化工原理课程设计--列管式换热器

课 程 设 计 说 明 书

课程名称： 化工原理 设计题目： 换热器设计

院 系： 化学与环境工程学院 学生姓名： 井德水 学 号： [1**********]3 专业班级： 化学工程与工艺2班 指导教师： 路有昌

2012 年 11 月 16

课程设计任务书

摘要

首先对换热器的背景和设计知识进行了概述。然后设总传热系数，根据公式假估算传热面积。确定管壳程的程数，并计算壳体直径与换热器内部部件尺寸。根据前面计算，再计算流速进而算总传热系数，核算传热面积与压降符合要求之后。最后进行机械设计，根据标准选择各部件的材料与尺寸。

关键词

换热器 设计 管程 壳程 传热系数 压降

目录

1前言 ........................................................................................... 1

1.1工程背景 .............................................................................................................. 1

1.2 换热器介绍 ......................................................................................................... 1

1.3设计概述 .............................................................................................................. 4

1.4设计要求 .............................................................................................................. 6

2换热器计算 .............................................................................. 8

2.1试算并初选换热器规格 ...................................................................................... 8

2.1.1 选定换热器类型 .................................................................................................................... 8

2.1.2流动空间的确定 ..................................................................................................................... 9

2.1.3.确定物性数据 ......................................................................................................................... 9

2.1.4冷却水用量 ............................................................................................................................. 9

2.1.5估算传热面积 ......................................................................................................................... 9

2.2工艺结构尺寸 .................................................................................................... 10

2.2.1管径和管内流速 ................................................................................................................... 10

2.2.2传热管排列和分程方法 ....................................................................................................... 11

2.2.3壳体内径 ............................................................................................................................... 11

2.2.4折流板 ................................................................................................................................... 11

2.2.5接管 ....................................................................................................................................... 11

3换热器核算 ............................................................................ 12

3.1传热能力核算 .................................................................................................... 12

3.1.1壳程对流传热系数 ............................................................................................................... 12

3.1.2.管程对流传热系数 ............................................................................................................... 13

3.1.3总传热系数K ....................................................................................................................... 13

3.3核算压力降 ........................................................................................................ 14

3.3.1管程压力降 ........................................................................................................................... 14

3.3.2壳程压力降 ........................................................................................................................... 15

4换热器的机械设计 ................................................................ 15

4.1壳体厚度的计算 ................................................................................................ 15

4.1.1壳体直径 ............................................................................................................................... 15

4.2封头的选择 ........................................................................................................ 16

4.3壳体内部件的选择 ............................................................................................ 16

4.4法兰的选择 ........................................................................................................ 16

4.5支座的选择 ........................................................................................................ 17

4.6接管的选择 ........................................................................................................ 17

4.6.1排净口及排气接管 ............................................................................................................... 17

4.6.2壳程接管 ............................................................................................................................... 17

4.6.3管程接管 ............................................................................................................................... 17

总结 ............................................................................................ 18

参考文献阅读 ........................................................................... 19

指导教师评语 ........................................................................... 20

1前言

1.1工程背景

换热器是许多工业生产中常用的设备,在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中应用极为广泛，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%，在炼油厂约占总费用的35%-40%。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。在化工厂中经常应用换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。

1.2 换热器介绍

（1）换热器在工业中的应用：换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可或缺的工艺设备之

一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况

下，一批具有代表性的高效换热器和强化元件诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成就，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T型翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张情况。

随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化，煤油加氢，汽油、柴油加氢和乳化油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大。螺纹锁紧环换热器、Ω密封环换热器、金属垫圈式换热器、蜜蜂盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然等场合，可满足承压高达35MPa，承温达700℃的使用要求。在这些场合，换热器占有的投资占50%以上。

（2）换热器的研究现状：20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高和换热器及空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府都加大了投入资金力度。

国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、纵横管等；天津大学在流路分析法、震动等发面研究成果显著；清华大学在板片传热反方面有深入的研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面江苏化工学院开发出液压涨管器；以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流管换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器、Ω环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器。

（3）换热器的发展动向：换热器的传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但汽油组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更准确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000㎡，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、

制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。

各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电厂动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。

1.3设计概述

我们设计的是热水冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。在换热器中至少要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。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

其中列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器有固定管板式、U形管式、浮头式和填料函式等类型。

