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1、 课程设计论文列管式换热器（热水冷却器）Tube heat exchanger(hot water cooler) 学院：生命科学学院班级：化工092 姓名：白秋媛 学号：2009033201目录摘要 2一、设计题目：热水冷却器的设计3二、操作条件3三、设计方案33.1换热器概述33.2、列管式换热器的分类43.3换热器材质的选择53.4管板式换热器的优点63.5列管式换热器最终选型6四、传热过程计算74.1基本物性值74.2换热器的壳程数及流程74.3估算传热面积8五、总结145.1设计心得145.2对这次设计过程总结14六、参考文献15摘要换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的
2、设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。本设计就是利用相关知识，设计出达到工艺所规定的要求，同时强度、结构可靠，便于制造、安装和检修，以及经济上合理的列管式换热器，满足生产需要。本设计以循环水和热水为介质，按实际设计步骤进行计算、核算和结构设计。主要研究内容如下：1、对换热器的分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。2、通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对固定管板式换热器的进行设计，具体分为换热器的传热计算，核算和结构设计
3、。3、换热器的外部设计包括它的管板的设计、封头的设计、管箱和折流挡板的设计。 4、换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。关键词：换热器、设计计算、固定管板式一、设计题目：热水冷却器的设计二、操作条件处理能力：吨/年热水（每年按300天计算，每天24小时连续运行）1、 操作条件：热水：入口温度80，出口温度60 冷却介质：循环水，入口温度25，出口温度35允许压强：105Pa2、 设备类型：列管式换热器3、 建厂地址：大连地区三、设计方案3.1换热器概述1、换热器简介 换热器是将热流体的部分能量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称交换器。换
4、热器是实现化工生产中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。而在工程实践中，也会存在两种以上的流体参加换热。换热器可应用于化工、石油、制冷、食品等行业中，因此，是十分重要的设备。2、换热器类型管壳式换热器的突出优点是单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果较好。管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳式换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；另一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。3.2、列管式换热
5、器的分类根据列管式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器、釜式换热器、填料函式换热器等。1、固定管板换热器 这种换热器的两端管板和壳体是连在一起的。主要特点是结构简单，制造成本低，但由于壳程不易清理或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。适于处理两流体温差不大的情况。若两流体温差过大，可在壳体壁上安装膨胀节。2、浮头式换热器 这种换热器中两端的管板，有一端不与壳体相连，可以沿管长方向自由移动，故称浮头。主要特点是整个管束可以由壳体中拆卸下来，便于清洗和检修。但结构比较复杂，金属耗量多，造价较高。3、U形管换热器 这种换热器每根管子都弯成U形，进出口分别安装在
6、同一管板两侧。每根管子都可以自由收缩，且与其他管子和外壳无关。但管程不易清洗，适用于洁净而不易结垢的流体。4、釜式换热器 这种换热器的结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间。釜式换热器清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。适用于液-汽式换热。5、填料函式换热器 这种换热器的结构特点是管板只有一端与壳体固定相连，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材小，造价低，管束可以自由从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。缺点是耐压不高。适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢
