换热器课程设计2011

1、化工原理课程设计,管壳式换热器的设计,意义:化工原理课程设计是一个具有总结性的实践教学环节。是综合应用本课程和相关课程知识，完成以某单元操作为主的一次设计实践。为毕业设计和今后从事技术工作打下一定的基础。 1.巩固和掌握本课程的主要知识； 2.培养综合运用所学知识去解决生产实际问题的能力； 3.查阅资料，选用公示和搜集数据（包括从已发表的文献、相关手册和从生产现场中搜集）的能力；,一、设计的目的及要求,一、设计的目的及要求,4.掌握化工设备的工艺设计程序、方法和有关的设计原则。包括查阅技术资料、正确选择工艺参数、搜集有关公式和使用图表手册的能力，以及正确进行工程计算的能力； 5.树立正确的设计

2、思想，用工程观念来考虑设计内容。使理论正确、技术可行、操作安全、经济合理。 6.熟悉有关的国家标准和部颁标准及技术规范。 7.具有用简洁的文字和正确的图表来表达自己设计思想与设计成果的能力。,换热器：在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器。 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。,一、设计题目： 设计一台换热器 二、操作条件： 1、苯：入口温度78，出口温度40。 2、冷却介质：循环水，入口温度：（26、29、32、34）。 3、允许压强降：不大于50kPa。 4、每年按300天计，每天24小时连续运行。 三、设备型式：

3、管壳式换热器 四、处理能力： 41.5 104 m3/年苯 ,二、课程设计任务,五、设计要求： 1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。 2、管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。 4、设备简图。（要求在坐标纸上按比例画出主要结构及尺寸和布管图） 5、对本设计的评述及有关问题的讨论。,二、化工原理课程设计任务,最终成果 1.绘制换热器总装置图一张.管板布置图一张（直角坐标质） 2.撰写设计说明书一份.,二、化工原理课程设计任务,三、设计说明书编排顺序,标题页（封面）； 设计任务书； 目录； 设计方案简介； 工艺流程草图及说明； 工艺计算及主体设备设计；

4、设计结果概要或设计一览表； 对本设计的评述； 附图(带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图)； 参考文献； 主要符号说明。,化工原理课程设计 说明书 设计题目：管壳式换热器的设计 设计单位：青海大学昆仑学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级：化工2010 学 号： 姓 名： 同组成员： 指导教师：师存杰 设计日期：2012年11月,1. 必须高度重视，以实事求是、严肃认真的态度，按质、按量、按时，独立完成课程设计任务； 2.要广泛搜集相关资料（参数、公式等），不要只局限于教材。对不同参考资料的数据要进行分析、比较、判断，选择更合理的使用。 3.工程计算中，常涉及到适宜范围内的选择。必须运用

5、已获得的知识，全面分析其影响因素，必要时进行多次计算、多种方案的比较，从可靠性和合理性全面考虑方能确定；,三、课程设计中应注意的问题,三、课程设计中应注意的问题,4.在设备结构尺寸上，要从加工制造方便、操作安全可靠的角度考虑，适当的把尺寸调整为整数； 5.设备装置图应按机械制图的规定绘制； 6.在完成规定的基本设计任务后，可进行多方案的比较；查阅参考资料，充实设计方案和结果的评述等。,1.下达课程设计任务书； 2.查阅文献参考资料，收集有关数据和公式，必要时且有条件的应到生产现场收集； 3.根据任务书的要求，确定设计步骤、设计方案、设计进度； 4.设计方案的确定及论述、设备的工艺计算或选型、绘

6、图、对设计结果的评述和编写设计说明书。 上述24项，在课程设计中既相互联系，又相互制约。在逐步深入的基础上不断地补充和完善。,四、课程设计的步骤, 满足工艺要求（工艺过程所要求的温度、压力、流量、传热量等）; 结构合理、运行安全可靠; 制造、维护方便，操作简单; 成本较低，经济合理。 评价换热设备经济性指标： 固定费用+操作费用=最小,八.换热器的设计原则,时间分配,1、流程的选择与确定 （1天） 内容包括确定工艺流程的选择与确定，主要工艺条件及主要设备的说明等内容。 2、物性数据的搜集与整理（1天） 内容包括所查阅与整理处理物系的各种物性数据图、表、经验公式，从中合理的选择出计算所需的图、表

