浮头式换热器课程设计

化工原理课程设计

题 目：列管换热器的设计

教 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号: 指导教师：

2013年6月16日

《化工原理课程设计》任务书

湖北理工学院 课程设计

2012～2013学年第2学期

学生姓名： 专业班级：化学工程与工艺(精细化工)2010(1) 指导教师： 工作部门： 化工教研室

一、课程设计题目：列管换热器的设计

二、课程设计内容（含技术指标）

1. 工艺条件与数据

要求将某种物性和空气相近的加压气体由90℃冷却到40℃；气体的流率为3kg/s，以进口温度为20℃的冷却水作为冷却介质；

2. 操作条件

冷却水走壳程，壳程装有弓形折流板；气体走管程，气体压力取为106Pa； 管外径 d0=25mm,内径di=20mm,管子中心距t=32mm,等边三角形排列；气侧污垢热阻Rsi=0.3m2·℃/kW, 水侧污垢热阻Rs0=0.58m2·℃/kW, 管壁导热系数λW=0.045 kW/（m·℃）

3．经济参数

拟用浮头式换热器，换热器的回归系数分别为a=276、b=0.8，换热器的压力校正系数?1=1、材质校正系数?2=6.5；换热器的使用年限为8年，相应的年折旧率Fc=1/8 ；冷却水费用（不包括动力费）为3×10-3 元/kg，电费为2元/（kW﹒h）；换热器年工作时间为7200h/a。

4．流体的物性数据

（1）根据气体的定性温度Tm=(90+40)/2=65 ℃，查得空气（因为该气体物性与空气相近）的λi=2.935×10-5kW/（m·℃），Cpi=1.009 kJ/(kg·℃),μ i=2.035×10-5Pa·s，根据气体的定性温度和压力可确定ρi=10.31 kg/m3；

（2）水的出口温度在优化计算过程是变化的，因而水的定性温度tm 也是不断变化的。可根据水的定性温度按以下各式求水的物性：

ρ0=1005.34-0.32733tm

Cp0=4.178+1.7603×10-4 tm

λ0=5.9354×10-4+9.287×10-7 tm

μ0=1.0×10-3×1065825[1/(273.15+tm)-1/283.16] 式中 tm—水的定性温度，tm=(t1+t2)/2,℃； ρ0 —水的密度，kg/m3；

Cp0 —水的比热，kJ/(kg·℃)； λ0—水的导热系数，kW/（m·℃）； μ0—水的粘度，Pa·s。 5. 设计内容

①设计方案的选择及流程说明； ②传热面积、换热管根数；

③确定管束的排列方式、程数、档次、隔板的规格、数量； ④辅助附件的选型与计算。

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题目：列管换热器的设计 小组成员： 组长：任务分配：

1、全体成员讨论确定课程设计的方案； 2、共同查阅相关资料，并由陈乔打印资料；

3、主要负责整个课设设计的相关计算任务并设计工艺流程； 4、主要负责绘制工艺流程图，且参与全塔的工艺计算； 5、参与文字整理、校正及板式塔的结构与附属设备的设计； 6、参与接管及其法兰的的尺寸设计；

7、主要负责文字整理，编辑，参与了全部的课程设计流程； 8、工艺流程图主要由陈乔设计，李飞绘制，审核，共同完成的； 9、完成草稿之后，由胡老师给予指导，经全体成员共同检查、审核、校正之后定稿；