7、，需经常清洗且压力不高的场合。由于，本次设计冷热流体温差不大，且该换热器用循环水冷却，热流体为热水，为不易结垢和清洁的流体，故可采用固定管板的结构。该种换热器管板和壳体连在一起，结构简单，在同样的壳体直径内，排管较多。同时管板式换热器制造简单，造价低，传热效率大，换热表面清洗方便，适用于本次任务的热水冷却。3.3换热器材质的选择1、换热器考虑到设备的操作压力、温度、流体的腐蚀性和经济合理性等因素，换热器一般采用的材料有碳钢和不锈钢两种。由于碳钢的价格低，强度高，且本次设计对材料的抗腐蚀行要求不高，所以换热器材料选用碳钢。2、管板管板的作用是将管束连接在一起，是管程和壳程分开。管板和管子的连接方
8、式一般为胀接和焊接。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢且压力和温度都不太高的情况。3、封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，作用是控制和分配管程流体。壳径较小时采用封头，封头与壳体之间用螺纹连接，方便拆卸；壳径较大时采用管箱，其结构大多是方便拆卸的。3.4管板式换热器的优点1、传热系数大由于流体在板片间流动湍动程度高，而且板片厚度又薄，所以，传热系数K大。2、结构紧凑单位体积设备提供的传热面积大，每立方米体积可具有250m2以上的传热面积。3、操作灵活性大只需要在适当位置安排中间挡板，便可以进行多段操作；还可以通过增减板片数以增减传热面积。4、板片加工制造容易，金属消耗量低。但管板式换热器也
9、存在一定的缺点，比如允许操作压力、温度和处理量都较低。3.5列管式换热器最终选型1、合理安排流程，由于，循环水较易结垢，为方便清洗，循环水走管程，热水走壳程。2、换热器的管子是传热元件，管子尺寸大小对传热有很大的影响。小直径的管子能使换热器的传热面积大些，但管径小也会导致费用高，不易清洗等问题。根据本次设计条件，选用规格的钢管。3、管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列两种。由于，三角形排列布管数多，能够获得较高的对流传热系数，并且适合于清洁的壳程介质。因此，选择正三角形排列。 (a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列 (d) 三角形错列4、流速的选择 列管式换热器内常用流速
10、范围流体种类流速u/(m/s)管程壳程一般流体0.530.21.5易结垢流体10.5气体530315可选流速为0.5m/s5、折流挡板的选用 安装折流挡板的目的是为了提高管外表面传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当。因为，间距太大，不能保证流体垂直通过管束，是管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。四、传热过程计算4.1基本物性值水进主换热器的温度：80 水出主换热器的温度：60 循环水进主换热器的温度：25 循环水进主换热器的温度：35 热水的定性温度tm=(80+60)/2=70查表得70下水的物性值为：h=9
11、97.8kg/m3 冷水的定性温度tm=(35+25)/2=30查表得30下水的物性值为：c=995.7kg/m3 4.2换热器的壳程数及流程1、换热器的壳程数Ns的确定初选换热器的壳程数为1，管程数为4。2、流程确定由于冷热流体的物性及流量均相近，且循环冷却水比较容易结垢，同时为增加热损失，选择热流体走壳程，冷流体走管程。选用选用规格钢管，设管内的流速。4.3估算传热面积1、平均温差： 在列管式换热器中由于加折流挡板或多管程，冷热两流体并非纯逆流，以上应加以校正，其校正系数按一下步骤求得： P=由R，P，查下图可得：，于是得传热温度差的校正值为2、传热面积由于壳层走热水，管层走冷水，根据下图
12、可取经验值K=860 KJ/(m2h) 列管式换热器中K值大致范围热流体冷流体传热系数K/水清油重油水水水850170034091060280传热面积： 根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢、清洗要求等条件选择适宜的换热器，为保证传热时流体适宜流动状态。管层冷流体体积流量选用规格钢管，设管内的流速，则单管程所需管子根数n应选管束长根据以上确定的条件，按列管式换热器的标准系列，初选固定板式换热器的主要性能参数如下：壳体内径 450mm公称直径 450mm管程数 4管长 3000mm管子规格 排列方式 管间距 32mm管数 NT 106中心排管数 133、换热器核算管程：流通截面积Si=0.
