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1、沈阳农业大学课程设计1课程设计名称： 列管换热器 题 目： 换热器的设计 学 期：2013-2014 学年第 1 学期专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 沈阳农业大学课程设计2前言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设备。热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造在换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应釜、压力容器冷凝器、反应锅、螺旋板式换热器、波纹管换热器、列管换热器、板式换热器、螺旋板换热器、管壳式换热器、容积式换热器、浮头式换热器、管式换热器、热管换热器、汽水换热器、换热机组、石墨换热器空气换热器、钛换热器。在合成氨生产过程
2、中，换热器应用十分广泛，主要用于热量的交换和回收。变换工段中主要涉及一氧化碳的转化和能量的回收利用，列管换热器在传热效率，紧凑性和金属耗量不及某些换热器，但它具有结构简单，坚固耐用，适用性强，制造材料广泛等独特优点，因而，在合成氨变换工段选择列管式换热器，而本设计主要对该换热器进行相关选型和计算今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性、不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。 在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热
3、器中，间壁式换热器应用最多。列管式换热器是间壁式换热器的主要类型。沈阳农业大学课程设计3目录1.任务书 31.1.列管式换热器设计内容31.2.设计任务和操作条件3二.概述及设计要求 42.1.换热器概述 42.2.固定管板式换热器52.3.设计要求5 三.设计条件及主要物理参数63.1.初选换热器的类型 63.2.确定物性参数 63.3.计算热流量及平均温差 63.4.管程安排(流动空间的选择)及流速确定 73.5.计算总传热系数103.6.计算传热面积10四. 工艺设计计算 114.1 主要工艺及结构基本参数计算 114.2 换热器筒体尺寸与接管尺寸确定 124.3 换热器封头选择 12
4、4.3.1 封头选型 134.3.2 封头厚度选取 134.4 管板的确定 4.4.1 管板尺寸 134.4.2 管板与壳体连接134.4.3 管板厚度144.5 换热器支座选定 144.6 折流板14 4.7 接管154.8 壁厚的确定、封头 15五. 换热器核算 165.1.热量核算 185.2.壁温核算 195.3.流动阻力核算 206. 设计结果统计 217. 设计体会和收获 22八.参考文献 23沈阳农业大学课程设计4一 设计任务书1.1 列管式换热器设计内容1.1.1 选择换热器的类型 两流体温的变化情况：热流体进口温度 110 出口温度 60；冷流体进口温度 29，出口温度为 3
5、9，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。 1.1.2 管程安排 从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。1.2 设计任务和操作条件制冷机型号 6FW10 工况 标准缸数 6 制冷量（kw） 100缸径（mm） 100 发动机功率（kw） 60行程（mm） 70 蒸发温度（） -10转数（r/min） 1440 冷凝温度（） 30理论容积
6、（m3/h） 285 吸气温度（） 15吸气管径（mm） DN80 过冷温度（） 35排气管径（mm） DN70 冷却水入口温度（） 20工质 R134a沈阳农业大学课程设计5二.概述及设计要求2.1 换热器概述换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。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 35%40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流
7、体的设备。换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表 2-1 所示。表 2-1 传热器的结构分类类型 特点刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般50） ，管间不能清洗固定管式 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U 型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难外填料函 管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质填料函式 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮列管式双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式
8、 能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热管壳式螺旋管式 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净间壁式板面式板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式 适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合沈阳农业大学课程设计62.2.固定管板式因设计需要，下面简单介绍一下固定管板式换热器。固定管板式即两端管
9、板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩） ，以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于 70）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴图 2.2.1.固定管板式换热器的示意图2.3.设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求：（1
10、）合理地实现所规定的工艺条件：增大传热系数提高平均温差妥善布置传热面（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，应遵循我国钢制石油化工压力容器设计规定和钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。 （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拆卸，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：在一定时间内（通常 1 年内的）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
11、都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。沈阳农业大学课程设计7三.设计条件及主要物理参数3.1.初选换热器的类型两流体的温度变化情况如下：（1）R134a：入口温度 140，出口温度 40；（2）冷却介质：井水，入口温度 20，出口温度 40；该换热器用循环冷却井水进行冷却，由于 6050,所20410mtT需换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，故从安全、方便、经济考虑可以采用带有补偿圈的管板式换热器。3.2.确定物性参数定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程流体（R134a）的定性温度为：T= (140+40)/2=90管程流体（水）的定性温
12、度为：t=（40+20）/2=30在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和 R134a)的物性参数，见下表 3-1：密度/（/m3） 比热容/（kJ/kg）粘度/（Pas）导热系数/（kJ/m）R134a 1188 1.51 2.0210-4 0.082水 995.7 4.174 8.0110-4 0.6183.3.计算热流量及平均温差3.3.1.热流量以热介质 R134a 为计算标准算它所需要被提走的热量:Q=ms1cp1(T1-T2)=6000x1.51x(140-40)=906kJ/h=251.7kw3.3.2.平均传热温差计算两流体的平均传热温差 暂时按单壳程、多管程计算。逆流时，我们有R134a：14040井 水： 4020从而，69.4201lnmt沈阳农业大学课程设计
