1、2014屆化工原理課程設計45萬噸列管式換熱器的設計學生姓名 學號7071210235所屬學院生命科學學院專業化學工程與工藝班級化工14-2班指導教師 田維亮 李秀敏塔里木大學教務處制目錄化工原理課程設計（塔里木大學）化工原理課程設計任書 1摘要3第一部分 前言4第二部分換熱器設計簡介52.1換熱器的類型522設計方案簡介 6第三部分列管式換熱器的設計計算 83.1試算并初選換熱器規格 8第四部分換熱器設計104.1初步選擇換熱器規格 104.2核算總傳熱系數 Ko 114.3計算壓強降13第五部分零件計算145.1管子的規格和排列方法 145.2管程和殼程數的確定 155.3外殼直徑的確定1

2、55.4折流板形式的確定 165.5主要附件的尺寸設計 16第六部分 設計結果匯總表17參考文獻18小結19附錄20化工原理課程設計教師評分表 21化工原理課程設計任書專業化學工程與工藝班級化工14-2班學牛姓名燕學文發題時間：2012 年 12 月 8 日一、設計題目：煤油冷卻器的設計1. 處理能力：年處理煤油45萬噸2. 設備形式：列管式換熱器3. 設計參數(1) 煤油：入口溫度 140C，出口溫度 40 C(2) 冷卻介質：自來水，入口溫度30C，出口溫度40C(3) 允許壓強降：不大于 100kPa(4) 煤油定性溫度下的物性數據：密度825kg/m3，黏度7.15 x 10-4Pa.

3、s，比熱容2.22kJ/(kg. C )，導熱系數 0.14W/(m. C )(5) 每年按330天計，每天24小時連續運行(6) 建廠地區：大氣壓為760mmHg自來水年平均溫度為 20 C的庫車縣。三、設計要求和工作量完成設計說明書一份四、設計說明書主要內容(參考)化工原理課程設計任務書摘要第-早前言第二早換熱器設計簡介換熱器概述換熱器的分類換熱器選型及其依據 管程和殼程數的確定 流動空間的選擇 流體流速的選擇 流動方式的選擇第三章列管式換熱器的設計計算 傳熱系數K 平均溫度差對流傳熱系數污垢熱阻流體流動阻力(壓強降)的計算第四章 換熱器設計確定物性數據傳熱面積初值計算管側傳熱系數管內給熱

4、系數傳熱核算殼側壓力降管側壓降計算裕度計算第五章零件計算封頭緩沖擋板放氣孔、排液孔接管假管拉桿和定距管膨脹節第六章設計結果匯總主要結構參數表第七章設計小結參考文獻附 錄五、主要參考文獻:1 譚天恩，等化工原理（第三版）北京：化學工業出版社， 2009:2:大連理工大學化工原理教研室 化工原理課程設計大連：大連理工大學出版社，1994:3 賈紹義，柴誠敬化工原理課程設計天津：天津大學出版社，2002:4:時鈞主編化學工程手冊（第二版）北京：化學工業出版社，1996 參考文獻并不局限于上述所列。六、設計進度安排下發設計任務書并進行初步講解0.5天搜集、查閱相關資料并完成綜述0.25天確定工藝條件和

5、設計方案0.25天完成設計計算3天完成附屬設備主要工藝尺寸計算0.5天總結0.5天七、儀器設備塔里木大學化工原理實驗室查資料和進行計算機輔助設計指導教師（簽名）：2012年月日5摘要化工原理課程設計（塔里木大學）首先，根據任務書要求，結合換熱介質物性標準確定換熱器類型。 其次，根據流體流動及傳熱等章節中關于流動阻力、傳熱面積的計 算，初步確定達到設計要求所要的傳熱面積，確定傳熱器大致尺寸，然后根據壓降校核、傳熱校核確定傳熱尺寸，最后，通過化工機械 確定換熱器各附件尺寸。經過上述步驟選定固定板式換熱器，本換 熱器的處理能力是45萬噸，采用單殼程、4管程，共用710根換熱 管，管程壓降6.694