13、0083m2换热器的核算 按以上数据可以分别求出管程和壳程流体流速及雷诺数管内流速：式中 管程流速，m/s；管内流体的质量流量，kg/s；管内流体的密度,kg/m3；=41061.59式中，管内径，m；管内流体的粘度，。壳程：挡板的间距对壳程的流动有重要的影响。间距太大不能保证流体垂直通过管束，使管外表面传热系数下降，间距太小，不便于制造和检修，阻力损失也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有：100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm7种，因此选折流挡板间距B=200mm壳程流通截面积式中，壳体内径，
14、m；管外径，m；t管间距，m。流速式中，壳体流速，m/s； 壳程流体的质量流量，kg/s；壳程流体的密度,kg/m3.当量直径：雷诺数Re016855.23式中，壳程流速，m/s；普朗特数 式中，壳程流体定压热容，；壳程流体热导率壳程流体的粘度，。管程表面传热系数hi 管内雷诺数 =41061.5910000普朗特数 管长与管内径比：L/di=3000/0.02=50式中，管内流体的定压热容，；管内流体热导率。管内表面传热系数 hi管外表面传热系数 h0污垢热阻及管壁热阻 管壁内外侧污垢热阻均取为钢管壁热导率 =45管壁热阻 式中 管外污垢， ； 管内污垢，;b管壁厚，m；管壁平均直径，m。传
15、热面积A0所选换热器的实际传热面积Ap=24.1m2换热器传热面裕度4、管、壳程压力降取管壁绝对粗糙度相对粗糙度有前面计算已得=41061.59 ，故可查的直管壁摩擦系数，于是得4管程压力降回弯压降 式中，阻力系数。管程总压力降其中，校正系数Ft=1.4管程数Np=4串联壳程数Ns=1壳程的压力降管束压降 所以折流挡板数三角形排列F=0.5壳程流体的摩擦系数折流挡板缺口压降壳程总压力降壳程压力降结垢校正系数对于液体可取壳程数0.1Mpa 换热器操作允许压降换热器操作压力p/Pa允许压降 (表压)0.10.55有校核可知，各项性能符合要求，换热能力满足生产需要，所选换热器可以采用。五、总结5.1
16、设计心得这是我第一次做课程设计，以前都是被动的学书本上的理论知识，这次做课程设计时要求将所学理论知识灵活运用。所以，受益很多。主要有：1、 掌握了查阅资料、搜集数据和合理选用公式的能力。2、 学会了从多方面考虑问题，比如在设计冷却器时，不仅要考虑设备本身的合理性，还要考虑到应用中的经济性和安全性等因素。3、 我的计算能力和对一些软件的熟悉度都有明显的提高。4、 学会了运用最简练的语言来表达问题，并且能够用图说明问题。5.2对这次设计过程总结换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器（heat exchanger）。在化工生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却。本次设计
17、主要研究的是固定管板式换热器，它是换热设备的一类。通过对换热器的分类、材料和运用等相关理论进行阐述，进而对换热器进行热工设计，结构设计以及强度设计。固定管板式换热器的设计，让我对换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。无论换热设备的设计计算或是校核计算，一般均应考虑下。1、首先必须满足工艺要求。2、换热设备中换热介质参数（流速、允许压降、温度等）的合理选取。在换热设备中，介质流速高，传热系数大，在热负荷一定的情况下，可使传热面积减小，设备结构紧凑，不仅节省投资，而且有利于减缓或抑制污垢的形成，但同时，介质流速高，压降增大，而且介质对传热面积的冲蚀加剧，。因此介质速度的选取应考虑压降的合理性，尽可
18、能在允许压降范围内，提高流速，以加大传热系数。3、合理安排流程，以便获得较大的传热系数，并使热、冷流体的流向尽可能接近逆流。4、换热设备结构参数的合理选择主要包括结构形式、尺寸和材质等方面。5、设计计算时，应注意定性尺寸的计算。在雷诺数等的定义式中均有定性尺寸，通常是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。6、在达到所需工艺要求的前提下，应考虑设备费、操作费和维护费之和最低。7考虑采用各种强化传热措施。由传热基本方程t可见，增大总传热系数、传热面积和有效平均温差均可提高传热效率，强化传热。增大传热面积，不是单纯的增大换热设备的尺寸，而要增大单位体积内的传热面积，是设备紧凑、结构合理，如采用小直径管子，翅片管等。根据以上结论，通过分析固定管板式换热器各部分性能影响，合理选择设计固定管板式换热器的结构参数，以获得具有较高抗拉强度、耐腐蚀性、耐介质性等综合性能良好的换热器设备，从而使其能更好的应用到石化、化工行业中。六、参考文献1 大连理工大学.化工原理M.北京:高等教育出版社,2009.2 杨祖容.化工远离M.北京:化学工业出版,2010.3 李多民.化工过程设备机械基础M.北京:中国石化出版社,2006.
