

t——热流体温度u——流速，m/s；

pr——普朗特常数a——实际传热面积，m

希腊字母。—表面传热系数w/(㎡k有限差值。

—导热系数，w/(m·k粘度，pa·s；

—密度，㎏/m3校正系数

主要符号说明 1

第一章绪论 - 2 -

1.1换热器 - 2 -

1.2换热器的类型 - 2 -

1.3 换热器类型的选择 - 3 -

第二章确定设计方案 - 4 -

2.1 选择换热器的类型 - 4 -

2.2 流动空间及流速的确定 - 4 -

第三章确定物性数据 - 5 -

第四章估算传热面积 - 6 -

4.1 热流量 - 6 -

4.3平均传热温差 - 6 -

4.4 估算传热面积 - 6 -

第五章工艺结构尺寸 - 7 -

5.1 管径和管内流速 - 7 -

5.2 管程数和传热管数 - 7 -

5.3平均传热温差校正及壳程数 - 7 -

5.4 传热管排列和分程方法 - 7 -

5.5 壳体内径 - 8 -

5.6 折流挡板 - 8 -

5.7 其它附件 - 8 -

5.8 接管 - 9 -

第六章换热器核算 - 10 -

6.1 热量核算 - 10 -

6.3 换热器内流体的流动阻力 - 13 -

6.4 换热器主要结构尺寸和计算结果 - 15 -

第七章设计结果评价 - 16 -

第八章换热器流程图 - 17 -

第九章参考文献 18

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。

按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。

间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。

间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。

直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。

常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。

蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。

此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的**或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。

工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。

紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。

管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。

这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。

常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和u形管式等几种类型。

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。

列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。

1.定管板式换热器。

固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

型管换热器。

u型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为u型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与u型环热管由温差时，不会产生温差应力。u型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。

其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

3. 浮头式换热器。

其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

4.填料函式换热器。

填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

两流体温度变化情况：甲苯进口温度为86℃，出口温度52℃，冷流体进口温度22℃，出口温度38℃；冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。选用φ25mm×2.5mm的碳钢，管内流速设为0.5m/s。

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

管程流体的定性温度为：（℃

甲苯的定性温度为： (

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

甲苯在69℃下的有关物性数据。

密度822.85 kg/m

定压比热容 =1.88 kj/(kg·k)

导热系数0.1244w/(m·℃)

粘度0.000358 pa·s

循环冷却水在30℃下的物性数据。

密度995.7 kg/m

定压比热容 =4.174 kj/(kg·k)

导热系数0.618w/(m·k)

粘度0.0008015pa·s

4.2 冷却水用量。

因为。所以℃

参考表4-7，选总传热系数，则。

考虑到15%的面积裕度，

选用φ25mm×2.5mm的传热器（碳钢），初取管内流速。

依据传热管内径和流速确定单程传热管数。

按单程管计算，所需的传热管长度为。

采用多管结构。若取传热管长l=4.5m，换热器管程数为2，则。

取管总数n=74根，每管程的管数n=74/2=37根。

由换热器系列标准初选浮头式换热器型号为bes400-2.5-25-4.5/25-2ⅱ

平均传热温差校正系数。

按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表，可得。

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

采用正三角形排列方法。

取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25(mm) 取整t=32

横过管束中心线的管数。

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