6、io4Pa,殼程壓降5.5439 io4Pa,裕度29.3%, 此換熱器符合生產要求。關鍵詞：固定板式換熱器、設計、任務書第一部分前言換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交 換器。換熱器的應用廣泛，它的主要功能是保證工藝過程對介質所要 求的特定溫度，同時也是提高設備能源利用率的主要設備之一。換 熱器既可以是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也 可是某一工藝設備的組成部分，如列管式熱交換器。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業生產中，常常需要把 低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽 冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有密切聯系，因而均可通過換 熱器來

7、完成。第二部分換熱器設計簡介2.1換熱器的類型換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量交 換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。 在這類換熱器中，冷、熱流體被固體 壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面傳給冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此

8、類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合 的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。 此類換熱器結構簡單， 可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。 其缺點是設備的體積 龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據結構特點，間壁式換熱器

9、可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統的標準換熱設備，在許多工業部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發展中得以繼續存 在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節的固定管板式、浮頭式和 U形管式

10、等幾種類型。2.2設計方案簡介根據列管式換熱器的結構特點，主要分為以下四種。 以下根據本次的設計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。9化工原理課程設計(塔里木大學)(1) .固定管板式換熱器這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結余構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測 清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發生介質的泄漏。圉-1固定 書板武換熱辭一折流？1扳 2骨啦 3怵 4-M頭 56轉板(2) . U型管換熱器U型管換熱器結構

11、特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當殼體與U型環熱管由溫差時，不會產生溫差應力。U型管式換熱器的優點是結構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束 可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內程管子壞了不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。lil 1-2 u璽骨式換熱齬(3) . 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結構如下圖1-3所示。其結構特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式

12、換熱器的優點是黨環熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環熱管膨脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可以從殼體內抽搐，便 與管內管間的清洗。 其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封 不嚴，易發生泄漏，造成兩種介質的混合。尉浮頭式挽熱器1売需 2固走悟彊 3隔扳 4 一浮頭鉤圈法里 ，一浮剁會框一浮頭盤(3).填料函式換熱器填料函式換熱器的結構如圖 1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮， 不會產生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低； 管束可以從殼體

13、內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼 程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質不適用。圖1-4 垃料騎武換熱睹1 活利竹楓工一地料弘難加塡料 4一瑕料網 4 一縱向附板(5).換熱器類型的選擇我們設計的是煤油冷卻器，冷卻器是許多工業生產中常用的設備。列管式換 熱器的結構簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣。列管式換熱器有固定管板式、 浮頭式、U形管式和填料函式等類型。列管式換熱器的形式主要依據換熱器管程 與殼程流體的溫度差來確定。由于兩流體的溫差大于50 !C，故選用帶補償圈的固定管板式換熱器。這類換熱器結構簡單、價格低廉，但管外清洗困難，宜處理

14、殼方流體較清潔及不易結垢的物料。因水的對流傳熱系數一般較大，并易結垢， 故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。第三部分 列管式換熱器的設計計算3.1試算并初選換熱器規格(1) 、定流體通入空間兩流體均不發生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數一般較大，并易結垢，故選擇 水走換熱器的管程，煤油走殼程。(2) 、確定流體的定性溫度、物性數據，并選擇列管式換熱器的形式：被冷卻物質為煤油，入口溫度為140C ,出口溫度為40：C冷卻介質為自來水，入口溫度為 30C，出口溫度為40。煤油的定性溫度： Tm -(140 40)/2 =90：C水的定性溫度：tm = (30 40)/2 =35：；C兩流體的

