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1、列管式热交换器的设计化工原理教研室化工原理课程设计指导书列管式热交换器的设计贵州工业大学化工原理教研室 孙礼运 编目录前言 2一、概述 2二、热交换器设计的主要因素 3三、列管式热交换器的设计步骤 4（一）物料衡算及热量衡算 4（二）确定两载热体的物性数据 4（三）两载热体的流程安排 5（四）管、壳程数的确定5（五）传热平均温度差计算 5（六）估算传热面积6（七）结构设计7（八）计算阻力压降12（九）计算温差应力，确定热补偿方法 13（十）设计管箱和接管 13（十一）确定换热管与管板的连接方法 14参考资料 14 附录 1、合成氨生产中一氧化碳变换工艺简介 152、常压下，0tC时气体的平均定
2、压热容163、3.5大气压（绝）下，过热蒸汽的焓 174、CO、CH4的导热系数 17附图 列管式热交换器结构型式图 18化工原理课程设计任务书前言化工原理课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生工程设计能力的一 次基本训练，它要求学生按照课程设计任务书的要求，完成一项化工设备的设计工作，通过设 计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，同时在以下几个方面得到训练、培养和提高：1. 综合应用化工原理课程及有关先修课程的基本知识去分析和解决实际问题的能力。2. 查阅技术资料、选用计算方法、计算公式和收集数据的能力。3. 树立正确的设计思想，懂得工程设计应兼顾技术上的先进性、经济上的合理
3、性和操作 上的安全可靠性。4. 用层次清楚的计算，辅以必要而简洁的文字说明和清析的图表来表达设计结果的能力。5. 工程制图的能力。 课程设计结果要求编写成“设计说明书”，绘制相应的工艺流程图和主体设备图。设计说明书的内容一般应按如下项目编写1. 设计任务书。2. 目录。3. 设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。4. 设计计算过程： 工艺计算及主体设备的设计计算。包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、主体 设备结构和工艺尺寸的设计计算等。 辅助设备的选型计算。通过计算选定典型辅助设备的规格型号。5. 图纸： 工艺流程图。以单线条的形式绘制，标出主体设备与辅助设备
4、的物料走向、物流量、 能流量和主要测量点。 主体设备工艺条件图。图面应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。6. 设计结果汇总。分表列举各流股物料量、能耗指标、主要操作参数、主体设备工艺尺 寸以及辅助设备的规格、型号和数量等。7. 设计结果评述。8. 参考资料。 本课程设计指导书根据化工原理教学大纲的要求，对给定化工单元操作典型设备的设计计 算，给学生提示了设计计算步骤，指导计算方法，并提供了部分计算公式和数据，作为对课堂 教学内容的补充。设计计算中需要用到的大部分计算公式和数据应由学生自己查阅有关资料。一、概述 热交换器是化工厂中最常用的设备之一，按其传热的特征，可以分为三大类： 直接
5、接触式、蓄热式和间壁式。其中，又以间壁式热交换器的使用最为广泛。间壁式热交换器的类型很多，传统的类型有列管式、套管式、蛇管式、夹套 式，等等。为了提高传热效率和节约金属材料用量，近年来一些比较先进的间壁 式换热设备，例如板式换热器、螺旋板式换热器、螺纹管换热器等，在我国正得 到广泛应用。此外，热管换热器、平板型太阳集热器等新型换热设备的设计研究 及工程应用工作也在进行。在上述类型换热设备中，目前应用最多的仍为列管式，它与其他传统设备相 比，单位体积设备所能提供的传热面积较大，传热效果较好，结构紧凑、坚固， 用材可以多样，就是与一些新型设备相比，它也还具备适应性强、操作可靠等优 点。列管式换热设