10、本大型课程设计作业是全体成员共同努力的结果，体现了我们团结一致，协同合作的团队精神；

11、再次感谢夏老师和胡老师的耐心指导。

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目录

一、设计任务和设计条件 ............................................................................................................. 4 二、确定设计方案 ..................................................... 4 2.1 选择换热器的类型 ................................................................................................................. 4 2.2 流程 ............................................................. 5 三、确定物性数据 ..................................................... 5 3.1 操作条件 ......................................................... 5 3.2 物性参数 ......................................................... 5 四、估算传热面积 ..................................................... 6 4.1 传热量 ........................................................... 6 4.2 冷却水用量 ....................................................... 6 4.3 平均温差 ......................................................... 6 4.4 初算总传热面积 ................................................... 6 五、工艺结构尺寸 ..................................................... 7 5.1 管径和管内流速 ................................................... 7 5.2 管程数和传热管数 ................................................. 7 5.3 平均温差校正及壳程数 ............................................. 7 5.4 传热管排列和分程方法 ............................................. 7 5.5 壳体直径 ......................................................... 8 5.6 折流板 ........................................................... 8 5.7 其他附件 ......................................................... 8 5.8 接管 ............................................................. 9 六、换热器核算 ....................................................... 9 6.1 热流量核算 ....................................................... 9 6.2 壁温核算 ........................................................ 11 6.3 换热器内流体的流动阻力 .......................................... 11 七、换热器主要结构尺寸和计算结果 ..................................... 12 八、参考文献 ......................................................... 13 九、设计总结 ......................................................... 14

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一、设计任务和设计条件

生产过程的流程图如图1-1所示,出反应器的某种物性和空气相近的加压气体进入换热器的管程,用循环冷却水将其从90℃冷却至40℃之后,进入吸收塔。已知气体的流量为3kg/s，压力为106Pa。循环冷却水的入口温度为20℃，设计一台列管换热器，完成生产任务。

图1-1 某生产过程流程

二、确定设计方案

2.1 选择换热器的类型

两流体温度变化情况:热气体进口温度90℃,出口温度40℃;冷流体的进口温度为20℃,该换热器用循环冷却水冷却,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和壳体壁温之差较大,因此初步确定选用浮头式换热器.

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2.2 流程

热气体走管程,冷却水走壳程,其示意图如图2-1

冷却水

气体

冷却水

气体

图2-1 浮头式换热器示意图

三、确定物性数据

3.1 操作条件

气体压力106Pa，进口温度90℃，出口温度60℃。 循环冷却水常压，进口温度20℃，假定出口温度为30℃。

3.2 物性参数

对于一般气体和水等低黏度流体，其定型温度可取流体进出口温度的平均值。故管程气体的定性温度为

T=(90+40)/2=65℃

壳程冷却水的定性温度为

Tm=(30+20)/2=25℃ 管程气体在65℃下的有关物性数据如下： 密度 ρi =10.31kg/m3 定压比热容 Cpi=1.009kJ/(kg.℃)

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热导率 λi=2.935×10-5kW/(m.℃) 黏度 ηi=2.035×10-5Pa.s

2.壳程冷却水在25℃下的有关物性数据如下： 密度 ρo=997.12kg/m3 定压比热容 Cpo=4.18kJ/(kg.℃) 热导率 λo=6.167×10-4kW/(m.℃) 黏度 ηo=9.5×10-4Pa.s

四、估算传热面积

4.1 传热量

Q=qm. Cpi. ?T=3×3600×1.009×50=151.35kW

4.2 冷却水用量

qm,c=Q/Cpi. ?Tm=151.35/4.18×10=3.62kg/s=13034.9kg/h

4.3 平均温差

?t=(?T-?Tm)/ln(?T/?Tm)=(50-10)/(50/10)=24.85℃

4.4 初算总传热面积

管程压力较大，故K应合理取值，查文献:热气体走管程冷却水走壳程的总的传热系数范围在10～240W/（m·K），假定总传热系数K=200W/（m·K），则计算所需传热面积为：

S估=Q/K.?t=151.35×103/200×24.85=30.45m2

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五、工艺结构尺寸

5.1 管径和管内流速

1.选用Φ25mm×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢）

2.查文献管程气体流速范围在8～20m/s，取管内流速μi=18m/s

5.2 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

Ns=q/(π/4di2μi)=3/10.31×3.14/4×0.022×18=51.4≈51根

按单程管计算，所需的传热管长度为

L=S估/πdoNs=30.45/3.14×0.025×51=7.6m

按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用双管程设计，则传热管长l=3.8m，则管程数为

Np=2（管程）

传热管总根数

NT =51×2=102根

5.3 平均温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

R=(90-40)/(30-20)=5 P=(30-20)/(90-20)=0.14

按单壳程,双管程结构，查文献得温差校正系数应为

ε?t=0.90

平均传热温差

?tm=ε?t ?t=0.90×24.85=24.4℃

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

5.4 传热管排列和分程方法

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采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。隔板两侧采用矩形排列。