15、溫差：Tm -tm =90 -35 =55：C由于兩流體溫差大于 50C，故選用帶補償圈的固定管板式列管換熱器。表3-1兩流體在定性溫度下的物性數據'、物性流體X溫度C密度Pkg/m3黏度卩mPa s比熱容Cp kJ /(kg C)導熱系數丸W/(m=C)煤油908250.7152.220.14水359940.7284.1740.626(3) 、計算熱負荷Q按管內煤油計算，即53(140-40)=3.50 38 1 06W4.5 心 05 漢 1033Q =0Cph(T 丁2)=x2.22"03xp330 x 24 x 3600若忽略換熱器的熱損失，水的流量可由熱量衡算求得，

16、即3.5038 106WC Cp,c(t2 7) 一 4.174 103 (40-30)83.94kg/S(4)、計算兩流體的平均溫度差，并確定殼程數 逆流溫差屯-飛( 72)-任 7) (140-40)-(40 -30)tm T2 _t1,14040 In40-30= 39.086 C140401040 -3013t? ti40 -3014030= 0.091表3-2校正系數由R和P查圖得溫度校正系數為:,= 0.85，所以校正后的溫度為f tm t =39.086 0.85 = 33.23 C又因=0.850.8，故可選用單殼程的列管式換熱器。4.1初步選擇換熱器規格第四部分 換熱器設計根

17、據管內為水，管外為有機液體，K值范圍為左右350 w/(m2 C) , 假 設2K=430W/(m C)故化工原理課程設計（塔里木大學）62二 277.5mQ 3.5038x10S =-K.：tm380 33.23140+40 40 +30< c由于Tm tm55'C >50"C，因此需要考慮熱補償。2 2煤油溫度高，走殼程可增加其散熱，且煤油粘度較大，裝有折流擋板時，走殼程可在較低的Re下即能達到湍流，有利于提高殼程一側給熱系數。初選固定板式換熱器規格尺寸如下:外殼直徑D1000mm管程流通面積S 0.05570m2 管數n 710管長L 4.5m中心距32mm

18、換熱器的實際傳熱面積管排方式一一正三角形排列公稱壓力P 4kpa管程數4管尺寸 $ 25 x 2.5mm （不銹鋼管）公稱面積S 245.2 m217S0 二 n 二 d0(L-0.1) =710 3.14 0.025 (4.5 - 0.1) = 245.2m2采用此換熱面積的換熱器，則要求換熱過程的總傳熱系數為:QS “tm3.5038 10 6216.3 33.23-4304.2核算總傳熱系數Ko（1）、計算管程對流傳熱系數 «i,因為管中水的質量流量為 Wc二83.94kg /s，貝U3水的體積流量為 Vc 二 Wc/ ' =83.94/994 二 0.08444m /

19、s n 兀 2710 3.1422Adi0.020 = 0.05574m 0Np 444q =Vc/A = 0.08444/0.05574 = 1.52m/s= 4.137 104(湍流)曲,.°2 1.52 994亠 0.728 10= 4.8541Pri 3/174 103 728 佶0.626所以:=0.023 Re0.8Pr0(液體被加熱 n=0.4 ) di-0.023(4.137104)0.8 4.85410.4 =6684W/(m2 C)0.02（2）、計算殼程對流傳熱系數換熱器中心附近管排中流體流通截面積為代二 h D1 牛）=0. 1 5 1.0*025=）0.齋3

20、2 8 1式中h折流擋板間距，取150mmt管中心距，對于 25 2.5mm的管中心距為32mm。煤油的質量流量為 Wh =15.7828kg /s，則煤油的體積流量為 Vh =0/ r =15.7828/825 = 0.01913m3/s由于換熱器為單殼程，所以煤油的流速為：uo 二Vs/代=0.01913/0.03281m/s = 0.5830m/s由于管為三角形排列，則有、 3 2 二 24（t d o） de。24X 32 24 （0.032 一一 0.025 ）24do3.14 0.025=0.0202m煤油在殼程中流動的雷諾數為Re。=deUo "0.0202 0.583

