化工原理课程设计

学院：化学与环境工程学院

班级： k0414411

姓名：汪桐。

学号： k041441103

指导教师：谭志伟。

2024年

列管式换热器》设计任务书

班级 k041441103姓名汪桐

一、设计题目：列管式柴油冷却器的工艺设计。

二、设计任务及操作条件。

1）设计任务。

非标准系列列管式柴油冷却器的工艺设计。

说明：对于非标准系列列管式换热器的设计，因是非标，显然不能按照标准系列列管式换热器在标准系列规格中进行选型设计，而应按照非标准系列列管式换热器的设计程序进行。

2）操作条件。

处理能力 3.3×104t/a柴油。

设备型式列管式换热器（或立式、或卧式）。

操作条件。柴油入口温度： 114 ℃，出口温度： 39 ℃

冷却介质：自来水，入口温度： 29 ℃，出口温度： 49 ℃

允许压降：不大于105pa

每年按330天计，每天24h连续运行。

已知柴油的有关物性数据：密度ρ1=994kg/m3；定压热比容cp，1=2.22kj/(kg·℃)热导率λ1=0.14w/(m·℃)黏度μ1=7.15×10-4 pa·s

三、设计项目(说明书格式)

1、封面、任务书、目录。

2、设计方案简介：对确定的换热器类型进行简要论述。

3、换热器的工艺计算：

1) 确定物性数据。

2) 估算传热面积。

3) 工艺结构尺寸。

4) 换热器核算：包括传热面积核算和换热器压降核算。

4、换热器的机械设计。

5、绘制列管式换热器结构图（cad）。

6、对本设计进行评述。

7、参考文献。

成绩评定指导教师。

2024年月日。

课程设计内容。

1 设计方案简介。

1.1 选择换热器类型。

1.2 冷热流体流动通道的选择。

2 工艺设计计算。

2.1 确定物性数据。

2.2估算传热面积。

2.3 工艺结构尺寸。

2.3.1 管径和管内流速。

2.3.2 管程数和传热管数。

2.3.3 管子排列方式和分程方法。

2.3.4 平均传热温差校正及壳程数。

2.3.5 壳体内径。

2.3.6 折流板。

2.4 换热器核算。

2.4.1 传热面积校核。

2.4.2 换热器内流体流动阻力。

2.5 换热器主要结构尺寸和计算结果。

3 换热器机械设计。

3.1 壳体壁厚。

3.2 管板尺寸。

3.3 接管尺寸。

3.4 换热器封头选择。

3.5 膨胀节选择（根据设计可选可不选）

3.6 其他部件。

4 评述。4.1 可靠性评价。

4.2 个人感想。

5 参考文献。

附表换热器主要结构尺寸和计算结果。

附录换热器结构图。

目录。1 引言 6

2系统设计 7

2.1 传统模式研究的现状分析 8

2.2 课题研究的目的及意义 8

3 系统方案介绍及比较 9

3.1 系统方案论证 9

3.1.1 设计 9

其总传热系数 10

管径和管内流速 11

管程数和传热管数 11

平均传热温差校正及壳程数 12

传热管排列和分程方法 12

壳体内径 12

折流板 13

接管 13换热器内流体的流动阻力 15

4设计结果汇总表 17

5设计评述 19

6 心得体会 20

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各换热器，且它们是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器大的机构尺寸。

列管式换热器的应用已有很悠久的历史。在化工、石油、能源设备等部门，列管式换热器仍是主要的换热设备。列管换热器的设计资料已较为完善，已有系列化标准。

目前我国列管换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（gb151）标准执行。

列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、u型管换热器和填料函式换热器等。

固定管板式换热器有结构简单、排管多等优点。但由于结构紧凑，固定管板式换热器的壳侧不易清洗，而且当管束和壳体之间的温差太大时，管子和管板易发生脱离，故不适用与温差大的场合。

浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷进行了改进。两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端可相对与壳体移动。故这种换热器的管束膨胀不受壳体的约束，而且易于清洗和检修，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。

但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。

u型管换热器仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上。这类换热器的特点有：管束可以自由伸缩，热补偿性能好；双管程，流程长，流速高，传热性能好；承压能力强；管束可以从壳体中抽出，且结构简单，造价低。

但其管数少且易短流。故仅适用于管壳壁温差较大，或壳程介质易结垢而管程介质不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。

填料函式换热器也只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨胀，结构比浮头式简单，造价较低。但填料函易泄露，故壳程压力不宜过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。

列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及前度设计。其中以热力设计最为重要。不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用要求，均需进行这方面的工作。

热力设计是指，根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备。

结构计算指的是根据传热面积的大小计算器主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目及布置以及连接管的尺寸，等等。

列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：

1. 根据换热任务和有关要求确定设计方案；

2. 初步确定换热器的结构和尺寸；

3. 核算换热器的传热面积和流体阻力；

4. 确定换热器的工艺结构。

工艺流程图及说明。

工艺流程图。

主要说明：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，煤油走壳程。如图，煤油经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管c进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管a进入换热器管程。

两物质在换热器中进行换热，煤油从140℃被冷却至40℃之后，由接管d流出；循环冷却水则从30℃变为40℃，由接管b流出。

2.2 课题研究的目的及意义。

锻炼学生的综合能力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、设备选型、绘制图形、编写说明书。培养工程观念：理论→小试→放大。

1设计方案简介。

根据两流体的温度变化：热流体进口温度114 ℃，出口温度为 39 ℃，冷流体入口温度29℃，出口温度49 ℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季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度和壳体温度之差较大，因此，初步确定选用带有膨胀结的固定板管式换热器。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。式换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使冷却水走管程，煤油走壳程。流向选用逆流。

实际生产中，冷却水一般为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走管程，煤油走壳程。选用φ20×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=0.

5m/s

2工艺设计计算。

2.1 确定物性数据。

管程冷却水的定性温度为：t=（29+49）/2=39℃

壳程煤油的定性温度为：t=(114+39) /2=76.5℃

根据定性温度下流体的物性，见下表。

图表：定性温度下流体的物性。

2.2估算传热面积。

先计算热负荷和冷却水流量。

qm1=3.3×107/(330×24)=4166.67kg/h

热负荷量：q= qm1cp1(t1-t2)

6.938×105kg/h=19.272kw

冷却水量：qm2=q/cp2（t1-t2）

=8310.38kg/h

计算两流体的平均温差。

管层传热系数。re=

壳程传热系数。

假设壳程传热系数

污垢热阻。管壁的导热系数。

计算传热面积。

考虑15%的面积裕度，

管径和管内流速。

选用φ20×2.5传热管（碳钢），取管内流速。

管程数和传热管数。

依据传热管内径和流速确定单程传热管数。

根）按单程管计算，所需的传热管长度。

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长lo=6m,则该换热器管程数为。

管程）传热管总根数 (根)

平均传热温差校正及壳程数。

平均传热温差校正系数。

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但r=10的点在图上难以读出，因而相应以1/r代替r，pr代替p，查同一图线，可得。

平均传热温差。

传热管排列和分程方法。

采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

取管心距，则。

横过管束中心线的管数。

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