1、課 程 設 計課程名稱化工原理課程設計題目名稱列管式換熱器設計專業班級08食品科學與工程（1）班學生姓名余振宇學 號50806021033指導教師趙大慶二O一一年 一 月 一 日 目錄一、化工原理課程設計任務書.二、確定設計方案.1.選擇換熱器的類型 2.管程安排3、 確定物性數據.4、 估算傳熱面積. 1.熱流量 2.平均傳熱溫差 3.傳熱面積 4.冷卻水用量5、 工藝結構尺寸. 1.管徑和管內流速 2.管程數和傳熱管數 3.傳熱溫差校平均正及殼程數 4.傳熱管排列和分程方法 5.殼體內徑 6.折流擋板 7.其他附件 8.接管6、 換熱器核算. 1.熱流量核算 2.壁溫計算 3.換熱器內流體

2、的流動阻力7、 結構設計. 8、 換熱器主要結構尺寸.九：換熱器的設計與心得.附 參考文獻.設計任務與條件 某生產過程中，反應器的混合氣體經與進料物流換熱后，用循環冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混合氣體的流量為6.3104kg/h，壓力為6.9Mpa。循環冷卻水的壓力為0.4Mpa，循環水的入口溫度為29，出口溫度為39，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產任務。經查得混合氣體在85下有關物性數據： 密度1=90kg/m3,定壓比熱容Cp1=3.297kJ/(kg*)；熱導率1=0.0279W/(m*)；粘度1=1.510-5pa*s。設計說明書一、確

3、定設計方案1.選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度110 出口溫度60；冷流體進口溫度29，出口溫度為39，該換熱器用循環冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2.管程安排 從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環冷卻水走殼程。但由于循環冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，應使循環水走管程，混和氣體走殼程。二、計算定性溫度，確定流體特性 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= =85 管程流

4、體的定性溫度為T=根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。 混和氣體在85下的有關物性數據如下： 密度 定壓比熱容 =3.297kJ/kg* 熱導率 =0.0279w/m* 粘度 =1.510-5Pa*s循環水在34 下的物性數據： 密度 =994.3/m3 定壓比熱容 =4.174kJ/kg*K 熱導率 =0.624w/m*K 粘度 =0.74210-3Pa*s三、計算熱負荷和載熱體用量1.熱負荷： Q=630003.297(110-60)=1.04107kJ/h =2884.9kw2. 冷卻水用量Wc=Q/cpc(t2-t1)= 1.041074.174(39-29)=2491

5、611kg/h四、按逆流初算傳熱平均溫度差 1=5、 初選傳熱系數和計算傳熱面積1. 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=320W/(k)2. 估算的傳熱面積為： A1=Q（Ktm1）=672.88m2 考慮 10%20%的安全系數A=A11.1=740.17m2六、工藝結構尺寸1管徑和管內流速 選用252.5傳熱管（碳鋼），取管內流速u1=1.2m/s。2管程數和傳熱管數 可依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數 Ns= 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L= 按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據本設計實際情況，采用非標設計，現取傳熱管長l=10m，則該換熱器的管程

6、數為 Np=傳熱管總根數 NT=1855=925 根 3. 傳熱溫差校平均正及殼程數 平均溫差校正系數： R= P=按單殼程，雙管程結構，查【國防工業出版社化工原理（第二版）】：圖4-25（a）得： 平均傳熱溫差 K 由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。見【化學工業出版社傳熱應用技術】：P86圖1-80。 取管心距a=1.25d0，則 a=1.2525=31.2532管束最外層管子的中心與殼體內表面的距離： S=a/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44

7、。見【化學工業出版社傳熱應用技術】：P8表1-21管程數的確定，每程各有傳熱管185根，其前后管程中隔板設置和介質的流通順序按【化學工業出版社傳熱應用技術】：P87圖1-81選取。橫過管中心線的管數：Nc=1.19925=36根5殼體內徑 采用多管程結構，進行殼體內徑估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內徑為： D=1.05a按卷制殼體的進級檔，可取D=1200mm筒體直徑校核計算：殼體的內徑應等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑的計算可以決定殼體的內徑，其表達式為： 管子按正三角形排列：取b=1.2=1.225=30mm=32 （34-1）+2 30 =1116mm 按殼

