化工原理课程设计-固定管板式换热器

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1、西工学曉化工原理课程设计设计题目固定管板式换热器指导教师:食品08级姓名:2011年 1 月 20日目录设计题目 第 1 页说明书编写要求 第 5 页设计任务书 第 6 页一、设计方案第8页1设计方案的选择 第8页1.1 方案简介 第 8 页1.2设计的一般原则第9页1.3换热器类型的选择第10页2流程安排第13页2.1 列管式换热器的选用. 第 13 页2.2 加热剂或冷凝剂的选择 第 14页2.3 流体进口温度的确定 第 14页2.4 流体流速的选择 第 15页2.5 管子的规格和排列方法 第 16页2.6 折流挡板和支承板. 第 18 页2.7 外壳直径的确定. 第 19 页2.8 材料

2、选用 第 20 页2.9 流动空间及流速的确定 第 21 页二、确定物性数据第20页三、计算总传热系数第21页1热流量第21页2 平均传热温差 第21页3冷却水用量第22页4总传热系数K 第22页四、计算换热面积第23页五、工艺结构尺寸 第23页1管径和管内流速第23页2管程数和传热管数 第23页3平均传热温差校正及壳程数 第24页4传热管排列和分程方法 第24页5壳体内径第25页6折流板第25页7接管第25页六、换热器核算 第 26 页1热量核算第26页2换热器内流体的流动阻力第28页3换热器主要结构尺寸和计算结果 第30页设备结构图（附图） 第31页主要符号说明 第32 页七、设计心得 第

3、33 页 参考文献 第36 页 评语 第29 页广西工学院生物与化学工程系化工原理课程设计说明书设计课题：大豆油换热器的设计说明书编写要求：化工原理课程设计由说明书和图纸两部分组成。设计说明书为打印稿 包括所有论述、原始数据、计算、表格等，设计说明书一般不少于3000 字，设计（论文）任务书装订于说明书的前页，其设计说明书具体书写格 式及内容如下:1、标题页2、设计任务书3、目录4、设计方案简介5、工艺流程草图及说明6、工艺计算及主体设备设计7、辅助设备的计算及选型8、设计结果概要或设计一览表9、对本设计的评述10、附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）11、参考文献12、主要符号

4、说明化工原理课程设计任务书一、 设计课题大豆油换热器的设计二、 设计任务1、处理量：2000kg/h大豆油2、设备型式：列管式（固定管板式）换热器3、 操作条件：a. 大豆油：入口温度133 C,出口温度40。Cb. 冷却介质：循环水，入口温度30 C,出口温度40 Cc. 允许压降：不大于1 05Pa三、 设计要求1. 设计一个固定管板式换热器2. 设计内容包括：a.热力设计 b.流动设计 c.结构设计d.强度设计3设计步骤：（1）根据换热任务和有关要求确定设计方案（2）初步确定换热器的结构和尺寸（3）核算换热器的传热面积和流体阻力4）确定换热器的工艺结构四、设计原则：1传热系数较小的一个，

5、应流动空间较大，使传热面两侧的传热系数 接近；2换热器减少热损失；3管、壳程的决定应做到便于除垢和修理,以保证运行的可靠性；4. 应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力.从这个角度来讲,顺流 式就优于逆流式；5. 对于有毒的介质或气相介质 ,必使其不泄露,应特别注意其密封性 ,密 封不仅要可靠,而且应要求方便及简洁；6. 应尽量避免采用贵金属,以降低成本。五、课程要求:1.要求每组成员共同进行查阅资料,在计算、绘图中进行分工合作2.要求在1 月20日前完成说明书的编写和绘图过程3. 要求每人上交一份说明书,每组一分图纸（用 A1 图纸绘制装置图一张：一个设备大图，包含设备技术要求、主 要参数

6、、接管表、部件明细表、标题栏）概述换热器设计就是在掌握了基本的传热学、流体力学和换热器结构知识 以后，根据所给的任务和条件设计或选定一台或数台换热器。列管式换热器是最常用的换热器，掌握了列管式换热器的设计任务、 原则、原理和计算方法以后，对于掌握其他类型的换热器知识也很有帮助一、设计方案1.设计方案的选择1.1 方案简介：列管式换热器称管壳式换热器，是化工生产中应用最为广泛的一种换 热设备，结构简单坚固，耐高压，可靠程度高、适应性强，制造材料范围 广；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；而且种类多，型号全， 制造工艺比较成熟。因此在石油、化工生产中尤其是高温高压等大型换 热器的主要结构形式

7、。因此，本次设计就对传热过程所用设备列管式 换热器进行一次选型设计。列管式换热器抗结构可分为固定管板式，浮头式、U形管式、填料函 式换热器、四种类型。选用时可根据应用条件的不同及各自的优缺点设计 适宜的换热器。要设计一个较完善的换热器，除了能满足传热方面的要求外，还力求 传热效率高， 体积小、重量轻、消耗材料少，制造成本低，清洗维护方便 和操作安全等。因此列管式换热器的设计，首先必须根据化工生产工艺条 件的要求通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管 长，决定管数，管程数和壳程数，然后进行机械选型设计。列管换热器选型设计过程已有成熟的资料，具体步骤如下：(1) 根据流体的物性及

