化工原理课程设计

题目：列管式换热器的设计。

学院：化学化工学院。

班级：学号：

姓名：指导教师：

日期：2010.8.30---2010.9.10

一、设计书3

二、概述4

三、换热器形式及流体流动空间的选择。7

四、换热器的工艺计算9

五、换热器的核算14

六、壁温核算16

七、压强降的核算………17

八、管式换热器（结构尺寸设计18

九、主要符号说明31

十、参考文献32

十。一、后记33

一、任务书。

1）设计题目：煤油冷却器的设计。

2）设计任务及操作条件。

1处理能力：18万吨/年煤油

2设备形式：列管换热器。

3操作条件。

1）煤油：入口温度100℃，出口温度35℃

2）冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度40℃

3）允许压强降：不大于100kpa

4）煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.15×比热容2.22kj/(kg.℃)导热系数0.14w/(m.℃)

5）每年按330天计，每天24小时连续运行。

3）选择适宜的列管式换热器并进行核算。

3.1 传热计算。

3.2 管、壳程流体阻力计算。

3.3管板厚度计算。

3.4 u形膨胀节计算（浮头式换热器除外）

3.5 管束振动。

3.6 管壳式换热器零部件结构。

4）绘制换热器装配图（a2图纸）

5）设计时间。

2023年8月30日---2023年9月11日

指导老师：王帅。

二、概述。

1.换热器概述。

换热器（英语翻译：heat exchanger），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。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。

2.列管式换热器概述。

列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。

在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

在列管式换热器中，管束的表面积即为该换热器所具有的传热面积。当传热面积较大，管子数目较多时，为了提高管内流体的流速，增大管内一侧流体的传热膜系数，常将全部管子平均分成若干组，流体每次只流经一组管子，即采用多管程结构。其方法是在封头内装设隔板，在一端的封头内装设一块隔板，便成二管程；在进口端装两块挡板，另一端装一块隔板，便成四管程；如此，还可以设置其他多管程，但过多使流体阻力增大，隔板占有分布管面积，而使传热面积减小。

列管换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管换热器，不锈钢列管换热器和碳钢与不锈钢混合列管换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、u型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2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：

固定管板式换热器：

这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。

同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

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60～70℃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。

浮头式换热器：

换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。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。

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。

u型管式换热器：

u形管式换热器，每根管子都弯成u形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。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。

优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。

3.设计背景和设计要求。

化工原理课程设计是一门重要的实践课程，是综合运用《化工原理》课程和有关先修课程所学知识，完成以化工单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计，对学生进行设计技能的基本训练，培养学生综合运用所学的书本知识解决实际问题的能力，也为毕业设计打下基础。因此，化工原理课程设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节。

化工原理课程设计应以化工单元操作的典型设备为对象，课程设计的题目尽量从科研和生产实际中选题。化工原理课程设计内容包括：

设计方案简介：包括对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。

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。

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。

工艺流程图：以单线图的形式绘制，标出主要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。

主要设备工艺条件图：包括设备的主要工艺尺寸。

编写设计说明书：掌握设计说明书的编写方法和格式。包括设计任务书、目录、设计方案简介与评述、工艺设计及计算、主要设备设计、工艺流程示意图，设计结果总汇，设计结果的自我评价和结束语、参考文献等，要求整个设计内容全部用计算机打字排版、打印（其参见打印文本格式）。

设计结果汇总表、参考文献等内容，并附工艺流程图和主要设备结构图。

三、换热器形式及流体流动空间的选择。

一）选定换热器类型。

两流体温度变化情况：热流体（煤油）入口温度为100℃，出口温度为35℃；冷流体（自来水）入口温度为25℃，出口温度为40℃。因该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温和管壁温相差较大，故选用带膨胀节的列管式换热器。

本设计中空气压缩机的后冷却器选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于下列情况：①温差不大；②温差较大但是壳程压力较小；③壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第②种情况。

另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。

采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。

本设计中的固定管板式换热器采用的材料为钢管。

流动空间及流速的确定

在固定管板式式换热器中，对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：

1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低re(re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

由于水的垢性较煤油强，工作压力较高，煤油相对较为纯净，且循环冷却水的推荐流速大于煤油的推荐流速；另外，为了使热流体煤油有更大的接触面积以及便于水垢的清理；因此可以采用循环冷却水为管程流体，煤油为壳程流体的逆流流动模式。

四、换热器的工艺计算。

1、定性温度。

对于一般气体和水、煤油等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。本设计是煤油冷却器的设计，工艺要求煤油（热流体）的入口温度为100oc，出口温度为35oc；自来水（冷流体）的入口温度为 25oc，出口温度为40oc

1.1两流体的定性温度如下：

煤油的定性温度。

冷却水定性温度。

两流体的温差，（<50℃）

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