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　　1、西北师范大学化学化工学院化工原理课程设计 列管式换热器的设计 目录概述 - 2 -换热器设计任务书- 3 -1. 确定设计方案- 3 -1.1选择换热器的类型- 3 -2工艺设计计算- 3 -2.1 热通量的计算- 4 -2.2 的计算- 5 -2.3传热面积的计算- 5 -2.4管数的确定- 6 -2.5传热管排列和分程方法- 6 -26壳体直径- 7 -2.7折流板- 7 -3换热器核算- 8 -3.1壳程表面传热系数- 8 -3.2管内表面传热系数- 9 -3.3污垢热阻和管壁热阻- 9 -3.4 总传热系数- 9 -3.5传热面积裕度- 10 -3.6换热器内流体的流动阻力- 10 -

　　2、结束语- 13 -主要参考文献- 14 - 概述随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。如表2-1所示。 表2-1 传热器的结构分类 类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗 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

　　3、 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 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 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 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 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，可用作回收低温热能 平板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，

　　4、要求流体干净 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 换热器设计任务书某合成厂的乙醇车间在节能改造中为回收系统内精馏塔釜液的热量，用其釜液将原料液从95预热至125，原料液及釜液均为乙醇的水溶液，其操作条件列表如下：物料流量 kg/h组成（含乙醇量）mol%温度 操作压力MPa进口出口釜液..9原料液 750.5试设计合适的换热器。1.确定设计方案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95 出口温度48；冷流体进口

　　5、温度35，出口温度为75，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，因此初步确定选用列管式换热器。考虑到操作压力较大，应选用列管式换热器中的浮头式换热器。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以**列管式换热器作为设计基础。1.2 管程安排从两物流的操作压力看，应使原料液走管程，釜液走壳程。但由于釜液较易结垢，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，应使原料液走壳程，釜液走管程。2工艺设计计算2.1 热通量的

　　6、计算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。故壳程混和气体的定性温度为冷流体的定性温度：（35+75）/ 2 = 55热流体的定性温度：（95+46）/ 2 = 70.5查物性数据表得:（1） 55时乙醇的物性数据: =992=0.562 =0.403 =3.7355时水的物性数据：=985.65 .= 0.562 =0.5195 =0.9975 密度 =909.09kg/m3 定压比热容 Cp4.198kJ/kg 热导率 0.5408W/ m 粘度 0.26m Pas70.5时水的物性数据：=997.82 .= 0.574 =0.414 =1.0170.5时的乙醇

　　7、的物性数据：=998.2 .= 0.342 =0.314 =2.31物料密度(Kg/m)粘度（u/mpas）热容Cp(KJ/Kg)导热系数（W/m）3.5%的乙醇水溶液968.3520.7553.9530.%的乙醇水溶液976.9760.54.0770.6486（2）T2的计算：已知T=95. 35. ,m = Kg/h m= Kg/h Q = mcT = .077(75-35)= 1.6410J则=62.13热流体的定性温度：T = （95+62.13）/2 = 78.5652.2 的计算平均传热温差式中： 求得初拟定采用双壳程，偶数管程的浮头

　　8、式换热器。由图查得修正系数=0.932.3传热面积的计算 求传热面积需要先知道K值，根据资料查得乙醇水溶液之间的传热系数在500 W/(.)左右.考虑到安全性问题，留5%到15%的裕度，A=(1+15%)=309.692.4管数的确定现设管程流速为0.4m/s,管数为n，所需单管程管子采用252.5冷拔无缝钢管。则管内径为0.02m.故：解得n=230由于所需换热器为双壳程，我们假设用两个单壳程串联，则单壳程的换热面积为A/2=154.84.单管管长为：m取管长为6m则管程为:则换热器管子的总根数为根2.5传热管排列和分程方法 换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形

　　9、错列和同心圆排列。 （A）（B）（C） （D） （E）图 1-4 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列 （B）正方形错列 (C) 三角形直列 （D）三角形错列 （E）同心圆排列 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t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532隔板中心到离其*近一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。26壳体直径 采用多管程，取管板利用率为0.7则壳体直径为D=按卷制壳体的进级档壳体直径应取D=1200mm。合适2.7折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆

　　10、缺高度为： h=0.=400mm，故可取h=400mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.=360mm，可取B为360mm。折流板数目3换热器核算 3.1壳程表面传热系数 用克恩法计算得： 管子按正三角形排列传热当量直径为：1.05壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 普朗特数： 粘度校正：3.2管内表面传热系数： 管程流体流通截面积：m管程流体流速：m/s 普朗特数： 3.3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为48.8w/(mK)。所以：3.4 总传热系数3.5传热面积裕度 传热面积Ac为：该换热器的实际传热

　　11、面积为该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.6换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , ( )由Re=.68.传热管相对粗糙度0.005，由参考文献【1】查莫狄图得，流速u=0.52m/s,所以直管压降可按范宁公式计算 ： pa回弯管压降由经验公式得： 取Fs=1.3则 6971.16小于所以：管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程流体阻力： , 流体流经管束的阻力： F=0.5 流体流过折流板缺口的阻力 其中h=0.4m，D=1.2m 则 总阻力：由于该换热器课程流体操作压力较大，所以课程流体阻力适宜。换热器主要结构尺寸和计算结果

　　12、表：名称管程壳程物料名称热流体冷流体操作压力，MPa0.90.5操作温度，95/62.1335/75流量，kg/h流体密度，kg/968..976流速，m/s0.40.382总传热系数，w/k822.42对流传热系数，w/k2984..16污垢系数，k/w0..阻力压降，Pa6971..93程数22使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管长mm6000管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm360壳径D(DN)1200mm管数920换热面积,309.69管程流通面积S，m0.072浮头式换热器结

　　13、构图结束语化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。 在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： (1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； (2)树立了既考虑技术上的**性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； (3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力； (4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。从设计结

　　14、果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要.主要参考文献1 .陈敏恒、丛德滋、方图南、齐鸣斋等编化工原理（第三版）上下册.化学工业出版社（2006）2 .申迎华、郝晓刚等编化工原理课程设计.化学工业出版社（2009）3 .谭天恩、窦梅、周明华等编化工原理（第三版）上、下册.化学工业出版社（2006）4 .任晓光、宋永吉、李翠清等编化工原理课程设计指导.化学工业出版社（2009）5 .吴俊、宋晓勇、韩粉女、丁建飞等编化工原理课程设计.华东理工大学大学出版社（2011- 16 -

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