7、数据及经验公式。 3、工艺计算（2天） 不同的设计课题所包含内容有所不同。 如设计列管式换热器，此时工艺计算部分应包括：热负荷的计算、平均温度差的计算、传热总系数的计算、对流传热系数a的计算、传热面积的确定、设备的主要工艺尺寸计算、流体力学的计算等内容。,时间分配,4、绘制有关图纸（1天） 所需绘制图纸包括工艺流程简图、工艺计算所必需的图纸、主要设备的装配图等。 5、 编写设计说明书（2天） 包括目录、任务书、设计方案说明、主要设备、工艺计算和设计计算结果汇总表、设计评述与对某些问题的讨论、参考资料、符号说明等内容。,11月28日上交手写说明书,管壳式换热器结构,封头 壳体 内部结构（包括管束

8、等）,单管程固定管板换热器,接管,壳体,管束,管板,封头（ 端盖、管箱）,折流挡板,管程,壳程,列管式换热器,列管式换热器,列管式换热器,1,列管换热器,列管式换热器,卧式安装特点：重心稳，维修方便，用于冷凝时传热效果较好。但占地面积大，换热器内须装支承板。,具有补偿圈的固定管板式换热器,膨胀节结构,管壳式换热器型号与系列标准 1）基本参数和型号 （1）基本参数 公称换热面积SN 公称直径DN 公称压强PN 换热器管长度L 换热管规格和排列 管程数NP （2）型号表示方法 例G800II-1.0-110,1-换热器代号（G,F） 2-公称直径，mm 3-管程数Np：、 4-公称压力PN,MPa

9、 5-公称换热面积SN,m2, 不洁净和易结垢的液体宜在管内-清洗比较方便 腐蚀性流体宜在管内-避免壳体和管子同时腐蚀，便于清洗 压强高的流体宜在管内-免壳体受压，节省壳程金属消耗量 饱和蒸汽宜走管间-便于及时排除冷凝液及不凝性气体 有毒流体宜走管内，使泄露机会较少 被冷却的流体宜走管间-可利用外壳向外的散热作用 流量小或粘度大的液体，宜走管间-提高对流传热系数 若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管间-减少热应力,一、流体流径的选择-冷、热流体走管程或壳程,上述各点若不能同时兼顾，应视具体情况抓主要矛盾。,先流体的压强、防腐蚀和清洗等要求，再校核对流传热系数和压强降。,增加流速 对流传

10、热系数 ，污垢热阻总传热系数 传热面积 流动阻力和动力消耗 还需考虑结构上： 高流速管子数目较长管子或增加程数 管子太长不易清洗，且管长都有一定标准；程数增加使平均温度差下降,二、流体流速的选择,一定传热面积,常用的流速范围,不同粘度液体的流速,三、流体两端温度的确定,若冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定两端温度的问题。 若其中一个流体已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。,例如：用冷水冷却某热流体，冷却水进口温度可根据当地气温条件作出估计，出口温度需根据经济衡算来决定。 为节省水量，出口温度提高，则传热面积要大些； 为减少传热面积，出口温度降低，则要增加水量。,一般，设计时

11、冷却水两端温度差可取为510。,1.管径 应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面的流速范围 目前列管式换热器系列标准中管径仅有： 25mm 2.5mm、 19mm 2mm,四、管子的规格和排列方法,小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体； 大直径管子用于粘性大或易结垢的流体。,2.管长 以清洗方便及合理使用管材为原则,合理的换热器管长：1.5m、2m、3m、6m等,管子长度与公称直径之比，一般为l/d46 ，对直径小的换热器可取大些。,3.管子排列方法,正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形等,管板强度高；流体走短路机会少，且扰动较大，因

12、而对流传热系数较高；相同壳程内排更多管子。,便于清洗，适于壳程流体易结垢的场合；但对流传热系数较正三角形的低。,介于正三角形和正方形之间。,4. 管间距t,管间距:两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑以下几个因素： 管板强度； 清洗管子外表面时所需要的空隙； 换热管在管板上的固定方法。,通常，胀管法取t =（1.31.5）d0，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t6+d0 焊接法取t =1.25d0。,管子与管板的连接,胀接,利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。,图7

13、-14 胀管前后示意图,（a）胀管前,（b）胀管后,液压 胀管器,液压胀接,机械胀接,适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力4MPa，设计温度300，且无特殊要求的场合。,原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度300 。,要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。,胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧密性)。,焊接,优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。 缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐

14、蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。,图7-16 焊接间隙示意图,管板,间隙,换热管,五、管程和壳程数的确定,当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，对流系数较小。 为提高管内流速，可采用多管程。,但管程数过多，管程流动阻力加大，增加动力费用；多程会使平均温度差下降；多程隔板使管板上可利用面积减少,标准中管程数有：1、2、4和6程，多程时应使每程管子数大致相等。,管程数m计算：,u管程内流体的适宜流速；u管程内流体的实际流体。,1.管程数,当温差校正系数 低于0.8，可采用壳方多程。,如：在壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次