列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。

① 固定管板式

固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。

② U形管式

U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。

③ 浮头式

换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。

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。但壳程内介质有外泄的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

1.4设计要求

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件

传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下：

①增大传热系数 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。

②提高平均温差 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。

③妥善布置传热面 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠

换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。

（3）有利于安装、操作与维修

直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理

评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。

动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。

传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。

2换热器计算

2.1试算并初选换热器规格 2.1.1 选定换热器类型

两流体温度变化情况：热流体（热水）入口温度为80℃，出口温度60℃；冷流体（循环水）入口温度32℃，出口温度40℃。 定性温度：可取流体进口温度的平均值

8060

70℃ 24032

36℃ 管程循环水定性温度 t

2

壳程热水定性温度 T

该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，故选用固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

2.1.2流动空间的确定

循环水易结垢，应该走管程。再者热水走壳程便于与向外界传递热量，可以加快传热效率，所以热水走壳程。

2.1.3.确定物性数据

2.1.4冷却水用量

热水质量流量

qm,h

1105103

12626kgh 33024

热负荷

QT=qm,hcP,h(T1T2)=126264.187(8060)kJh=293.6kW

忽略热量损失，循环冷却水用量为

qm,c=

QT293.63600

=kgh=31654kgh

cP,c(t2t1)4.174(4032)

2.1.5估算传热面积

计算平均温度差 暂按单管程单壳程考虑，按逆流算平均温度差

热水 80℃→60℃

冷却水 40℃←32℃

△t 40℃ 28℃

=tm

t2t14028

==34℃ 2lnlnt128

取总传热系数 K=750(2m℃ )估算传热面积

S'=

QT293.622

=m=11.5m'

Ktm75034

考虑15%的面积裕度 S=1.15S'=1.1511.5=13.2m2

2.2工艺结构尺寸 2.2.1管径和管内流速

选用252.5，20号碳钢传热管，取管内流速uis。 依据传热管内径和流速确定单程传热管数

ns=

V

4

=

di2ui

31654

29(根)

0.7850.02213600994.3

按单管程计算，所需的传热管长度为

L=

S13.2

==5.8m dons3.140.02529

取传热管长度为3米

NP=

L5.8=2管程 l3

传热管一共

N=292=58(根)

2.2.2传热管排列和分程方法

采用组合排列法，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1.25do则

t1.252531.2532(mm)

横过管束中心的管数

nc9(根)

2.2.3壳体内径

采用双管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为

D1.051.0532305mm

圆整可取D325mm。

2.2.4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h0.2532581.25mm，故可取h80mm。 取折流板间距则可取为折流板数B0.3D，则

B0.332597.5mm，可取B100mm

折流板数 NB

传热管长3000

1129(块)

折流板间距100

折流板圆缺面水平装配。

2.2.5接管

壳程流体进出口接管：取接管内热水流速为u1ms，则接管内径为

d

取标准管径为

68mm 70mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速us，则接管内径为

d

75mm 取标准管径为80mm。

3换热器核算

3.1传热能力核算 3.1.1壳程对流传热系数

壳程对流传热系数对圆缺型折流板，可采用克恩公式

o0.36

o

de0.55

ReoPr(

o0.14

)

