化工原理课程设计之换热器

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1、课程设计导鑫区导鑫蠡 （可加过垃垫）可擁知管 回进封基In 进Out出大的进Hi 口臥牡理 大菽垦的气萍壳測密到固水出口水进口可折却的进出口理头雜條方1. 前言2. 设计任书.3. 工艺流程草图及说明4. 工艺计算及主要设备设计5. 确定设计方案6. 选择换热器的类型7. 流程安排8. 确定物性数据.9. 估算传热面积.10. 热流量11. 平均传热温差12. 传热面积13. 冷却水用量14. 工艺结构尺寸.15. 管径和管内流速16. 管程数和传热管数17. 传热管排列和分程方法18. 壳体内径19. 折流板20. 其他附件21. 接管22. 换热器核算923. 热流量核算924. 壳程表面

2、传热系数925. 管内表面传热系数926. 污垢热阻和管壁热阻927. 传热系数KC1028. 传热面积裕度.1029. 换热器内流体的流动阻力.1130. 管程流体阻力.1131 .课程阻力.1132. 辅助设备的计算和选型.1133. 换热器入水管的规格1134. 从河边至工厂的管子的规格1235. 离心泵1的规格1236. 换热器处离心泵2的规格1337. 蓄水池、凉水塔的设计1438. 设计结果设计一览表.1539. 设计评述.1740. 主要符号说明.19前言人类与化工的关系十分密切，在现代生活中，几乎随时随地都离 不开化工产品，从衣、食、住、行等物质生活，到文化艺术、娱乐 等精神生

3、活，都需要化工产品为之服务。有些化工产品在人类发展 历史中，起着划时代的重要作用。它们的生产和应用，甚至代表着 人类文明的一定历史阶段。化工设计是把一项化工过程从设想变成现实的一个建设环节， 涉及政治、经济、技术；资源、产品、市场、用户、环境；国策、 标准、法规；化学、化工、机械、电气、土建、自控、安全卫生、 给排水等专业和方化工设计包括三种设计类型：新建工厂设计；原 有工厂的改建和扩建设计；厂房的局部修建设计。每种化工设计通 常分为以工厂为单位和以车间为单位的两种设计。换热器广泛应用于机械、动力、运输、空调、制冷、低温、热量 回收、替代燃料和制造领域中，其性能的每一点提高都意味巨大的 经济与

4、社会效益。换热器设计是一个复杂而艰辛的过程，它不仅仅 是确定一个或者多个可行的解决方案，还要求确定最可能的或接近 最优的设计方案。本书详细介绍和应用传热学、流体力学、热力学 和微积分学基础课程的基本概念，以拓展换热器理论基础。介绍和 应用换热器设计技术，以解决工业实践中遇到的换热器实际问题。 本书可作为热工基础理论知识与工业热工设计实践之间的纽带，适 用于在职工程师和在校大学生研究生学习及工程应用。设计任务书设计题目：用水冷凝水蒸气（真空度为0.07Mpa，流量为200kg/h ）的换热器的设计。第 一 章 概 述列管式换热器又称管壳式换热器，它适用于冷却、冷凝、加热 换热、再沸、蒸发和费热回

5、收等方面。由于其具有结构牢固、操作 弹性大、可靠程度高、适应性强、使用范围广等优点，所以在工程 上广泛使用，特别在高温高压下，列管换热器将继续获得发展。换热器可分为间壁式、混合式和畜热式换热器，采用什么类型 的换热器，要具体情况综合考虑，择优选定。例如在炼油厂中作为 加热或冷却用的换热器，化工厂中蒸发设备的加热室等，大都采用 列管式换热器。本章将介绍列管式换热器的设计任务、原则、原理 和计算方法。第一节 设计任务和设计条件用水将真空度为0.07Mpa,流量为200kg/h的水蒸气冷凝，试设计一台列管管壳式的换热器，完成该生产任务。第二节 选择换热器的目的和型号1.2.1 选择换热器的目的为了完

6、成生产任务，即：用水将真空度为 0.07Mpa，流量为200kg/h的水蒸气冷凝，现选择列管式换热器来加热。1.2.2 换热器的型号选择 列管式换热器的分类列管式换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式 换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三 种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式、填料函式换热器, 按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1500说可根据 用户需要定制。四种换热器的主要优缺点如下：a、固定管板式换热器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