取管心距t=1.25do，则

t=1.25×25=31.25≈32mm

隔板中心到离其最近一排管中心距离为

s=t/2+6=32/2+6=22mm

各程相邻管的管心距为44mm。

5.5 壳体直径

采用多管程结构，进行壳体内径估算。查文献可知管板利用率范围在0.7～0.85之间，本装置取管板利用率η=0.70，则壳体直径为

D=1.05t(NT/η)0.5=1.05×32×(102/0.7)=405.5mm

按卷制壳体的进级档，可取D=400mm。

5.6 折流板

采用弓形折流板，圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为

h=0.25×400=100mm

取折流板间距B=0.3D，则

B=0.3×400=120mm，可取B为120mm。

折流板数NB

NB=传热管长/折流板间距-1=3.8/0.12-1=30.7≈30块

折流板圆缺面水平装配。

5.7 其他附件

查文献拉杆数量与直径按标5-7-1和5-7-2选取

5-7-1 拉杆直径 换热管外径（mm） 拉杆直径（mm） 10 10 14 12 19 12 25 16 32 16 38 16 45 16 57 16

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5-7-2 拉杆数量

公称直径/mm 拉杆直径/mm 10 12 16 4 4 4 <400 ≥400 ≤700 6 4 4 ≥700 ≤900 10 8 6 ≥900 ≥1300 ≥1500≥1800 ≤1300 ≤1500 ≤1800 ≤2000 12 10 6 16 12 8 18 14 10 24 18 12

本换热器的传热管外径为25mm，其拉杆直径为16mm，共有4根拉杆

5.8 接管

壳程流体进出口接管：查文献管程冷却水的流速范围在0.5～3之间

取接管内冷却水流速为u1=0.5m/s，则接管内径为

D1=（4V/πu1）=(4×13034.9/3.14×0.5×3600×997.12)=0.0961m=96.1mm 圆整后可取管内径为100mm。

管程流体进出口接管：取接管内气体流速为u2=10m/s，则接管内径为

D2=（4V/πu2）=(4×3/3.14×10.31×10)=0.192m=192mm

圆整后可取管内径为200mm。

六、换热器核算

6.1 热流量核算

（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，即

h0=0.36λ1/deRe00.55Pr1/3(η/ηw)0.14

三角形排列时，当量直径为

de=4×(3t2/2-πd02/4)/πd0=0.020m 壳程流通截面积

S0=BD(1-do/t)=0.10×0.4×(1-0.025/0.032)=0.00875m2

壳程流体流速及雷诺数分别为

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u0=13035/3600×997.2×0.00875=0.42m/s Re0=0.02×0.42×997.2/9.5×10-4=8817

普朗特数

Pr=4.18×0.95/0.616757=6.44

黏度校正

(η/ηw)0.14≈1

故壳程表面传热系数

h0=0.36×0.617/0.02×88170.55/6.441/3=3056[W/(m2K)]

（2）管内表面传热系数

hi=0.023λi/diRe0.8Pr0.3

管程流体流通截面积

Si=π(d/2)Ns=3.14×(0.025/2)×51=0.016m2

管程流体流速

ui=3/0.016×10.31=18.2m/s

Re=0.02×18.2×10.31/(2.035×10-5)=184415

普朗特数

Pr=1.009×10-3×2.035×10-5/(2.935×10-2)=0.6996

hi=0.023×(2.935×10-2/0.02)×1844150.8×0.69960.3=495[W/(m2K)]

（3）污垢热阻和管壁热阻

气侧污垢热阻 Rsi=0.3m2·℃/kW 水侧污垢热阻 Rs0=0.58m2·℃/kW

管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50W/(m.K)。所以

Rw=0.0025/50=0.00005m2.K/W

（4）传热系数KC

KC=1/(1/3056+0.3×10-3+0.5×10-4×25/22.5+0.58×10-3×25/20+25/20×1/495) =254.3[W/(m2K)] （5）传热面积裕度 传热面积

AC=Φ/KC?tm=151350/254.3×24.85=23.95m2 该换热器的实际传热面积

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A=πd0lNT=3.14×0.025×3.8×102=30.44m2 该换热器的面积裕度计算为

