化工原理课程设计-换热器

化工原理课程设计

学    院：     化学工程学院      

班    级：               

姓    名：                

学    号：             

指导教师：                  

2010年 06月  

化工原理课程设计

《换热器》设计任务书 

班级  精化07-1                  姓名    

一、设计题目：无相变列管式换热器的设计

二、设计任务及操作条件

    某生产过程中，用循环冷却水冷却柴油。

1、柴油入口温度：  140  ℃，出口温度：  60  ℃

2、柴油流量：  6500  kg/h，压力：  0.3  MPa 

3、循环冷却水压力：  0.4  MPa，入口温度：  29  ℃，出口温度：  39  ℃

已知柴油的有关物性数据：密度ρ1=994kg/m3；定压热比容cp，1=2.22kJ/(kg·℃)；热导率λ1=0.14W/(m·℃)；黏度μ1=7.15×10-4 Pa·s

三、设计项目(说明书格式)

  1、封面、任务书、目录。

2、设计方案简介：对确定的换热器类型进行简要论述。

  3、换热器的工艺计算：

1)确定物性数据

2)估算传热面积

3)工艺结构尺寸

4)换热器核算：包括传热面积核算和换热器压降核算

4、换热器的机械设计

  5、绘制列管式换热器结构图（CAD）。

  6、对本设计进行评述。

  7、参考文献

成绩评定                              指导教师         

                                2010年 6月 8 日

目 录

1 设计方案简介    1

1.1 选择换热器类型    1

1.2 冷热流体流动通道的选择    1

2 换热器的设计计算    1

2.1 确定物性数据    1

2.2 估算传热面积    2

2.2.1 热流量    2

2.2.2 平均传热温差    2

2.2.3 冷却水用量    2

2.2.4 总传热系数    2

2.2.5 计算传热面积    2

2.3 工艺结构尺寸    2

2.4 换热器核算    5

2.4.1 热量核算    5

2.4.2 换热器内流体的流动阻力    6

3 换热器机械设计    9

3.1 壳体壁厚    9

3.2 管板尺寸    9

3.3 接管尺寸    11

3.4 换热器封头选择    11

3.5 膨胀节选择    12

3.6 其他部件    12

4 评述    13

4.1 可靠性评价    13

4.2 个人感想    13

5 参考文献    13

1 设计方案简介

1.1 选择换热器类型

两流体温度变化情况：热流体柴油入口温度140℃，出口温度60℃；冷流体入口温度29℃，出口温度39℃。，t冷=（29+39）/2=34℃，t热=（140+60）/2=100℃，

t热- t冷=100-34=66℃，温差较大，但是柴油压力为0.3Mpa，冷却水压力为0.4 Mpa，压力偏低，故可以选用固定管板式换热器，采用逆流

1.2 冷热流体流动通道的选择

从两物流的操作压力看，应使冷却水走管程，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，所以冷却水走管程，柴油走壳程，以便散热。选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=1.0m/s。

2 换热器的设计计算

2.1 确定物性数据

定性温度：可取流体进口温度的平均值。

壳程柴油的定性温度：

t热=（140+60）/2=100℃

管程流体的定性温度：

 t冷=（29+39）/2=34℃

根据定性温度，查化工原理书附录[1]，利用内插法计算壳程和管程流体的有关物性数据。

柴油的有关物性数据如下：

密度                      ρ1=994kg/m3

定压比热容                Cp1=2.22kJ/(kg·℃)

热导率                   λ1=0.14W/(m·℃)

粘度                      µ1=7.15×10-4Pa·s

冷却水在34℃的有关物性数据如下：

密度                      ρi=994.3kg/m3

定压比热容                Cpi=4.174kJ/(kg·K)

热导率                   λi=0.6241W/(m·K)

粘度                      µi=0.0007428Pa·s

2.2 估算传热面积

2.2.1 热流量

Q1=m1Cp1t1=6500×2.22×（140-60）=1.15×106kJ/h=319.4kW

2.2.2 平均传热温差

Δt1=60-29=31K，Δt2=140-39=101K

所以，Δtm=(101-31)/ln(101/31)=59.27K

2.2.3 冷却水用量

流量wi=Q1/ Cpi/Δti=1.15×106/4.174/(39-29)=2.755×104 kg/h

2.2.4 总传热系数

    利用化工原理附表，根据两种流体的性质，可查出换热器总传热系数，取其值为350。

2.2.5 计算传热面积

考虑15%的面积裕度，S=1.15×S=1.15×15.4=17.7m2

2.3 工艺结构尺寸

2.3.1 管径和管内流速

选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速

2.3.2 管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

按单程管计算，所需的传热管长度

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为

（管程）

传热管总根数根

2.3.3 平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

按单壳程，四管程结构，温差校正系数为

平均传热温差

2.3.4 传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即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，则

横过管束中心线的管数

根

2.3.5 壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率，则参考《化工单元过程及设备课程设计》[2],壳体内径