7、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。b、U 形管式换热器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。c、浮头式换热器换热器两端的管板，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，完全消除温差 应力，应用普遍。d、填料函式换

8、热器此类换热器的管板也仅有一端与壳体固定，另一端采用填料函 密封。但是，由于填料密封处易于泄漏。故壳程压力不能过高，也 不易用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。 根据两流体温度变化情况热流体（饱和蒸汽）进口温度为100C，出口温度为100C； 冷流体进口温度20C,出口温度30.8C，估计冷热流体温差较大， 从而该换热器的管壁温度和壳体壁温之差较大，故初步确定：用浮 头式换热器。第三节 工艺条件的选择1.3.1 流体流入空间的选择设计列管换热器之前，要考虑哪一种流体走管程或壳程，这关 系到设备使用是否合理。一般选择原则如下：（1）不干净和易结垢的流体宜走管内，因为管内清洗比较方便。 （ 2）腐

9、蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而 且管子也便于清洗和检修。（ 3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，可节省壳程金属 消耗量。（4）饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁 净，对清洗无要求。（5）有毒流体宜走管内，使泄露机会比较少。（6）被冷却流体宜走管间，可利用外壳向外散热作用，增强冷 却效果。（7）黏度大的液体或流量较小的流体宜走管间，因流体在有折 流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低 Re 值（Re100）下即可达湍流，以提高对流传热系数。（ 8 ）对于刚性结构的传热器，若两流体的温度差较大，对流传 热系数较大者宜走管间，因壁面温度与a大的流体温

10、度相近，可以 减少热应力。综上述条件可确定：换热器里饱和水蒸汽走壳程，循环冷却水 走管程。1.3.2 流体流向的选择 参与换热的两种流体在间壁两侧流向有并流，逆流，错流四重 类型。实际生产中，流体多是比较复杂的多程流动，考虑到经济性 与效率等实际问题，选择折流。综上所述各条件的确定：可知换热器中饱和水蒸汽走壳程，循 环冷却水走管程；流径选择折流。第 二 章 换热器尺寸的初步设计第一节 确定物性数据2.1.1 涉及到的物性常数管程中循环冷却水的定性温度：T= （20+40） /2=30C壳程中水蒸气的压强P=31330pa此压强下水蒸气有关物性常数：蒸气压P/pa温度C密度kg/m3热焓(kJ/

11、kg)潜热r (kJ/k)31330620.3172609.61290.5应选择水蒸气走壳程，水走管程：参数壳程（水蒸气）管程（水）定性温度（C）6230普朗特数1.765.42密度 p（k/m3）0.317995.7定比热容Cp （ kJ/（kC）4.224.174潜热 r (kJ/k)1290.5热导率入(w/(cm.C)0.68270.6176粘度卩（Pas ）0.2838*10-30.8007*10-3第二节 流 速 的 确 定换热器内流体速度大小必须通过经济核算进行选择。因为流速 增加，传热膜系数增大，同时亦减少污垢在管子表面沉积的可能行， 降低了垢层的热阻，从而使K值提高，所需传热

12、面积减少，设备投 资也减少，但随着流速的增加，流体阻力也相应增加，动力消耗增 大，使操作费增加。因此，一般流体都尽可能使Re2000，粘度高 的流体常按滞流设计。根据经验，下面列出一些工业上常用的流速 范围。见下表：表 23 列管式换热气中常用的流速范围：流体的种类般流体易结垢液体气体流速/(m/s)管程0.5 3.0 1530壳 程0.2 1.5 0.5315表 2-4 列管式换热器易燃、易爆液体允许的安全流速：液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全流速/ m/s) 1 23 1150050010035mPa.s5005001003511最大流速/0. 60. 751. 11.51.82. 4(m/s)根据上面所述表格中的数据可选择水流速为：u =1.0 m/s第 三 章 始算设计换热器的规格第一节 估算传热面积3.1.1流量Q = W*r=0.4556kg/s*1290.5 kJ/kg=71.70kw3.1.2平均传热温差（按折流计算）热流体（饱和水