1、 華東交通大學 課程設計說明書 設計題目：熱水冷卻器的設計學 院： 基礎科學學院 專業班級： 應用化學一班 學生姓名： 王業貴 學 號：指導教師： 周枚花老師 完成日期： 2013.6.28 目錄任務書3一、設計題目：3二、設計目的：3三、設計任務及操作條件3四、設計內容3五、課程設計說明書的內容4六、主要參考書4七、設計時間 4前言5一、設計方案簡介61.1換熱器的選擇61.2設計概述71.3設計方案71.4管程安排8二、確定物性數據8三、主要工藝參數計算93.1熱負荷93.2平均傳熱溫差93.3冷卻水用量93.4初算傳熱面積93.5工藝結構尺寸10管徑和管內流速10平均傳熱溫差校正及殼程數

2、10傳熱管排列和分程方法11殼體直徑11折流板11接管12四、壓降核算124.1傳熱面積校核12管程傳熱膜系數12殼程傳熱膜系數13污垢熱阻和管壁熱阻14總傳熱系數K14傳熱面積校核144.2換熱器內壓降的核算15管程阻力15殼程阻力16五、主要結構尺寸和計算結果17六、心得體會18七、參考文獻18八、附圖（工藝流程、主體設備工藝條件圖）18任務書一、設計題目： 熱水冷卻器的設計二、設計目的： 通過對熱水冷卻的列管式換熱器設計，達到讓學生了解該換熱器的結構特點，并能根據工藝要求選擇適當的類型，同時還能根據傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力。三、設計任務

3、及操作條件1.處理量t/a熱水2.設備型式列管換熱器 3.操作條件（1）熱水：入口溫度80 ，出口溫度 55 （2）冷卻介質：循環水，入口溫度 25 ，出口溫度 37 （3）允許壓降：不大于Pa（4）每年按330天計，每天24小時連續運行。4.建廠地址：江西地區四、設計內容（1）設計計算列管換熱器的熱負荷、傳熱面積、換熱管、殼體、管板、封頭、隔板及接管等。）（2）繪制列管式換熱器的裝配圖。（3）編寫課程設計說明書。五、課程設計說明書的內容 設計說明書中應包括所有論述、原始數據、計算、表格等，編排順序如下： （1）標題頁； （2）設計任務書； （3）目錄； （4）設計方案 1.選擇換熱器的類型

4、2.管程安排 （5）確定物性數據 （6）主要工藝參數計算（熱負荷，平均溫差、總換熱系數、換熱面積等）； （7）壓降計算； （8）設計結果概要或設計一覽表 （9）附圖（工藝流程簡圖、主體設備工藝條件圖）； （10）參考文獻；六、主要參考書1.錢頌文主編，換熱器設計手冊，化學工業出版社，2002.2.賈紹義，柴誠敬等，化工原理課程設計，天津大學出版社，1994.3.匡國柱，史啟才等化工單元過程及設備課程設計，化學工業出版社，2002.4.王志魁主編，化工原理，化學工業出版社，2004.5.姚玉英主編，化工原理天津大學出版社，1992.6.陳恒敏，叢德茲等化工原理（上、下冊）（第二版），北京：化學工

5、業出版社，2000.7.何潮洪等編，化工原理，科學出版社，2001年。七、設計時間 一周 前言換熱器是化學，石油化學及石油煉制工業以及其它一些行業中廣泛使用的熱量交換設備。它不僅可以單獨作為加熱器，冷凝器使用而且是一些化工單元操作的重要附屬設備。因此在化工生產中占有重要的地位。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程 。主要的換熱器有：1 固定管板式換熱器：2 浮頭式換熱器：3 U型管式換熱器：4. 填料函式換熱器：這次的化工原理課程設計，熱水冷卻器的設計。通過對熱水冷卻的列管式