21、0 8250.715X10= 13.588 103因為Reo在2 103 1 106范圍內，故可采用凱恩（Kern）法求算： o，即2.22 103 0715 10”0.14= 11.34由于液體被冷卻取=0.95，所以：。=0.36Re0.55Pr1/i -0.36 0.14（ 13.588 103）0.55 11.341/3 0.95 =990.98W/（m2 C）de0.0202（3）、確定污垢熱阻Rs =3.44 10，m2 C/W （自來水）Rq =1.7179 10，m2 C/W（煤油）（4）、計算總傳熱系數 K0 （管壁熱阻可忽略時，總傳熱系數K0為：）化工原理課程設計（塔里木大

22、學）Ko1丄 RS, Rs 蟲- ：。di : idi1990.98441.7179 103.44 100.0250.025+0.026684 0.02312=550W/(m C)選用該換熱器時，要求過程的總傳熱系數為430，在傳熱任務所規定的流動條件下，計算出的K0 =550 W/(m2 P)，所選擇的換熱器的安全系數為：550 -430430100% =29.3%則該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。4.3計算壓強降(1)、計算管程壓強降' ：Pi =( P：P2)FtNpNs前已算出：ui =1.51m/s Rei =4.137 104(湍流)z 0 1取不銹鋼管壁的粗糙度；-0.1

23、mm，貝U= .= 0 005di 20由摩擦系數圖查得 - 0.034所以di 2= 0.03424.5994 1.5X 0.02 2=8554.6Pa3 994 1.5122-3399.6 Pa對于 25 2.5mm 的管子，有 Ft =1.4,且Np=4,Ns = 1' Pi =( p：p2)FtNpNs = (8554.6 3399.6) 1.4 4 1 = 66.94 103Pa(2)、計算殼程壓強降' Po =( p1：P2)FsNs由于 Fs =1.15, Ns =1所以 ARJFf。nNB 1)?u管子為正三角形排列，則取F=0.5nc=1.1.n=1.1 .,

24、710=29.31折流擋板間距h = 0.15mL4 5折流板數 Nb=-1-1=29h0.15A。二 h( D ncdo)= 0. 1 5 (1. 02 9. 31 =0. 02 5)吊0. 04 0093Uo-0.5830m/ sVs 0.01913m sAO 一 0.03281m2ReodoUo'0.025 0.5830 8250.715 10"= 13.588 103fo =5ReO.228 =5( 13.588 x103)°.228 =0.5710所以.R二 Ff°nJNb 1)工2= 0.5 0.5710 29.31 (29 1)825 0.5

25、830223= 35.197 103PalP2 - N b(3.52h)2ufD 2=29 (3.52 0.151.02825 0.58302= 13.011 103Pa' R =( P：P2)FsNs = (35197 13011) 1.15 1 = 55.439 103Pa從上面計算可知，'二fo、Pi < 105，該換熱器管程與殼程的壓強降均滿足題設要求，故所選換熱器合適。第五部分零件計算5.1管子的規格和排列方法考慮到流體的流速，選用 25 2.5mm規格的管子。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列，它的優點有：管板的強度高；流體走短路的機會 少，且管外

26、流體擾動較大，因而對流傳熱系數較高；相同殼程內可排列更多 的管 子。所以選擇正三角形排列。5.2管程和殼程數的確定管程數m可按下式計算，即um -u'式中 U 管程內流體的適宜速度， m/s;u '單管程時管內流體的實際速度， m/s。取 u =1.5m/s （參考化工原理上冊）水的流量為 WC = 83.94kg/s，對于0 25X 2.5mm的管子,Wcu'兀 2d n483.943 1429940.022 7104=0.3788m/ s亠 m u 1.51 m s 求得m = -u' 0.3788 ms-3.986所以選用4管程。在單殼程中，由R和P查得溫

27、度校正系數為：汽=0.85大于0.8，所以采用單殼程。5.3外殼直徑的確定初步設計中可用下式計算殼體的內徑，即D =1. 0 5./式中D -殼體內徑，m;t -管中心距，m;Nt -換熱管數;t = 0 . 0 3r2 N,二 7 10 ,則 D=1.05 0.032710, 0.85 =0.971m 二 971mm殼體外徑/mm325400,500,600,700800,900,10001100, 1200最小壁厚/mm8101214按照此方法計算得到的殼內徑應圓整，標準尺寸如下表：所以取 D=1000mm , d=12mm5.4折流板形式的確定折流擋板的主要作用是引導殼程流體反復的改變方

