换热器课程设计

化工原理课程设计。

纯苯液体冷却器。

化工原理是在研究化学工业共性的基础上发展起来的。本课程属于技术基础课程，主要研究化工生产中的物理加工过程，按其操作原理的共性归纳成若干个“单元操作”，研究对象由过程和设备两部分组成。

化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中可培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。本课程是化工原理课程教学的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。

换热器按照结构形式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器；u形管换热器；填料函式换热器。

固定管板式换热器由两端管板和壳体构成。由于其结构简单，运用比较广泛，是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。

随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能**带来了显著的经济效益。

编者。于太原工业学院。

目录。一、设计题目：—纯苯液体冷却器。

二、设计条件：

1、处理能力：14000kg/h

2、设备形式：列管式换热器。

3、操作条件

允许压力将0.02mpa 热损失：按传热量的10%计算。

三、设计内容。

1、前言。2、确定设计方案（设备选型、冷却剂选择、换热器材质及载体流入空间的选择）

3、工艺设计。

初估换热面积，并确定换热器基本尺寸（包括管径、管长、程数、每管程数、管子排列、壁厚、换热器直径、流体进出管管径等计算）

4、换热器核算、

1）核算总传热系数（传热面积）

2）换热器内流体的流动阻力校核（计算降压）

5、机械结构选用。

1）管板选用、管子在管板上的固定、管板与壳体连接结构。

2）封头类型选用。

3）温度补偿装置的选用。

4）管法兰选用。

5）管、壳程接管。

6、换热器主要结构尺寸和计算结果表。

7、结束语（包括对设计的自我评价及有关问题的分析讨论）

8、换热器结构和尺寸（1#图纸）

9、参考资料目录。

固定管板式换热器概述。

固定管板式换热器由两端管板和壳体构成。由于其结构简单，运用比较广泛。

固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能**带来了显著的经济效益。

固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（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。

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。

特点：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。

优点：1、旁路渗流较小；2、锻件使用较少，造价低；3、无内漏；4、传热面积比浮头式换热器大20%～30%。

缺点：1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t≤50℃,当t≥50℃时必须在壳体上设置膨胀节；2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3、壳程无法机械清洗；4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。

确定设计方案的原则：满足工艺和操作上的要求，确保安全生产，做到经济、技术上的合理，及尽量节省设备和操作费用。

1）选择换热器的类型。

1）两流体的温度变化情况：

苯（热流体）入口温度为80℃，出口温度为60℃；

水（冷流体）入口温度为29℃，出口温度为39℃。

从冷热流体的温度来看，换热器的壳体温度和管壁温度二者的温度差并不太大，初步确定选用固定管板式换热器。

2）冷热流体井口温度差。

选用的固定管板式有膨胀节的固定管板式换热器。

3）管程安排。

查阅资料可知，不洁净或易结垢的流体宜走便于清洁的管程，黏度大或者流量小流体的流体宜走壳程，温度较高的流体应在易散热的流体宜走壳程。

根据本设计的实际情况，水在操作温度下平均黏度较大，循环水易结垢，并且如果流速低的境况下，将会加快结垢增长速度，使换热器的热流量下降，而苯为热流体，大于苯在操作温度下平均黏度故总体考虑，应使水走管程，苯走壳程。

（4）流体参数

1）定性温度：对于低粘度的流体，其定性温度可取流体进、出温度的平均值，所以苯和水的定性温度如下：

苯的定性温度：t==70℃

水的定性温度：t==34℃

2）苯在定性温度下的物性参数：密度ρ 830.0kg/m，比热容1.

90kj/(kg·℃)导热系数λ 0.335w/(m·℃）黏度μ 0.136×10-3 pa·s。

3）水在定性温度下的物性参数：密度ρ994.3kg/m，比热容4.17kj/(kg·℃)导热系数λ 0.624w/(m·℃）黏度μ 0.737×10-3 pa·s。

1）计算热负荷。

= (t1-t2)=×1.90×103 ×（80-60）=1.478×105w

2）冷却水用量。

= =3.19kg/s=11482 kg/h

3）传热平均温度差

4）平均传热温差校正及壳程数。

平均温度校正系数的计算。

r = 2

p = 0.196

按单壳程，双管程结构查表可知= 0.965

平均传热温差 = 0.965×36= 34.74℃

由于平均传热温度校正大于0.8，同时壳程流体流量较大，故选取单壳程较为合适。

5）初算换热面积。

参照传热系数k的大致范围为300k-800k，所以假设k = 600w/(㎡

则估算传热面积 a估== 6.38

1）管径和馆内流速

选用φ25mm×2mm的无缝钢管（碳钢），取管内流速1.1m/s。

2）总管数和管程数

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。

取标准管长 l标 =3 m，所以传热管程数m=2

传热总管数n = m =14×2 = 28根。

所以总管数n=28+4=32根，即数据圆整为n=36根。

3）传热管排列和分程方法。

管程是双程，所以采用组合排列法，每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。管子与管板采用焊接结构。

管心距取 pt= 1.25 = 1.25×25= 32 mm

（4）壳体直径

采用多管程结构，管板利用率η =0.8

则壳体内径为：d = 1.05 =1.05×32×= 225.39mm

按壳体标准圆整数据取 d =273mm

隔板中心到离其最近一排管中心距离。

6）折流挡板。

采用弓形折流挡板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度为：

h = 0.25×273=68.25mm

取折流板间距

b = 150mm

折流板数总传热系数核算。

管程传热系数

流体被加热

故w/(㎡管外传热系数。

管子按正三角形排列，传热当量。

壳程流通截面积。

壳程流体流速。

壳程中苯被冷却，取。

w/(㎡管内，外侧热阻分别取：㎡·w；

·℃/w。已知管壁厚度b=0.002m;取碳钢导热系数。

w/(m·℃)

总传热系数k为。

w715-<50

传热面积核算。

所需传热面积。

前已算出换热器的实际传热面积，则。

故满足生产要求。

核算压力降。

管程压力降。

已知：;；湍流)。对φ25mm×2mm的管子，；对于碳钢管，取管壁相对粗糙度取。

由关系图中查得。

壳程压力降。

已知：有。管子按正三角形排列

折流档板间距

折流挡板数。

壳程流通截面积㎡

壳程流速计算结果表明，管程与壳程的压力降均能满足设计要求。

1) 换热管的选择

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