8、生产工艺条件的要求，确定流体通入的空间；(2) 确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的型式；(3) 计算流体的定性温度，确定流体的物性数据；(4) 根据传热任务计算热负荷；依对流传热系数&2和&1，确定污垢热阻Rs。和Rq。再计算总传热系212l数K计。据总传热系数的经验值范围，或按实际情况，选定总传热系数K 选值；(6) 通过化工工艺计算，由总传热速率方程Q=KSAtm初步算出传热面积S,并确定换热器的基本尺寸按系列标准选择设备规格；(7) 计算管程、壳程；(8) 计算初选设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的范围，需 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，

9、重新 计算压降直到压强降满足要求为止。以上设计过程还要牵涉到大量公式， 其具体计算式子可以参考文献1。1.2 设计的一般原则：与任何工艺生产设备一样，换热器设计的优劣最终要看是否适用、经 济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。当这些原则相互矛盾时应 根据具体情况分析主次，很难预先定一个框框。一个传热效率高、紧凑、 成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题，准 确的热力设计和计算，还要进行强度校核和复合要求的工艺制造水平。这 就需要各方面的通力合作。1.3 换热器类型的选择：两流体温度变化情况：热流体大豆油的入口温度1331，出口温度 40C;冷流体(循环水)进口温度30

10、1,出口温度401。由于两流体的温度 不同，所以使管束和壳体的温度也不一样，因此它们的热膨胀程度也有差 别。列管式换热器中，由于冷热两流体温度不同，使壳体和管束的温度也 不同。因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度相差较大时，就 可能由于应力而引起设备的变形，甚至弯曲和断裂，或管子从管板上松脱 因此必须采用适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。根据采取热补偿 方法的不同。列管换热器可分为以下几种主要型式：(1) 固定管板式 固定管板式换热器是用焊接的方式将连接管束的管板 固定在壳体的两端。它的主要特点是制造方便，紧凑，造价较低。但由于 管板和壳体间的结构原因，使得管外侧不能进行机械清洗，

11、另外当管壁温 度与壳体壁温之差较大时，会产生很大的热应力，严重时会毁坏换热器。固定板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，或者管外侧污垢能 用化学处理方法除掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大 一般情况下，该温差不能大于501。若超过此值，应加温度补偿装置。 通常是在壳体上家以膨胀节。但这种装置只能用在管壁温与壳体壁温之差低于60-701及壳程压力 不高的场合。当壳程流体表压超过0.7MPa时，由于膨胀节的材料较厚， 难遇伸缩而失去对热变形的补偿作用，此时不宜采用这种结构。(2) U形管换热器 这类换热器的管束是有弯成U型的传热管组成。其 特点是管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，

12、机构简单，造价比浮头式 低，管外容易清洗。但管板上排列的管子较少。另外由于管束中心一带存 在间隙，且各排管子回弯处曲率不同，长度不同，故壳程流体分布不够均 匀，影响转热效果。U 型管式换热器适用于壳程流体容易结垢，或壳体壁温与管壁温之差 较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。(3) 浮头式的换热器。浮头式换热器两端管板中有一端不与外壳固定连 接，该端称为浮头，这样当管束和壳体因温度差较大而热膨胀不同时，管 束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，而与外壳无关，从而解决热补偿问题 另外，由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从壳体 中抽出，便于清洗和检修。所以浮头式换热器应用较为

13、普遍，但结构比较 复杂。金属耗量多，造价较高。（4）填料函式换热器 这类换热器具有浮头换热器的优点，克服了 固定管板式换热器的缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易于检修清洗 对于一些腐蚀严重，需要经常更换管束的场合常采用这种换热器。但这种 换热器密封性能差，故壳程中不宜处理易燃、易爆或有毒的流体。同时要 求壳程流体的压力不宜过高。目前所使用的调料函式换热器的直径一般在 700mm 以下，很少采用大直径的填料函式换热器。以上换热器是化工生产中常见的几类，在设计中可根据具体条件选用本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降 低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较

14、大，当两 流体的温度差较大时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或 破裂，这时就要进行热补偿。固定管板式换热器的补偿方法，即在外壳的 适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性 变形，以适应外壳和管束的不同的膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不 宜用于两流体的温度差太大和壳方流体压强过高的场合。当两流体的温度 差不大于120C，且壳方流体压强不高于60MPa时，一般应选用固定管 板式换热器。因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。而且它 具有结构简单和造价低廉的优点。故本次设计初步确定选用固定管板式换 热器。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造 中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢 还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍 合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于 制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热 器等。