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1、 化 工 原 理 课 程 设 计说 明 书设计题目： 设计一台用于将2000kg/h空气从常温加热到60的列管式换热器 设计者： 姓名 设计指导人： 设计成绩： 设计题目某厂需要将常温下的空气加热到60，空气的流量为Qkg/h，加热介质用压力为pkPa的水蒸气，要求流体的压降不大于30kPa，请设计或选择合适的管壳式换热器。（其中Q为2000kg/h P为200kPa）设计要求（1）换热器工艺设计计算（2）换热器工艺流程图（3）换热器设备结构图（4）设计说明目录一、方案简介4二、 方案设计51、 确定设计方案52、 确定物性数据53、 计算总传热系数54、 工艺结构尺寸65、 换热器核算7三、
2、 设计结果一览表10四、 设计总结 12五、 参考文献13附图一、方案简介1、概述换热器是化工、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，估换热器的类型也是多种多样。按用途特可分为加热器、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。间壁式换热器的特点是冷、热流体被固定壁面间隔开，不想混合，通过间壁进行热量的交换。此类换热器中，以列管式应用最广。本设计任务是利用饱和水蒸气给空气加热。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。2、换热器类型列管式换热器又称
3、为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，主要分三大类：固定管板式、浮头式、U型管式。（1） 固定管板式换热器结构简单，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） 浮头式换热器结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。（3） U型管式换热器结构简单，适用于高温和高压场合，但管内清洗不易，制造困难。二、方案设计1确定设计方案 （1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：冷流体进口温度25，出口温度60。热流体为饱和水蒸气，温度恒为Ts，查表得，200kPa的饱和水蒸气的饱和温度为Ts=120.4该换热器采用饱和水蒸气冷凝放热来加热冷流体，管壁与
4、壳壁温差较大，流体压强不高，初步确定选用固定管板式换热器，考虑到管壁与壳壁温差较大情况，因此，换热器应安装膨胀节，进行热补偿。（2）管程安排 从流体流经管程或壳程的选择标准来看，空气宜走管程；水蒸气较洁净，不会污染壳程，所以饱和蒸汽宜走壳程，以便及时排除冷凝液。综上所述，空气走管程，饱和水蒸气走壳程。2、确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 管程空气的定性温度为：壳程水蒸气的定性温度为： Ts=125根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 （1）空气在42.5下的有关物性数据如下： 密度 i=1.128 kg/m3定压比热容 cpi=1.005 kJ/(kg)热导率
5、 i=0.0276 W/(m)粘度 i=0.0000191 Pas（2）饱和水蒸气在125下的物性数据： 密度 0=1.296 kg/m3比汽化热 0=2.191106 J/kg热导率 0=0.0268 W/(m)粘度 0=0.0000133 Pas 3计算总传热系数 （1）热流量kPaQT=qm1cp1(t2-t1)=20001005(60-25)/3600 =1.95W（2）冷却水用量 qm2= QT /0=1.953600/(2.191106)=32kg/h（3）平均传热温差 （4）初算传热面积 查表4-7得K值大致范围为 13300（W/m2 . K）假设K=15W/m2 . K，则估
6、算的传热面积为4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速选用192mm较高级冷拔传热管(碳钢)，因管程流体为空气，则流速范围为5-30m/s，故可取管内流速ui=18m/s。（2）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 按单管程计算，所需传热管长度为L=S估（3.14d0Ns）=15.59（3.140.019154）=1.70 m现取传热管长度L=1.7m，则该换热器的管程数为NP=1(管程)（3）传热管排列和分程方法 采用正三角形排列取管心距Pt=1.25 d0 =1.2519=23.75 mm 25mm隔板中心到离其最近一排管中心距离Z=Pt2+6=19mm（4）壳体内径 取，
7、按三角形排列，壳体内径为 壳程直径可选取的直径有（159 273 400 500 600 800 ）mm 故圆整可取D400mm （5）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25，则切去的圆缺高度为：h0.25400100mm，故可取h100 mm。 取折流板间距B0.5DB0.510050mm，固定管板换热器B有（150 300 600）mm故可取B为150 mm。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=1700/150-1=10.3，可取11块。（6）接管 壳程流体进出口接管：取接管内饱和水蒸气流速为 u2m/s，则接管内径为 圆整后可取管内径为70mm 管程流体进出