6、換熱器設計，了解該換熱器的結構特點，并能根據工藝要求選擇適當的類型，同時還能根據傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力。通過這次課程設計，養成科學探索精神，細心鉆研，自己動手設計，理論聯系實際，并進一步熟練相關的軟件，Microsoft office，ChemBioOffice，Origin85，AutoCAD2008等。一、設計方案簡介1.1換熱器的選擇列管式換熱器是目前化工上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質 ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從

7、封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要有以下幾種： 1 固定管板式換熱器： 這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為

8、了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。 2 浮頭式換熱器： 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生

9、溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。3 U型管式換熱器： U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。4. 填料函式換熱器： 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發、易燃、易爆和有毒的介質。熱流體進口溫度80，出口溫度55；冷流體進口溫度25，出口溫度37。換熱器用循環冷卻水（自來水）冷卻，冬季操作時進口溫度

10、會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定用浮頭式換熱器。 1.2設計概述根據估算數據，先選取一比估算面積稍大的換熱器，然后進行換熱器換熱面積的校核及管程、殼程的阻力壓降，逐步調節折流擋板間距等措施，最終使所選取的換熱器符合要求，同時要認真總結經驗，為以后做準備。本設計是在給定部分任務和條件下，估算所需換熱器的換熱面積，然后選擇一標準列管換熱器，再對換熱器進行驗證，符合要求者合格。估算K值大小，應首先估計對流傳熱系數較小一側的對流傳熱系數。設計換熱設備既要考慮設備費用，也就是既要使阻力降不能太高，也不能使傳熱面積較大，使管程的冷卻水有一個合適的流速 。設計中

11、應注意的幾點：恰當估算換熱面積；正確選取換熱器的型號；認真校核換熱面積及阻力壓降。1.3設計方案1) 估算所需要的換熱面積，選取一個合適的換熱器。2) 校核傳熱面積及管程、殼程的壓力降。3) 結果匯總及評述。4) 符號說明、參考文獻及附圖。1.4管程安排 在列管式換熱器設計中，冷、熱流的流程，進行合理安排，一般應考以下原則。 易結垢流體應走易于清洗的側.對于固定管板式、浮頭式換熱器，一般應使易結垢流體流經管程，而對于l一I鉀換熱器，易結垢流體應走殼程、 有時在設計上需要提高流體的速度，以提高其表面傳熱系數，在這種情況下，應將需要提高流速的流體放在管程。這是因為管程流通截面積一般較小，且易于采用

12、多用管程結構以提高流速. 其有腐蝕性的流體應走管程，這樣可以節約耐腐蝕材料用降低換熱器成本:， 壓力高的流體應走管程。這是因為管子直徑小，承壓能力強，能夠避免采用耐壓的殼體和密封措施。 具有飽和蒸汽冷凝的換熱器，應使飽和蒸汽走殼程，便于排出冷凝液。， 粘度大的流體應走殼程，因為殼程內的流體在拆流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數下就可達揣流狀態。 應該說明的是，上述要求常常不能同時滿足，在設計中應考慮其中的主要問題，首先滿足其中較為重要的要求。由于當液體溫度升高時，粘度隨著減小，故有循環水走殼程，因為殼程內的流體在拆流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數下就可

13、達揣流狀態。在兩流體的粘度力看，應該使熱水走管程，循環冷卻水走殼程，但是由于循環冷卻水易結垢，若其流速太低，將會加快污垢的增長速率，使換熱器熱流量下降，所以，從總體考慮，應該使熱水走殼程，循環冷卻水走管程。二、確定物性數據定性溫度：殼程熱水的定性溫度為管程循環冷卻水的定性溫度為已知循環水在31下的物性參數為：密度，黏度，比熱Cp=4.174KJ/kg.，熱導率=61.8W/(m.k)又知67.5熱水下的物性參數密度，黏度，比熱Cp=4.187KJ/kg.，熱導率=66.8W/(m.k)三、主要工藝參數計算3.1熱負荷3.2平均傳熱溫差 3.3冷卻水用量 3.4初算傳熱面積 由于殼程熱水的壓力較