w

当量直径de

22do)40.03220.7850.0252)0.02m do3.140.025

壳程流通截面积

SoBD(1

do0.025

)0.10.325(1)0.0071m2 t0.032

壳程流体流速和雷诺数分别为

uo

12626

0.505ms

3600977.80.0071

Reo

douoo

o



0.020.505977.8

24318

0.0004061

普兰特准数

Pr

cpoo

o

4.1871030.00040612.55

0.6676

粘度校正 (



)1w

0.6676

243180.552.55314228Wm2℃） 0.02

o0.36

3.1.2.管程对流传热系数

管程对流传热系数 i0.023管程流通截面积

Si0.7850.022

58

0.0091m2 2

i

di

Re0.8Pr0.4

管程流体流速和雷诺数

ui

31654

0.972ms

3600994.30.00910.020.972994.3Re26022

0.0007428

普兰特准数

4.1741030.0007428Pr=4.97

0.6241

i0.023

0.6241

260220.84.970.44642Wm2℃） 0.02

3.1.3总传热系数K

总传热系数K

K=

11 

oiooRsi0.000172idididio46420.020.02500.02254228

861Wm℃）

温差tm需要校正，平均温度差校正系数查PR图

R=

80604032

2.5 P0.17

40328032

查图知t0.97

0.973433℃ tmttm

可得 S实际传热面积

Qo293600

10.3m2 Ktm86133

SPdoL(Nnc)3.140.025(30.04)(619)12.0m2

面积裕度 H

SPS12.010.3

100%S10.3

16. 5%

3.3核算压力降

3.3.1管程压力降

管程压力降

pi(p12)FtNsNp

Ft1.5 Ns1 Np2

用Re26022，相对粗糙度为

0.1

0.05 20

查莫狄图 i0.03 3

Lcui23997.40.9722p10.0332325Pa

di20.022

994.30.9722

P23()31409Pa

22

cui2

pi(23251409)1.52111202Pa105Pa

管程压力降适宜。

3.3.2壳程压力降

tNs 壳程压力降 po(P1P2)F

Ft1 Ns1

流体流经管束的压力降P1Ffonc(NB1)

2

huo

2

fo5243180.2280.5 F0.5

2

P10.50.5(291)0.505

977.8

8416 2

流体流过折流板缺口的压力降

2

2Bhuo20.1977.80.5052

P2NB(3.5)29(3.5)10430Pa

D20.3252

总压力降

5

Po8416104301884610Pa

壳程压力降适宜。

4换热器的机械设计

4.1壳体厚度的计算 4.1.1壳体直径

壳体直径小于400mm，可以直接用无缝钢管做筒体，用20号碳钢钢管，3mm，DNDo325mm。 5.1.2液压校核 液压校核t

P（TDo-e）0.9s 2e

无缝钢管1，取腐蚀余量C21.0mm。

钢管厚度负偏差按15%算C115%3250.49mm

enC1C230.4911.51mm

t0.6(3251.51)64.3Pa 21.51

0.9s0.91245220.5Pa

t0.9s，强度足够。

4.2封头的选择

上下均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746－2002标准，封头为DN3254,曲面高度为h181mm，直边高度为h225mm。材料选用Q235-B。

4.3壳体内部件的选择

4.4法兰的选择

材料选用20。选用DN300，PN0.6MPa的管板兼作法兰，管箱与封头，

2个法兰。

4.5支座的选择

选用BⅠ325型鞍座h200mm，Q235A。

4.6接管的选择

4.6.1排净口及排气接管

排净口及排气口均采用DN32的接管。

4.6.2壳程接管

d68mm 取Do75.5mm DN70mm =2.5mm。

4.6.3管程接管

d75mm 取Do88.5mm DN80mm =3mm。

总结

在设计过程中，往往会遇到很多问题。设计过程中所涉及到得一些知识来源于我们平时所学，联系最紧密的应该就是《化工原理》和《工程制图》。开始根本不知道从何下手，在第一天老师来辅导后，大概知道了设计步骤。了解到整个计算过程后，最先假设总传热系数K，只能随便设定一个值进行计算，再核算。刚开始选取的数据并不好，但后来算过一遍后，有了点技巧，最终总传热系数K为750。 电子稿编辑中，因为有很多复杂的公式，所以我使用了MathType公式编辑器来输入，方便快捷。此外，整个设计过程中，制图占很大比例。由于我的工程制图基础不好，所以在画图这一块我花费了很长时间，同学也帮助了我很多，画图的技巧也学习了一些。 通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本次设计熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。通过本次课程设计，我还认识到，组员之间一定要多沟通，多交流意见，要不然，一个人的能力再怎么强，在团体工作中也是不能够出色完成设计任务。但由于本课程设计属第一次设计，而且时间比较仓促，查阅文献有限，本课程设计还不够完善，不能够进行有效可靠的计算。

参考文献阅读

[1]刁玉玮，王立业，俞建良.化工设备机械基础（第六版）.大连理工大学出版社2006

[2]俞建良主编.化工设备机械基础（第六版）学习指导.大连理工大学出版社2012

[3]柴诚敬主编.化工原理第二版上册.高等教育出版社2010

[4]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册（第四版）.北京：化学工业出版社2005

[5]贺匡国等.化工容器及设备简明设计手册（第二版）.北京：化学工业出版社2002

[6]钱颂文等.换热器设计手册.北京：化学工业出版社2002

课 程 设 计 说 明 书

课程名称： 化工原理 设计题目： 换热器设计

院 系： 化学与环境工程学院 学生姓名： 井德水 学 号： [1**********]3 专业班级： 化学工程与工艺2班 指导教师： 路有昌

2012 年 11 月 16

课程设计任务书

摘要

首先对换热器的背景和设计知识进行了概述。然后设总传热系数，根据公式假估算传热面积。确定管壳程的程数，并计算壳体直径与换热器内部部件尺寸。根据前面计算，再计算流速进而算总传热系数，核算传热面积与压降符合要求之后。最后进行机械设计，根据标准选择各部件的材料与尺寸。