根据国家标准，圆整可取。

2.3.6 折流板

采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度为。

取折流板间距，则

根据国家标准取板间距为200mm。

折流板数块，折流板圆缺水平装配。

2.3.7 接管

壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为，则接管内径为

取标准管径为。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为，则接管内径为

取标准管径为。

2.4 换热器核算

2.4.1 热量核算

1)壳程对流传热系数    

对圆缺形折流板，可采取克恩公式

当量直径，由正三角形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正  

2)管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

3)传热系数

根据化工原理附录，可取

管外侧污垢热阻Rsi=0.000172m2·℃/W

管内侧污垢热阻Rso=0.000344m2·℃/W

4)传热面积

该换热器的实际传热面积

该换热器的面积欲度H=（Sp-S）/S=(23.55-17.56)/17.56=0.34=34%

而一般换热器的面积欲度大于15%~20%，就可以满足要求。故所设计的换热器较为合适。

2.4.2 换热器内流体的流动阻力

（1）管程阻力

，，管程结垢校正系数

， 

由，查《化工原理》书表1-2得传热管相对粗糙度为，再查图1-27得，流速，，所以

，

，

管程流动阻力在允许范围之内。

（2）壳程阻力

， 

流体流经管束的阻力 

流体流过折流板缺口的阻力

，

，

总阻力

壳程流动阻力也比较合适。

（3）换热器主要结构尺寸和计算结果见附录

3 换热器机械设计

3.1 壳体壁厚

由工艺得，壳体内径，壳体定性温度为100℃。壳体设计压力为0.3MPa。选用低合金结构钢板16MnR卷制，材料100℃时的许用应力，取焊缝系数，腐蚀欲度，则

计算厚度 

设计厚度 

名义厚度，取。

有效厚度 

水压试验压力

所选材料的屈服应力

水压试验校核

100.2Mpa＜0.9，水压强度满足要求。

3.2 管板尺寸

固定管板厚度设计采用BS法[3]。

假定管板厚度 b=40mm

总换热管数量 n=50

一根管壁金属的横截面积为

开孔强度削弱系数（双程）

两管板间换热管有效长度（除两管板厚度）L估取5910mm

计算数值K

按管板简支考虑，依K值查图得，G1=1.0，G2=0.57，G3=1.3。

管子与筒体的刚度比

筒体内径截面积 

管板上管孔所占的总截面积 

系数 

系数

换热管与壳体的总膨胀差

最大压差

当量压差

壳程压力  ，管程压力。

管板最大应力

管子最大应力

管板采用16Mn锻， 

换热管采用10号碳素钢， 

管板，管子强度校核

管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取C2=4mm，隔板槽深取4mm，实际管板厚度为48mm。

3.3 接管尺寸

    接管选用20号热扎碳素钢管，钢管许用应力，C2=1。

    接管计算厚度 

    接管有效厚度 

    开孔直径 

    接管有效补强宽度 

    接管外侧有效补强高度 

    需要补强面积 

    可以作为补强的面积为

    因为，所以不用另需补强。

则该接管强度足够。

3.4 换热器封头选择

综合考虑，此换热器采用标准椭圆形封头。

计算厚度 

设计厚度 

名义厚度，取。

故该封头可用2mm厚的16MnR钢板制作，取直边高度为25mm。

3.5 膨胀节选择

    壳壁横截面面积 

    换热管总截面面积

    管，壳壁温差所产生的轴向离F1

压力作用于壳体上的轴向应力F2

，其中

则

    压力作用于管子上的轴向应力

    则

根据GB151-1999《管壳式换热器》

故本换热器不用安装膨胀节。

3.6 其他部件

设备法兰采用甲型平焊法兰，配用压紧面为平形，则垫片采用非金属软垫片耐油橡胶石棉垫。根据工艺条件，选取垫片厚度为17.5mm的。

支座采用鞍座，选用JB/T 4712 鞍座 BI 400-F/S。

取, ,其安装高度为200mm。

4 评述

4.1 可靠性评价

根据主要设备的厚度来校核，看是否符合强度要求。由3.1节的设计可以得到，换热器的壁厚经水压校核符合强度要求。故设计可行性较好。

从经济性考虑，其材料根据各个部件的功能选用如低合金钢，碳素钢，综合看来较经济，并且其制造工艺简单方便。而且，设计都满足国家标准和行业标准。因此，该设计可靠性较高。

4.2 个人感想

化工设计是一项比较繁琐的设计工作，它不仅要求我们队化工设计有基础的了解，而且还要对化工原理、化工机械等课程的知识具有一定运用能力，同时对计算机也要有一定的操作能力。我们学习的是一种设计的思维和设计的态度，反复推敲的能力。

这次设计，不仅巩固可化工原理等各课程的知识，同时磨练了意志力。相信这次课程设计会让我们更加注意理论与实践的结合，对以后的学习具有很大的帮助。

5 参考文献

[1]  夏清，陈常贵.化工原理上册.第一版（修订）.天津：天津大学出版社，2005

[2]匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2007

[3]玉玮，王立业，喻健良.化工设备机械基础.大连：大连理工大学出版社，2006

[4]  任晓光，宋永吉，李翠清.化工原理课程设计指导.北京：化学工业出版社，2009

[5]  王维周，王家荣.化学工程基础.杭州：浙江科技技术出版社，2005

附 录

附表 换热器主要结构尺寸和计算结果