14、高，故可選取較大的K值，假定總傳熱系數K=700w/(m) 3.5工藝結構尺寸3.5.1管徑和管內流速選25×2.5mm碳鋼管，取管內流速為1.3m/s。管程數和傳熱管數根據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數：按單程管計算，所需要的傳熱管的長度為：管程數：按單程管設計傳熱管太長，采用多管程結構，現取傳熱管長 傳熱管總根數： 平均傳熱溫差校正及殼程數平均溫差校正系數： 按單殼程，雙管程結構，查得平均傳熱溫差：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。傳熱管排列和分程方法采用正三角形排列，取管心距，則隔板中心到離其最近的一排管中心距離為：各程相鄰管心距為2Z

15、=44。3.5.5殼體直徑采用多管程結構，進行殼體直徑估算，取管板利用率為=0.8，則殼體直徑為：按卷制殼體的50mm進級檔，可取D=2503.5.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的20，則切去的圓缺高度為：h=0.2×250=50取折流板間距B=0.3D (0.2D<B<D),則B=0.3×250=75折流板數目：接管殼程流體進出口接管：取接管內熱水的 流速為，則接管的內徑為：取整后取管內內徑為350。管程流體進出口接管：取接管內循環冷卻水的流速為，則接管內徑為：取整后取管內直徑為400。四、壓降核算4.1傳熱面積校核管程傳熱膜系數管程流

16、體流通截面積：管程流體流速：雷諾數：普朗特數：殼程傳熱膜系數管子按正三角形排列，傳熱當量直徑：殼程流通面積：殼程流體流速：雷諾數：普朗特數：黏度校正：污垢熱阻和管壁熱阻管外側污垢熱阻：m2 /W管內污垢熱阻： m2 /W碳鋼在此條件下的熱導率為：50W/m·已知管壁厚度為：。總傳熱系數K平均直徑：傳熱面積校核所計算的傳熱面積是：換熱器的實際傳熱面積是：換熱器的面積裕度為： 由于傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。4.2換熱器內壓降的核算管程阻力由Re=12949.5，傳熱管相對粗糙度為0.01，參考圖雙對數坐標圖得 =0.043，流速，管程流體阻力在允許范圍之內。殼程阻力流體

17、流經管束的阻力： 其中：則：流體流過折流板缺口的阻力：其中：則：總阻力：管程流體阻力在允許范圍之內。五、主要結構尺寸和計算結果 參數管程殼程流量kg/h115925555.55進/出口溫度/25/3780/55物性定性溫度/3167.5密度/（kg/m3）995.37977.8定壓比熱容/kj/（kgk）4.1744.187粘度/（Pas）7.840×4.74熱導率（W/mk） 0.6180.668普朗特數5.292.616設備結構參數形式浮頭式殼程數1殼體內徑/250臺數1管徑/25×2.5管心距/32管長/4500管子排列正三角形管數目/根32折流板數/個65傳熱面積/

18、11.304折流板間距/75管程數4材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）0.640.58表面傳熱系數/W/（k）2738.68875.5污垢熱阻/（k/W）0.000171970.00017197六、心得體會 通過一周的課程設計，讓我們對化工原理有了更多的了解，對這門學科也有了更深的了解。我覺得課程設計時讓我們更好的去理解一門學科，也是讓我們能更好的去了解我們到底學到了什么東西。學會了什么東西，課程設計一開始，我覺得茫然，不知道要去做什么，也不知道我們做成什么，不過一點一點慢慢來，當圖紙畫滿線條的時候，覺得自己是成功的，成功的完成了繪圖，成功的學到了以前認為不重要的東西，生活中的好多事要我們去學習的，從一點一滴的學習當中我們能感到自己的成長，也能不斷地充實自己。做每一件事情的時候，我們應該認真，應該多動動腦子，這樣才能勞有所獲，以后的生活中，我應該注重這些，這樣才能有所成就。此次設計讓我們學習了更多化工原理基礎知識，培養了化工設計能力，通過這一實踐教學環節的訓練，使我掌握化工設計的基本方法，熟悉查詢和