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1、化工原理课程设计热水冷却器的设计：李响学号：2011033216班级：化学工程与工艺112班一、 设计题目：2二、设计目的：2三、 设计任务及操作条件 ：2四、 设计内容 ：3五、课程设计说明书的内容3四、参考书目：3前 言4一、 设计方案简介：51.1换热器的选择：5一、方案简介6二、方案设计71确定设计方案72、确定物性数据73初选换热器规格8(2)冷却水用量85.工艺结构尺寸85.1管径和管内流速及管长85.2管程数和传热管数85.3平均传热温差校正及壳程数95.4传热管排列和分程方法95.5壳体内径105.6折流板105.7接管106换热器核算116.1热量核算116.2换热器内流体的
2、压力降13三、设计结果一览15任务书一、 设计题目： 热水冷却器的设计二、设计目的： 通过对热水冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构 特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。三、 设计任务及操作条件 ：1.处理量吨/年热水2.设备型式列管换热器 3. 操作条件 ：（1） 热水：入口温度 80 ，出口温度 60 （2） 冷却介质：循环水，入口温度 25 ，出口温度 35 （3） 允许压降：10Pa （4） 水在定性温度70下的物性数据：（5）水在定性温度70下的物性数据：（4）每年按300天计
3、，每天24小时连续运行。 4.建厂地址：XX地区 四、 设计内容 ：（1）设计计算列管换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。） （2）绘制列管式换热器的装配图。 （3）编写课程设计说明书。五、课程设计说明书的内容设计说明书中应包括所有论述、原始数据、计算、表格等，编排顺序如下： （1） 标题页； （2）设计任务书； （3）目录； （2） 设计方案 1.选择换热器的类型 2.管程安排 （5）确定物性数据 （6）主要工艺参数计算（热负荷，平均温差、总换热系数、换热面积等）； （7）压降计算； （8）设计结果概要或设计一览表 （9）附图（工艺流程简图、主体设备工艺条件图）
4、（10）参考文献四、参考书目：1.陈敏恒等，化工原理. 上下册. ：化学工业，2002.2.贾绍义，柴诚敬等，化工原理课程设计，XX大学，1994. 3.匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计，化学工业，2002. 前 言 换热器是化学，石油化学及石油炼制工业以及其它一些行业中广泛使用的热量交换设备。 它不仅可以单独作为加热器，冷凝器使用而且是一些化工单元操作的重要附属设备。 因此在化工生产中占有重要的地位。 在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程 。主要的换热器有： 1
5、固定管板式换热器： 2 浮头式换热器： 3 U型管式换热器： 4. 填料函式换热器： 这次的化工原理课程设计，热水冷却器的设计。通过对热水冷却的列管式换热器设计，了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。 通过这次课程设计，养成科学探索精神，细心钻研，自己动手设计，理论联系实际，并进一步熟练相关的软件，Microsoft office，ChemBioOffice，Origin85，AutoCAD2008等。一、 设计方案简介：1.1换热器的选择： 列管式换热器是目前化工上应用最广的一种换热器
6、。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。 列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：1 固定管板式换热器： 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，
7、而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。2 浮头式换热器： 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所
8、以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。3 U型管式换热器： U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。4. 填料函式换热器： 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不
9、应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。 热流体进口温度80，出口温度60；冷流体进口温度25，出口温度35。 本任务给定列管式换热器。一、方案简介本设计任务是利用循环水给热水降温。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。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性
10、大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。二、方案设计需将热水液体从80冷却到60。处理能力为2.5105吨/年。冷却介质采用循环水，入口温度25，出口温度35。要求换热器的管程和壳程的压降不大于105Pa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按300天，每天24小时连续运行）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：热流体进口温度80，出口温度60冷流体。冷流体进口温度25，出口温度35。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。（2）流动空间及流速的确定 由于循环冷
11、却水较易结水垢，应使循环水走管程，热水走壳程。选用252.0 的不锈钢管2、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程热水的定性温度为：管程循环水的定性温度为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 水在定性温度70下的有关物性数据如下： 密度 h=997.8 kg/m3定压比热容cph=4.187kJ/(kg)导热系数 h=0.6676 W/(m)粘度h=4.06110-4 Pas水在定性温度30下的物性数据： 密度 c=995.7kg/m3定压比热容 cpc=4.147 kJ/(kg)导热系数 c=0.6176 W/(m)粘度c=8.00710-4 Pas3初选换
12、热器规格按照壳层热水计算热负荷（1）热流量 Wh=2.510510003002434722.222kg/hQh=Whcphth=34722.2224.187(80-60)=2907638.703 kJ/h=807.7 kW(1 kW=1000W3600s=3600kJ)(2)冷却水用量(3) 平均传热面积(4)计算传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=950则估算的传热面积为 Ao=实际面积为估算面积的1.2（1.15-1.25）倍，则实际传热面积为：Ao =1.2Ao=1.1521.30=24.58 m25.工艺结构尺寸5.1管径和管内流速及管长选用252.5传热管(
13、碳钢)，取管内流速ui=1.2m/s，选用管长为3m5.2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 按单程管计算其流速为按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。则该换热器管程数为(管程)传热管总根数 N=104(根)5.3平均传热温差校正及壳程数按单壳程，两管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差5.4传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，则 t=1.2525=31.2532(mm)横过管束中心线的管数得到各程之间可排列11支管，即正六边形可排6层。则实际排管数设为110根，其中4根拉杆，则实
14、际换热器为106根.5.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为 圆整可取D400 mm 5.6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B0.5D，则B0.5400200mm，可取B为200。折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(块)折流板圆缺面水平装配。5.7接管壳程流体进出口接管：取接管内水流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 取标准管径为108 mm11mm。 管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u1.5 m/s，则接管内径为 取8
15、9mm3.5mm无缝钢管。6换热器核算6.1热量核算6.1.1壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 6.1.2管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速 普兰特准数6.1.3传热系数K (1)污垢热阻和管壁热阻： 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻：查得碳钢在该条件下的热导率为45.4w/(m)。 （2） 传热系数有：6.1.4传热面积S该换热器的实际传热面积Sp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6.2换热器内流体的压力降6.2.1管程流体阻力Pi=(P
16、1+P2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5由Re27126.3，传热管相对粗糙度0.2/200.001，查莫狄图得i0.028W/m， 流速ui0.864m/s，995.7kg/m3，所以 管程压力降在允许X围之内。6.2.2壳程压力降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、设计结果一览换热器形式：固定管板式换热器换热面积（m2）:20.1名称管程壳程物料名称冷却水热水操作压力，Pa未知未知操作温度，25/3580/60流量，kg/h70114.26834722.22流体密度，kg/m3995.7997.8流速，m/s0.8640.376传热量，kW807.7总传热系数，W/m2K806.57传热系数，W/（m2）5537.284572.5污垢系数，m2K/W0.00020.000172阻力降，Pa8027.45209.8程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管数106管长m:3管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm200切口高度25%壳体内径，mm400保温层厚度，mm未知参考文献阅读：【1】柴诚敬，等.化工原理：上册.：高等教育，2010.5【2】贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计.XX：XX大学【3】化工设备设计王志魁 编，化学工业，2006.