关键词

换热器 设计 管程 壳程 传热系数 压降

目录

1前言 ........................................................................................... 1

1.1工程背景 .............................................................................................................. 1

1.2 换热器介绍 ......................................................................................................... 1

1.3设计概述 .............................................................................................................. 4

1.4设计要求 .............................................................................................................. 6

2换热器计算 .............................................................................. 8

2.1试算并初选换热器规格 ...................................................................................... 8

2.1.1 选定换热器类型 .................................................................................................................... 8

2.1.2流动空间的确定 ..................................................................................................................... 9

2.1.3.确定物性数据 ......................................................................................................................... 9

2.1.4冷却水用量 ............................................................................................................................. 9

2.1.5估算传热面积 ......................................................................................................................... 9

2.2工艺结构尺寸 .................................................................................................... 10

2.2.1管径和管内流速 ................................................................................................................... 10

2.2.2传热管排列和分程方法 ....................................................................................................... 11

2.2.3壳体内径 ............................................................................................................................... 11

2.2.4折流板 ................................................................................................................................... 11

2.2.5接管 ....................................................................................................................................... 11

3换热器核算 ............................................................................ 12

3.1传热能力核算 .................................................................................................... 12

3.1.1壳程对流传热系数 ............................................................................................................... 12

3.1.2.管程对流传热系数 ............................................................................................................... 13

3.1.3总传热系数K ....................................................................................................................... 13

3.3核算压力降 ........................................................................................................ 14

3.3.1管程压力降 ........................................................................................................................... 14

3.3.2壳程压力降 ........................................................................................................................... 15

4换热器的机械设计 ................................................................ 15

4.1壳体厚度的计算 ................................................................................................ 15

4.1.1壳体直径 ............................................................................................................................... 15

4.2封头的选择 ........................................................................................................ 16

4.3壳体内部件的选择 ............................................................................................ 16

4.4法兰的选择 ........................................................................................................ 16

4.5支座的选择 ........................................................................................................ 17

4.6接管的选择 ........................................................................................................ 17

4.6.1排净口及排气接管 ............................................................................................................... 17

4.6.2壳程接管 ............................................................................................................................... 17

4.6.3管程接管 ............................................................................................................................... 17

总结 ............................................................................................ 18

参考文献阅读 ........................................................................... 19

指导教师评语 ........................................................................... 20

1前言

1.1工程背景

换热器是许多工业生产中常用的设备,在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中应用极为广泛，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%，在炼油厂约占总费用的35%-40%。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。在化工厂中经常应用换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。

1.2 换热器介绍

（1）换热器在工业中的应用：换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可或缺的工艺设备之

一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况

下，一批具有代表性的高效换热器和强化元件诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成就，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T型翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张情况。

随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化，煤油加氢，汽油、柴油加氢和乳化油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大。螺纹锁紧环换热器、Ω密封环换热器、金属垫圈式换热器、蜜蜂盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然等场合，可满足承压高达35MPa，承温达700℃的使用要求。在这些场合，换热器占有的投资占50%以上。

（2）换热器的研究现状：20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高和换热器及空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府都加大了投入资金力度。

国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、纵横管等；天津大学在流路分析法、震动等发面研究成果显著；清华大学在板片传热反方面有深入的研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面江苏化工学院开发出液压涨管器；以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流管换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器、Ω环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器。

（3）换热器的发展动向：换热器的传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但汽油组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更准确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000㎡，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、

制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。

各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电厂动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。

1.3设计概述

我们设计的是热水冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。在换热器中至少要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。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

其中列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器有固定管板式、U形管式、浮头式和填料函式等类型。

列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。

① 固定管板式

固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。

② U形管式

U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。

特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。

③ 浮头式

换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。

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。但壳程内介质有外泄的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

