浮头式换热器课程设计

化工原理课程设计。

题目：列管换热器的设计。

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目录。一、设计任务和设计条件错误！未定义书签。

二、确定设计方案 3

2.1 选择换热器的类型 3

2.2 流程 3

三、确定物性数据 4

3.1 操作条件 4

3.2 物性参数 4

四、估算传热面积 5

4.1 传热量 5

4.2 冷却水用量 5

4.3 平均温差 5

4.4 初算总传热面积 5

五、工艺结构尺寸 5

5.1 管径和管内流速 5

5.2 管程数和传热管数 6

5.3 平均温差校正及壳程数 6

5.4 传热管排列和分程方法 6

5.5 壳体直径 7

5.6 折流板 7

5.7 其他附件 7

5.8 接管 8

六、换热器核算 8

6.1 热流量核算 8

6.2 壁温核算 10

6.3 换热器内流体的流动阻力 10

七、换热器主要结构尺寸和计算结果 11

八、参考文献 12

九、设计总结 12

英文字母。b——折流板间距，m；

d——管径，m；

d——换热器外壳内径，m；

—摩擦系数；

f——系数；

h——圆缺高度，m；

k——总传热系数，w/(m2·℃)

l——管长，m；

m——程数；

n——指数；

n——管数；

nb——折流板数；

nu——努塞尔特准数；

p——压力，pa；

pr——普兰特准数；

q——传热速率，w；

r——半径，m；

r——热阻，m2·℃/w；

re——雷诺准数；

a——传热面积，m2；

t——冷流体温度，℃；

a——管心距，m；

t——热流体温度，℃；

u——流速，m/s；

—质量流量，kg/s，—体积流量，m3/s。

希腊字母。——对流传热系数，w/(m2·℃)

——有限差值；

——导热系数，w/(m·℃)

——粘度，pa·s；

——密度，kg/m3；

——校正系数。

下标。c——冷流体；

h——热流体；

i——管内；

m——平均；

o——管外；

第一章、绪论。

1.1对换热器的认识。

热交换设备，顾名思义就是用来进行热量交换的设备，而这个热量的概念是一个广义的概念，也包括冷量。因为站在不同的角度，热量和冷量这个概念是可以相互转化的。根据热量交换的形式不同，热交换设备可以分为间壁式换热器、混合式换热器以及蓄热式换热器。

间壁式换热器在其热量交换过程中需要通过某一个介质壁，这个介质壁使用最多的是金属，也有使用非金属材料的，两个需要互相交换热量的流体通过这个介质壁交换热量，而两个流体之间并不直接接触。常见的间壁式换热设备有管壳式换热器和板面式换热器两类，化工企业中应用最广泛的列管式换热器是属于间壁式换热设备的一种。混合式换热器是两种需要交换热量的流体直接混合接触，使两者温度趋于相同，如冷水塔，用冷水直接喷淋需要冷却的气体。

蓄热式换热器是利用一种蓄热介质，使需要交换热量的流体交替流过蓄热介质，从而达到交换热量的目的，利用蓄热器可**高温炉气中的热能，也可用于太阳能的**利用。根据交换热量的目的不同，换热设备可以分为加热器、蒸发器、再沸器、冷凝器、冷却器。加热器、蒸发器、再沸器交换热量的目的是使我们的目标物体温度提高或由液态变成气态，如加热器的目的是使目标物体温度提高，蒸发器的目的是使目标物体由液体变成气体，该三种换热设备均需由公用工程提供热量给目标物体；而冷凝器、冷却器交换热量的目的是使目标物体的温度降低或由气态变成液态，这两种换热设备均需由公用工程提供冷量给目标物体。

1.2列管换热器简介

根据前面的介绍，列管式热交换器是属于间壁式管壳类的换热器，根据管束、管板、壳体、管箱等不同结构，又可以分为以下5种不同的结构形式。⑴固定管板式热交换器该热交换器的两端管板采用焊接方法与壳体固定连接。换热管可为光管或低翅管。

其结构简单，制造成本低，能得到较小的壳体内径，管程可分成多程，壳程也可用纵向隔板分成多程，规格范围广，故在工程中广泛应用。该换热器壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对于较脏或对材料有腐蚀性的介质不能走壳程。壳体与换热管温差应力较大，当温差应力很大时，可以设置单波或多波膨胀节减小温差应力浮头式热交换器该换热器一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。

壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这给检修和清洗提供了方便。这种形式的热交换器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。

浮头式热交换器结构复杂，**较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能。⑶u形管式热交换器该换热器是将换热管弯成u形，管子两端固定在同一块管板上。由于换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。

该热交换器仅有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗。但管内清洗稍困难，所以管内介质必须清洁且不易结垢。因弯管时必须保证一定的曲率半径，所以管束的中心部分存在较大的空隙，在相同直径的壳体中排列的管子数较固定管板式少，**较固定管板式高10%左右。

该热交换器一般用于高温高压情况下，尤其适合于壳体与换热管金属壁温差较大时的场合。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程填料函式热交换器该换热器的浮头部分伸在壳体之外，换热管束可以自由滑动，浮头和壳体之间填料密封。对于一些壳体与管束温差较大，腐蚀严重而需经常更换管束的热交换器，可采用填料函式热交换器。

它具有浮头热交换器的优点，又克服了固定管板式热交换器的缺点，结构简单，制造方便，易于检修清洗。填料函式热交换器不适宜在高温、高压条件下使用，同时对壳程介质也有限制，对易挥发、易燃、易爆、有毒等介质不宜走壳程。

二、确定设计方案。

两流体温度变化情况：热气体进口温度90℃,出口温度40℃;冷流体的进口温度为20℃,该换热器用循环冷却水冷却，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。

2.3管程安排。

管程与壳程是就管壳式换热器而言的。冷热物流在关内外流动进行换热。

流径选择有如下几点参考：

1.不洁净和易结垢流体走管内，方便清洗。

2腐蚀性流体走管内，避免管壳同时腐蚀，也便于清洗检修。

3高压流体走管内，避免壳体受压，节省壳体金属消耗量。

4饱和蒸汽走壳程，便于及时排除冷凝液，且蒸汽较清洁。

5有毒液体走管内，减少泄漏机率。

6被冷却流体走管内，可利用外壳向外散热作用，增强冷却效果。

7粘度大或流量小的流体走壳程，利用折流板在低雷诺数下达到湍流，提高对流传热系数。

8冷热流体温差较大时，对流系数大者走壳程，因为壁面温度与辐射传热系数（α）大的流体温度相近，可以减少热应力。

醋酸腐蚀、有毒性应走管程，冷却水走壳程。

热气体走管程，冷却水走壳程，其示意图如图2-1

图2-1 浮头式换热器示意图。

已知条件：醋酸：t1=84℃，t2=48水 : t1=26℃ ,t2=40℃

对于一般流体和水等低黏度流体，其定型温度可取流体进出口温度的平均值。故管程流体的定性温度为。

t=(84+48)/2=66℃

壳程冷却水的定性温度为。

tm=(26+40)/2=33℃

管程流体在66℃下的有关物性数据如下：

密度i =1010.8447kg/m3

定压比热容 cpi=2.1749kj/(kg.℃)

热导率 λi=0.1607w/(m.℃)

黏度i=0.646827×

壳程冷却水在33℃下的有关物性数据如下：

密度o=994.6621kg/m3

定压比热容 cpo=4.1796kj/(kg.℃)

热导率o=0.6188w/(m.℃)

黏度o=0.7488×

已知条件：醋酸处理量。

4.2 冷却水用量。

qm,c=q/（cpi.）=151.35/（4.18×10=3.62kg/s=13034.9kg/h

t=(t-tm)/ln(t/tm)=(50-10)/(50/10)=24.85℃

管程压力较大，故k应合理取值，查文献：热气体走管程冷却水走壳程的总的传热系数范围在10～240w/（m2·k），假定总传热系数k=200w/（m2·k），则计算所需传热面积为：

s估=q/1.选用φ19mm×2mm较高级冷拔传热管（碳钢）

2.查文献管程流体流速范围在0.5～2.4m/s，取管内流速μi=1.5m/s

依据传热管内径和流速确定单程传热管数。

ns=q/(π4di2μi)=3/10.31×3.14/4×0.022×18=51.4≈51根。

按单程管计算，所需的传热管长度为。

l=s估/πdons=30.45/3.14×0.025×51=7.6m

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用双管程设计，则传热管长l=3.8m，则管程数为。

np=2（管程）

传热管总根数。

nt =51×2=102根。

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