6、备已有国家系列化标准的定型产品，需要时可以通过计算选 用。但是，掌握列管式换热器单体设备工艺设计计算的基本方法，亦属化工类工 艺专业学生有必要接受的一项基本训练。二、热交换器设计的主要因素 在热交换器的设计中，应当综合考虑的因素很多，流体速度是一个主要因素。 选取较大的流体速度，可以获得较大的传热系数，传递一定热量所需的传热 面积就比较小，从而可以降低设备费用。但是，大的流体速度，使得流体通过热 交换器的阻力压降大，能量消耗大，操作费用就高。如选取较小的流体速度，情 况刚好相反，操作费用可以降低，设备费却要增加。因此，在热交换器设计中有 一个最适宜流体速度的选取问题。如要通过定量计算来解决最适
7、宜流体速度的选取问题，是既费时而又很困难 的，实际上有关的经验数据常被作为设计的依据。寻求其它设计因素的最佳条件 时也往往是这样处理。表1 和表2 列出了工业上常用的流速范围，可供参考。按理，最低的流体速度也应使管、壳程内流体处于湍流状态为宜，但是在某 些场合也有例外，为了降低系统阻力，管、壳程内流体速度的取值可以比表1、2 所列数值范围的下限还要低得多。例如，中、小型合成氨厂变换工段湿混合煤气 与变换气用列管换热器管程流体速度，一般仅为22.5m/s。合理的流速要由允许压降来确定，表3 给出了允许压强降的参考值。表 1 列管式换热器内常用流速范围流体种类流速 m/s管程壳程一般液体 易结垢液
8、体 气体0.530.21.510.5530315表 2 不同粘度液体流速（以普通钢壁为例）液体粘度UX103 Pas最大流速 m/s15000.615005000.755001001.1100351.53511.8100即可达到湍流。 但如流动阻力损失允许，将这种流体进入管程而采用多管程结构，在高流速下可 能得到更高的对流传热系数。（四）管、壳程数的确定 列管式换热器最一般的形式为单管程单壳程，但多管程多壳程的设计亦很常见。当流量一定时，管程或壳程越多，对流传热系数越大，对传热过程有利。但 是，采用多管程或多壳程必然导致流动阻力增大，即造成输送流体的动力费用增 加。因此，在确定换热器程数时，需
9、权衡传热和流体输送两方面的得失。管程数一般有 1、 2、 4、 6、 8、 10、 12等七种，分程时应尽可能使各管程的 换热管数大致相等，分程隔板槽形状简单，密封面长度较短。壳程数的增加可在壳体内安装纵向隔板将壳程分为双程，或设计成两台以上 设备串联使用。（五）传热平均温度差计算 根据冷热流体的流程安排和所设计管、壳程数确定两流体呈逆流、并流、错流或其他复杂流动形式，计算传热平均温度差(At )。m(六) 估算传热面积首先要估计传热系数K，可以根据有关资料推荐的K值的经验取值范围先取一个K值，然后由传热基本方程式Q=KA At计算传热面积A，此即传热面积m估算值，待结构设计结束以后，再对K值
10、和传热面积进行核算。叵(b)转角正三角形排列叵(u)正方形排列3)转角正方形排列表4列管式换热器中K值的大致范围高温流体低温流体总传热系数K kcal/m2.h.C水水12002400气体水10240水蒸汽水10003400水蒸汽气体24240导热油蒸汽气体20200有机溶剂有机溶剂100300SO3气体SO2气体57气体(612atm)气体（612atm）3060（七）结构设计）1、管程设计确定换热管规格、管数和布管r初选管程流速ur ；计算对应于ur的管程流道截面积S ；iii选用列管规格。换热管直径越小，换热器单位体积的传热面越大。因此，对 于洁净流体的管径可以取得小些，但对于不洁净或易
11、结垢的流体，管径应大些， 以免堵塞并便于清洗。目前，我国试行的系列标准规定采用C25X2.5和19X2 的冷拔无缝钢管，对一般流体是适应的。单体设备设计时，按GB151-89规定除 了这两种规格的管子外，还可采用32X3、38X3等其他规格管子；f计算满足S流道载面所需的列管根数n；i确定列管在管板上的排列方法。常用的排列方法有正三角形排列，转角正三 角形排列、正方形排列和转角正方形排列（图1）。正三角形排列比较紧凑，管外 流体湍动程度高，对流传热系数大。正方形排列比较疏散，对流传热效果较差， 但对管束清洗方便，对管程易结垢流体较适用。转角正方形排列则可在一定程度 上提高对流传热系数。表5是正三角形排列时不同层数对应可排列的管子数，当管子排列大于6层 （管数超过127根），管束