1.4设计要求

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件

传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下：

①增大传热系数 在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。

②提高平均温差 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。

③妥善布置传热面 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠

换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。

（3）有利于安装、操作与维修

直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理

评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。

动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。

传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。

2换热器计算

2.1试算并初选换热器规格 2.1.1 选定换热器类型

两流体温度变化情况：热流体（热水）入口温度为80℃，出口温度60℃；冷流体（循环水）入口温度32℃，出口温度40℃。 定性温度：可取流体进口温度的平均值

8060

70℃ 24032

36℃ 管程循环水定性温度 t

2

壳程热水定性温度 T

该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，故选用固定管板式换热器。这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

2.1.2流动空间的确定

循环水易结垢，应该走管程。再者热水走壳程便于与向外界传递热量，可以加快传热效率，所以热水走壳程。

2.1.3.确定物性数据

2.1.4冷却水用量

热水质量流量

qm,h

1105103

12626kgh 33024

热负荷

QT=qm,hcP,h(T1T2)=126264.187(8060)kJh=293.6kW

忽略热量损失，循环冷却水用量为

qm,c=

QT293.63600

=kgh=31654kgh

cP,c(t2t1)4.174(4032)

2.1.5估算传热面积

计算平均温度差 暂按单管程单壳程考虑，按逆流算平均温度差

热水 80℃→60℃

冷却水 40℃←32℃

△t 40℃ 28℃

=tm

t2t14028

==34℃ 2lnlnt128

取总传热系数 K=750(2m℃ )估算传热面积

S'=

QT293.622

=m=11.5m'

Ktm75034

考虑15%的面积裕度 S=1.15S'=1.1511.5=13.2m2

2.2工艺结构尺寸 2.2.1管径和管内流速

选用252.5，20号碳钢传热管，取管内流速uis。 依据传热管内径和流速确定单程传热管数

ns=

V

4

=

di2ui

31654

29(根)

0.7850.02213600994.3

按单管程计算，所需的传热管长度为

L=

S13.2

==5.8m dons3.140.02529

取传热管长度为3米

NP=

L5.8=2管程 l3

传热管一共

N=292=58(根)

2.2.2传热管排列和分程方法

采用组合排列法，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1.25do则

t1.252531.2532(mm)

横过管束中心的管数

nc9(根)

2.2.3壳体内径

采用双管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为

D1.051.0532305mm

圆整可取D325mm。

2.2.4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h0.2532581.25mm，故可取h80mm。 取折流板间距则可取为折流板数B0.3D，则

B0.332597.5mm，可取B100mm

折流板数 NB

传热管长3000

1129(块)

折流板间距100

折流板圆缺面水平装配。

2.2.5接管

壳程流体进出口接管：取接管内热水流速为u1ms，则接管内径为

d

取标准管径为

68mm 70mm。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速us，则接管内径为

d

75mm 取标准管径为80mm。

3换热器核算

3.1传热能力核算 3.1.1壳程对流传热系数

壳程对流传热系数对圆缺型折流板，可采用克恩公式

o0.36

o

de0.55

ReoPr(

o0.14

)