8、口接管：取接管内空气流速 u6m/s，则接管内径为 圆整后可取管内径为80mm5换热器核算 （1）传热面积校核 壳程传热膜系数 假设Tw=120膜温t=（ts+tw）/2=(125+120)/2=122.5膜温在122.5时，密度 =943.3kg/m3导热系数 0=0.686 W/(m)黏度 0=0.0002374 Pas W/（m2）估算值与计算值相差在范围内，符合要求。壳程传热膜系数为5997 W/（m2）管程传热膜系数 管程流通截面积管程流体流速 普朗特数污垢热阻和管壁热阻查附录19得：管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁厚度b=0.002 m碳钢热导率为45 W/(m)传热面积S该换
9、热器的实际传热面积S.该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=1, 管子为192mm，所以Ft=1.5查表得无缝钢管绝对粗糙度0.10.2mm，取为0.1mm/d=0.1/19=0.0053由Re与/d查莫狄图得i0.031 W/m， 管程压降在允许范围之内。壳程压力降壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 壳程压力降也比较适宜。 三、设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热面积（m2）:5.828 工艺参数名称管程
10、壳程物料名称空气饱和水蒸气操作压力，Pa未知未知进（出）口温度，25/60125定性温度，42.5125流量，kg/h200032流体密度，kg/m31.1281.296汽化热kJ/ kg2191定压比热容，kJ/(kg)1.005热导率，W/(m)0.02680.686黏度，Pas1.9110-41.32310-5流速，m/s18.20.4普朗特数0.720.026雷诺数16122985传热量，kW 1.95传热温差，83.4总传热系数，W/m2K49.1裕度，%1.04传热系数，W/（m2）64.66023污垢系数，m2K/W3.439410-40.859810-4阻力降，Pa1708.5
11、15.7程数11推荐使用材料碳钢碳钢管子规格192mm管数154管长m:1.7管间距，mm25排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm400表格 1四、设计总结在刚开始做设计作业时，觉得好难，没有一点头绪，不知道从哪里下手，就按照设计书上的例子一步步计算，其中比热容、粘度、热导率等等都要查表，感觉很复杂，很烦！修改重算过很多次，结果一直都不怎么让人满意。在熟悉整个计算过程后理清了思路，发现计算简单了。我想开始是由于过于盲目，没有科学地规划，以至于一直处在在盲目的计算、改数字、再次计算这个阶段。 这次化工原理课程设计给我留下了极深的印象，也让我有很大的收获。化工
12、原理课程设计是旨在学生的工程设计能力，对所学知识进行一次综合性训练。这次我们对换热器进行了设计。将设计题目、设计内容与生产实践相结合，设计题目来源于生产实际，具有实际意义。课程设计与计算机使用相结合。设计中要求我们根据设计任务，用计算机进行辅助设计. 本次化工原理课程设计历时三周，是上大学以来第一次独立的工业化设计。从老师以及学长那里了解到化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法，学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧，掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形，在设计过程中不仅要考虑理论上的
13、可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 由于第一次接触课程设计，起初心里充满了新鲜感和期待。因为自我认为在大学里学到的东西终于可以加以实践了。可是当老师把任务书发到手里是却是一头雾水，完全不知所措。可是在这短短的三周里，从开始的一无所知，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易在设计完成后，通过老师的检查和指导，使我们的设计更符合各种规定、指标。通过这次设计使我们对所学知识的综合应用能力、分析和解决工程实际问题能力和计
14、算机的应用能力等方面都得到了提高，为今后的工作做了必要的准备，对我们很有帮助。通过本次课程设计的训练,让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识.我们了解了工程设计的基本内容,掌握了化工设计的主要程序和方法,增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时,通过课程设计,还使我们树立正确的设计思想培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风,加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。 最后,我还要感谢我的指导老师对我们的教导与帮助,感谢同学们的相互支持,与他们一起对一些问题的探讨和交流让我开拓了思路,也让我在课程设计时多了些轻松、愉快。 五、参考文献化工原理第四版，王志魁 刘丽英 刘伟 编，化学工业出版社，2010.化工设备设计，申迎华 郝晓刚 编，化学工业出版社，2009.化工物性算图手册，刘光启等 编著，化学工业出版社，2002.化工工程制图，魏崇光 郑晓梅 编，化学工业出版社，1994.化工设备设计 ，潘国昌 郭庆丰 编，清华大学出版社，1996.典型化工设备-机械设计指导 ，茅晓东 李建伟 编，华东理工大学出版社，1995.工程制图 ，赵大兴 编，高等教育出版社，2009.