15、，称为两壳程。,但由于隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是几个换热器串联使用,2.壳程数,六、折流挡板,形式：,作用： 提高壳程内流体的流速； 加强湍流强度； 提高传热效率； 支撑换热管。,圆缺形,盘环形,最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10%40%，一般取20%25%。,板间距过小，不便于制造和维修，阻力较大； 板间距过大，流体难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。,两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的（0.21）倍。,系列标准中，采用的h（mm）值为：,固定管板式：150,300,600； 浮头式：150,200,300,480

16、和600.,七、外壳直径的确定,要求：壳体内径等于或稍大于管板的直径。,单程管壳体内径：,式中: t管心距，m；nc 横过管束中心线的管数； b管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离.,D400mm,钢管卷焊而成,缓冲板,管板利用率,多管程壳体内径：,N 排列管子数目；t管心距,正三角形排列 2管程：0.7-0.85； 4管程：0.6-0.8 正方形排列 2管程：0.55-0.7 ; 4管程：0.45-0.65,计算得到的壳内径应圆整。,壳体标准尺寸,八、主要附件,1.封头,方形：用于直径小的壳体（400mm）； 圆形：用于大直径的壳体。,2.缓冲挡板,为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲

17、击，可在进料管口装设缓冲挡板,3.导流筒,壳程流体的进、出口与管板间存在一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒。,4.放气孔、排液孔,壳体上常安有放气孔和排液孔，排出不冷凝气体和冷凝液等。,5.接管,换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即,Vs流体的体积流量，u流体在接管中的流速,流速u的经验值可取为：,对液体 u =1.52m/s；对蒸气u =2050m/s ； 对气体u =（0.150.2）p/ (p为压强，kPa； 为气体密度)。,九、材料选用,材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。,目前常用的金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等。

18、 非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。,十、流体流动阻力（压强降）的计算,1.管程流动阻力,总阻力等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口之和。一般进、出口阻力可忽略不计，管程总阻力的计算式为：,2.壳程流动阻力,用埃索法计算壳程压强降，即,液体流经换热器的压强降为10100kPa，气体为110kPa。,设计步骤,1、试算并初选设备规格, 确定流体在换热器中流动途径。 根据传热任务计算热负荷Q。 确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性。 计算平均温差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。 依据总传热系数的经验值范围，或按生

19、产实际情况，选定总传热系数K值。 由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器的基本尺寸。,2、计算管程、壳程压强降,根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压强降。验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求。,3、核算总传热系数,计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算总传热系数K，比较K的初设值和计算值，若K/K=1.151.25，则初选的换热器合适。否则需另设K值，重复以上计算步骤。,设计任务书,将6000kg/h的植物油从140冷却到40，井水进、出口温度分别为20和40。要求换

20、热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa。,实例,工艺设计计算,一、确定设计方案,1选择换热器的类型 两流体的变化情况：热流体进口温度140，出口温度40； 冷流体进口温度20，出口温度40。 考虑冷热流体间温差大于50，初步确定选用浮头式换热器。,2流程安排 与植物油相比，井水易于结垢，如果其流速太小，会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降。植物油被冷却，走壳程便于散热。因此，冷却水走管程，植物油走壳程。,二、确定物性数据,对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。所以，,壳程流体的定性温度为：,管程流体的定性温度为：,定性温度下，管程流体(井水)、壳程流体（植物油）有关物性参

21、数由主要物性参数表得出。,2物性参数,1定性温度,主要物性参数表,三、估算传热面积,1.热流量,2.平均传热温差 先按照逆流计算，得,3.传热面积,由于壳程植物油的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=395W/ (m2)则估算的传热面积为：,考虑到外界因素的影响，根据经验取实际传热面积为估算值的1.15倍，则实际传热面积为：,4.井水用量,四、工艺结构尺寸,1.管径和管内流速,选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.75m/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：,按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准管设计，现

22、取传热管长L=8m，则该换热器的管程数为：,传热管总根数：n=202=40（根）,按单程管计算，所需的传热管长度为：,3.平均传热温差校正及壳程数,平均温差校正系数：,按单壳程，双管程结构，查图得：,平均传热温差,由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。,4.传热管排列和分程方法,采用正方形错列。取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532mm,隔板中心到离其最近一排管中心距离： S=t/2+6=32/2+6=22mm 各程相邻管的管心距为：222=44mm,5.壳体内径,采用多管程结构，取管板利用率=0.85，则壳体内径为：,圆整可取D=300mm,6.折流板,采用弓形折流板,取弓形之流板圆缺高度