w

当量直径de

22do)40.03220.7850.0252)0.02m do3.140.025

壳程流通截面积

SoBD(1

do0.025

)0.10.325(1)0.0071m2 t0.032

壳程流体流速和雷诺数分别为

uo

12626

0.505ms

3600977.80.0071

Reo

douoo

o



0.020.505977.8

24318

0.0004061

普兰特准数

Pr

cpoo

o

4.1871030.00040612.55

0.6676

粘度校正 (



)1w

0.6676

243180.552.55314228Wm2℃） 0.02

o0.36

3.1.2.管程对流传热系数

管程对流传热系数 i0.023管程流通截面积

Si0.7850.022

58

0.0091m2 2

i

di

Re0.8Pr0.4

管程流体流速和雷诺数

ui

31654

0.972ms

3600994.30.00910.020.972994.3Re26022

0.0007428

普兰特准数

4.1741030.0007428Pr=4.97

0.6241

i0.023

0.6241

260220.84.970.44642Wm2℃） 0.02

3.1.3总传热系数K

总传热系数K

K=

11 

oiooRsi0.000172idididio46420.020.02500.02254228

861Wm℃）

温差tm需要校正，平均温度差校正系数查PR图

R=

80604032

2.5 P0.17

40328032

查图知t0.97

0.973433℃ tmttm

可得 S实际传热面积

Qo293600

10.3m2 Ktm86133

SPdoL(Nnc)3.140.025(30.04)(619)12.0m2

面积裕度 H

SPS12.010.3

100%S10.3

16. 5%

3.3核算压力降

3.3.1管程压力降

管程压力降

pi(p12)FtNsNp

Ft1.5 Ns1 Np2

用Re26022，相对粗糙度为

0.1

0.05 20

查莫狄图 i0.03 3

Lcui23997.40.9722p10.0332325Pa

di20.022

994.30.9722

P23()31409Pa

22

cui2

pi(23251409)1.52111202Pa105Pa

管程压力降适宜。

3.3.2壳程压力降

tNs 壳程压力降 po(P1P2)F

Ft1 Ns1

流体流经管束的压力降P1Ffonc(NB1)

2

huo

2

fo5243180.2280.5 F0.5

2

P10.50.5(291)0.505

977.8

8416 2

流体流过折流板缺口的压力降

2

2Bhuo20.1977.80.5052

P2NB(3.5)29(3.5)10430Pa

D20.3252

总压力降

5

Po8416104301884610Pa

壳程压力降适宜。

4换热器的机械设计

4.1壳体厚度的计算 4.1.1壳体直径

壳体直径小于400mm，可以直接用无缝钢管做筒体，用20号碳钢钢管，3mm，DNDo325mm。 5.1.2液压校核 液压校核t

P（TDo-e）0.9s 2e

无缝钢管1，取腐蚀余量C21.0mm。

钢管厚度负偏差按15%算C115%3250.49mm

enC1C230.4911.51mm

t0.6(3251.51)64.3Pa 21.51

0.9s0.91245220.5Pa

t0.9s，强度足够。

4.2封头的选择

上下均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4746－2002标准，封头为DN3254,曲面高度为h181mm，直边高度为h225mm。材料选用Q235-B。

4.3壳体内部件的选择

4.4法兰的选择

材料选用20。选用DN300，PN0.6MPa的管板兼作法兰，管箱与封头，

2个法兰。

4.5支座的选择

选用BⅠ325型鞍座h200mm，Q235A。

4.6接管的选择

4.6.1排净口及排气接管

排净口及排气口均采用DN32的接管。

4.6.2壳程接管

d68mm 取Do75.5mm DN70mm =2.5mm。

4.6.3管程接管

d75mm 取Do88.5mm DN80mm =3mm。

总结

在设计过程中，往往会遇到很多问题。设计过程中所涉及到得一些知识来源于我们平时所学，联系最紧密的应该就是《化工原理》和《工程制图》。开始根本不知道从何下手，在第一天老师来辅导后，大概知道了设计步骤。了解到整个计算过程后，最先假设总传热系数K，只能随便设定一个值进行计算，再核算。刚开始选取的数据并不好，但后来算过一遍后，有了点技巧，最终总传热系数K为750。 电子稿编辑中，因为有很多复杂的公式，所以我使用了MathType公式编辑器来输入，方便快捷。此外，整个设计过程中，制图占很大比例。由于我的工程制图基础不好，所以在画图这一块我花费了很长时间，同学也帮助了我很多，画图的技巧也学习了一些。 通过本次设计，我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，以及如何计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。对化工原理设计的有关步骤及相关内容有一定的了解。通过本次设计熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解。在设计的过程培养了大胆假设，小心求证的学习态度。通过本次课程设计，我还认识到，组员之间一定要多沟通，多交流意见，要不然，一个人的能力再怎么强，在团体工作中也是不能够出色完成设计任务。但由于本课程设计属第一次设计，而且时间比较仓促，查阅文献有限，本课程设计还不够完善，不能够进行有效可靠的计算。

参考文献阅读

[1]刁玉玮，王立业，俞建良.化工设备机械基础（第六版）.大连理工大学出版社2006

[2]俞建良主编.化工设备机械基础（第六版）学习指导.大连理工大学出版社2012

[3]柴诚敬主编.化工原理第二版上册.高等教育出版社2010

[4]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册（第四版）.北京：化学工业出版社2005

[5]贺匡国等.化工容器及设备简明设计手册（第二版）.北京：化学工业出版社2002

[6]钱颂文等.换热器设计手册.北京：化学工业出版社2002