8、體直徑標準系列尺寸進行圓整：=1200mm6折流擋板 采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為 h=0.251200=300m，故可取h=300mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.31200=360mm，可取B為360mm。折流板數目 【化學工業出版社傳熱應用技術】：P887、 換熱器核算1熱流量核算（1）殼程表面傳熱系數 用克恩法計算，見式【國防工業出版社化工原理（第二版）】：式（4-41b）： 當量直徑，依【國防工業出版社化工原理（第二版）】：式（4-43）得 = 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數分別為 普朗特數 粘度校正 （2）管內表面傳熱

9、系數： 管程流體流通截面積： 管程流體流速： 雷諾數： 普朗特數： （3） 污垢熱阻取： 管外側污垢熱阻 管內側污垢熱阻 【化學工業出版社傳熱應用技術】：P56表1-6 管壁熱阻按【國防工業出版社化工原理】：附錄11查得碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(mK)。所以（4） 傳熱系數有： 【化學工業出版社傳熱應用技術】：P55（5） 傳熱面積裕度： 計算傳熱面積Ac：該換熱器的實際傳熱面積為：該換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。3.壁溫計算 式中液體的平均溫度T和氣體的平均溫度分別計算為 T=(39+29)/2=34 t=(110+60)/2=85 5858w/K

10、625w/K 傳熱管平均壁溫 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。1換熱器內壓力降的計算（1）管程流體阻力 , , 由Re=34841，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖:【化學工業出版社流體輸送與非均相分離技術】：P78圖1-82得，流速 u=1.3m/s, 所以： 對于252.5傳熱管，Ft=1.4 管程流體阻力在允許范圍之內。（2） 殼程阻力： 按式計算（埃索法） , , 流體流經管束的阻力 F=0.5 (fo-殼程流體的摩擦系數，當Re500時，) 0

11、.50.241936(19+1)=24492Pa 流體流過折流板缺口的阻力 , B=0.36m , D=1.2mPa 總阻力24492+15496=39988Pa10kpa 由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。 參數管程殼程流率2491616.3104進/出口溫度/29/39110/60壓力/MPa0.46.9 物 性定性溫度/3485密度/（kg/m3）994.390定壓比熱容/kj/（kgK）4.1743.297粘度/（Pas）0.7421.5熱導率（W/mK） 0.6240.0279 【化學工業出版社傳熱應用技術】：P35八、換熱器主要結構尺寸和計算結果見下

12、表： 設 備 結 構 參 數形式浮頭式臺數1殼體內徑/1200殼程數1管徑/252.5管心距/32管長/8000管子排列正三角形排列管數目/根925折流板數/個19傳熱面積/624.23折流板間距/400管程數5材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.32.5表面傳熱系數/W/（K）5858625污垢熱阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.044690.03998傳熱溫差/K46傳熱系數/W/（K）303裕度/% 47%九、 換熱器設計的收獲與心得：列管式換熱器的設計和分析包括熱力設計,流動設計，結構設計以及強度設計。其中熱力設計極為重要。不僅在設計一臺新的換熱器時需

13、要進行熱力設計，而且對于已生產出來的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗他是否滿足使用要求時，均需進行這方面的工作。在換熱器的設計過程中,我感覺我的理論運用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點： (1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數據(包括從已發表的文獻中和從生產現場中搜集)的能力； (2)樹立了既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環境保護的正確設計思想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力； (3)培養了迅速準確的進行工程計算的能力； (4)學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。從設計結果可看出，若要保持總傳熱系數，溫度越

14、大、換熱管數越多，折流板數越多、殼徑越大，這主要是因為水的出口溫度增高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應增大.通過這個設計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經濟投入，設計參數的選擇十分重要.設計的具體思路：(1)根據換熱任務和有關要求確定設計方案(2)初步確定換熱器的結構和尺寸(3)核算換熱器的傳熱面積和流體阻力(4)確定換熱器的工藝結構當然也要基于實際情況進行操作，從而使得設計結構盡量完美，合理。附 參考文獻： 按單殼程，雙管程結構，查【國防工業出版社化工原理（第二版）】：圖4-25（a）得 采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。見【化學工業出版社傳熱應用技術】：P86圖1-80。見【化學工業出版社傳熱應用技術】：P8表1-21管程數的確定其前后管程中隔板設置和介質的流通順序按【化學工業出版社傳熱應用技術】：P87圖1-81選取。【化學工業出版社傳熱應用技術】：P88折流板數目查莫狄圖:【化學工業出版社流體輸送與非均相分離技術】：P78圖1-82得，流速 u=1.3m