化工原理课程设计

3.2.4 传热系数的选取 12

4.4 其他部件 15

5.1.1管程阻力 16

6 换热器的设计计算 18

6.2.3 估算传热面积 20

特别鸣谢 29

设计任务书。

2 概述。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。

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，以列管式应用最广。

2.1 换热器的类型。

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。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。其主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。

一种流体在管内流动其行程称为管程；另一种在管外流动，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，使湍动程度大为增加。

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。若两流体的温差较大（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。根据热补偿方法的不同，列管式换热器有下面几种形式。

2.1.1. 固定管板式换热器。

这类换热器如图1所示。

固定管板式换热器主要由外壳、管板、管束、封头、折流板等部件组成。管子两端与管板的连接方式可用焊接法或胀接法固定，壳体则同管板焊接，从而管束、管板与壳体成为一个不可拆的整体。

图1 固定管板式换热器。

特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。

2.1.2. u型管换热器。

u型管换热器结构如图1-2所示。

图2 u型管式换热器。

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型环热管有温差时，不会产生温差应力。

特点：结构简单，适用于高温和高压场合，管间清洗方便，但管内清洗困难，制造困难。

2.1.3. 浮头式换热器。

浮头式换热。

器的结构如图3所示。

浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力；而且由于固定端的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。

图3 浮头式换热器。

特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构型式。

2.1.4 填料函式换热器。

填料函式换热器的结构如图4所示。

图4 填料函式换热器。

其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。其缺点是填料函严密性不高，壳程介质可能通过填料函外漏，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

2.2 设计主要内容。

1）各种换热器的性能和特点，以便根据工业要求选用适当的类型。

2）换热器基本尺寸的确定、传热面积计算以及流体阻力的核算等，以便于在有系列化标准的换热器中，选定合适的规格。

设计必须做到经济上合理，技术上可行，也即最优设计。

3 换热器的工艺设计。

3.1 设计方案的确定。

确定设计方案的原则：

（1）满足工艺和操作的要求。

设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等，并自确定方案时，考虑到各种流体的流量，温度和压强变化使采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，加修应方便。

2）满足经济上的要求。

在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置时，要有经济核算的观点，既能满足工艺和操作要求，又使施工简便，材料**容易，造价低廉。如果有废热可以利用，要尽量节省热能，充分利用，或者采取适当的措施达到降低成本的目的。

3）保证安全生产。

在工艺流程和操作中若有**、燃烧、中毒、烫伤等危险性，就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演算，除按规定应有一定的安全系数外，还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等。以上提到的都是为了保证安全生产所需要的。

设计方案也可能一次定不好，后来需要修改，但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算有影响，所以最好第一次确立就考虑周到些。

3.1.1 换热器型式的选择。

换热器的种类繁多，选择时应根据操作温度，操作压力，换热器的热负荷，管程与壳程的温度差，换热器的腐蚀性及其他特性，检修与清洗的要求等因素，进行综合考虑。

两流体温的变化情况：

热流体进口温度120 ℃ 出口温度50 ℃；

冷流体进口温度 30 ℃，出口温度为50 ℃；

该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，并且煤油属于油性液体，不易清洗，考虑到以上因素，选用浮头式换热器。浮头式便于拆卸、清洗，且煤油走壳程也方便散热，与冷却介质温差较大，也避免产生温差应力产生管道变形。因此初步确定选用浮头式列管换热器。

3.1.2 流径的选择。

管、壳程的选用原则：传热效果好、结构简单、清洗方便。一般考虑到如下方面：

1）不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗的一侧；

2）腐蚀性的流体宜走管程，以免壳体和管束同时受腐蚀；

3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量；

4）饱和蒸气宜走管程，以便及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，以免污染壳程；

5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。

6）有毒流体宜走管程，以减少向环境泄露的机会；

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

8）粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，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。

从两流体的操作压力看，应使煤油走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；煤油属于油性液体，不易清洗；又知被冷却的流体宜走壳程，便于散热。所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程。

3.1.3 流体流速的选择。

流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管程堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。

增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。

根据经验，表1列出一些工业上常用的流速范围。

表1 列管式换热器常用流速的范围。

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