28、向做錯流流動，以加大殼程流體流 速和湍動速度，致使殼程對流傳熱系數提高。選擇水平圓缺形折流板，切去的弓形高度為外殼內徑的25.0% （圓缺率的范圍一般為15%45%），即為：1000x15.0% = 150mm。折流板的間距，在允許的壓力損失范圍內希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值 為殼內徑的1/5或者不小于50mm。折流板間距取 h=150mm。折流板的最大無支撐間距如表所示:換熱管外徑（mm）141619253238最大無支撐間距（mm）110013001500185022002500折流板的厚度可由下表得出：（參考文獻：化工設備設計手冊 朱有庭，曲文海主編）公稱直徑DN （mm）換熱

29、管無支撐跨距<3003006006009009001200120015001500折流板的最小厚度（mm）<4003458101040070045610101270090056810121690015006810121616所以取值為12mm5.5主要附件的尺寸設計（1） 、封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小（一般小于400mm）的殼體，圓形用于大直徑的殼體。殼徑為1000mm，選用圓形封。（2） 、緩沖擋板它可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振 動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。（3） 、放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝 氣體和冷

30、凝液等。（4） 、接管換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即式中Vs流體的體積流量，m3/su 流體在接管中的流速，m/s。流速u的經驗值可取為對流體u=0.5-3.5m/s 取液體流速u=1.5m/s，自來水進出口接管的內徑4 0.08444V jrx1.5=268mmDN=270煤油進出口接管的內徑DN=130（5） 、假管為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流斑焊接以便固定。假管通常是每隔34排換熱管安置1根。（6） 、拉桿和定距管為了使折流板能牢固地保持在一定的位置上，通常采用拉桿和定

31、距管。所選擇的拉桿直徑為12mm，拉桿數量為10，定距管25 2.5mm （參考文獻化工設備手冊曲文海主編）（7）、膨脹節 膨脹節又稱補償圈。膨脹節的彈性變形可減小溫差應力，這種補償方法適用于兩流體的溫差低于70 C且殼方的流體壓強不高于600KPa的情況。換熱器的膨脹節一般分為帶襯筒的膨脹節和不帶襯筒的膨脹節。根據換熱器殼側介質的不同，使用的膨脹節就不同，通常為了減小膨脹節對介質的流動阻力，常用帶襯筒的膨脹 節。襯筒應在順介質流動的方向側與殼焊接。對于臥式換熱器，膨脹節底部應采用帶螺塞 結構，這樣便于排液。第六部分設計結果匯總表參數一數據煤油流量kg/h56818自來水流量/kg/h3021

32、84實際傳熱面積S/ m2245.2要求過程的總傳熱系數/W/ (me)430總傳熱系數/W/ (me)550安全系數/%29.3管程壓強降/Pa46.694 漢 10殼程壓強降/Pa45.5439x10參數”亠一_數據殼徑D/mm1000公稱壓強/Mp4.00公稱面積S/ m2245.2管程數Np4管子尺寸/mm0 25 X 2.5管長/m4.5管子總數n710管子排列方法正三角形管心距/mm32折流板數29板間距/mm150弓高/mm150拉桿直徑/mm12拉桿數量10參考文獻:1譚天恩，等.化工原理（第三版）.北京：化學工業出版社，20092大連理工大學化工原理教研室.化工原理課程設計.大連：大 連理工大學出版社，1994:3賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設計.天津：天津大學出版社， 2002:4時鈞主編.化學工程手冊（第二版）北京：化學工業出版社，1996設計小結通過五天的練習，才發現自己學到的知識在實際應運中很困 難，完成一項任務很難，需要多次的嘗試，也發現