H=(A-AC)/AC×100%=(30.44-23.95)/23.95=24.8%

查文献一般换热器裕度范围在15％～25％，故传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

6.2 壁温核算

由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环水冷却水进口温度为15℃，出口温度为30℃计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有

壳程冷却水平均温度为

tm=0.4×30+0.6×15=21℃

管程气体平均温度为

Tm=(90+40)/2=65℃

传热管平均壁温

T=(65/313.3+21/2193.1)/(1/313.3+1/2193.1)=59.5℃

传热管壁温和壳体壁温之差为

?t=59.5-21=38.5℃

该温差较大，故需设温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。

6.3 换热器内流体的流动阻力

（1）管程流体阻力

?pt=(?pi+?pr)NsNpFs

Ns=1， Np=2

?pi=λil/di×ρu2/2

由Re=184415,，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得λi=0.04，流速u=18m/s，ρ=10.31kg/m3，所以

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?pi=0.04×3.8/0.02×10.31×182/2=12693.7Pa ?pr=ξρu2/2=3×10.31×182/2=5010.7Pa ?pt=(12693.7+5010.7)×2×1.5=53113.2Pa

查文献管程流体阻力在允许范围103～104Pa之内。 （2）壳程阻力

?ps=(?p0+?pr)NsFs Ns=1， Fs=1.15

流体流经管束的阻力

?p0=Ff0NTC(NB+1)ρu02/2

F=0.5

f0=5×8817-0.228=0.6301 NTC=1.1NT0.5=1.1×1020.5=11.1

NB=51，u0=0.42m/s

?p0=0.5×0.6301×11.1×(51+1)×997.12×0.422/2=15992.7Pa

流体流过折流板缺口的阻力

?pi=NB(3.5-2B/D)ρu02/2，B=0.12m，D=0.4m ?pi=51×(3.5-2×0.12/0.4)×997.12×0.422/2=13007.2Pa

总阻力

?ps=?pi+?pi=15992.7+13007.2=28999.9Pa

查文献壳程流体阻力范围在104～105Pa，由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。

七、换热器主要结构尺寸和计算结果

表7-1 换热器主要结构尺寸和计算结果表 参数 流率/（kg/h） 进/出温度/℃ 压力/Pa

管程 10800 kg/h 90/40 106 壳程 13034.9 kg/h 20/30 常压 12

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定性温度/℃ 密度/（kg/m） 物 定压比热容/[kJ/（kg·K）] 黏度/Pa·s 性 热导率/[W/（m·K）] 普朗特数 形式 设 备 管径/mm 结 管长/mm 构 参 数 管数目/根 传热面积/m管程数 主要计算结果 流速/（m/s） 表面传热系数/[W/（m·K）] 污垢热阻/（m·K/W） 阻力/Pa 热流量/kW 传热温差/K 传热系数/[W/（m·K）] 裕度/% 2222 365 10.31 1.009 2.035×10-5 2.935×10-2 0.6996 浮头式 400 Φ25×2.5 3.8 102 30.44 2 管程 18.2 495 0.3 53113.2 151.35 24.85 254.3 24.8％ 台数 壳程数 管心距/mm 管子排列 折流板数/个 25 997.12 4.18 9.5×10-4 6.167×10-1 6.44 1 1 32 △ 30 100 碳钢 壳体内径/mm 折流板间距/mm 材质 壳程 0.42 3056 0.58 28999.9 八、参考文献

[1] 谭天恩，窦梅，周明华等.化工原理（上册）.第三版.北京：化学工业出版社，2006 [2] 匡国柱，史启才等.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2007 [3] 陆振东等，化工工艺设计手册.北京：化学工业出版社，1996

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九、设计总结

此次化工原理课程设计题目是“列管换热器的设计”，因为上学期夏老师对传热与换热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，另外，从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。

1.数据计算

这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这

就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。我在确定传热面积的时候，因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍，可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。

2.查资料

以前有个错误的认识：查资料嘛，按部就班就可以了，简单！但是这次课程设计

却完全改变了我的认识。其实查资料是很讲究技巧的，也是相对比较灵活的。另外，我这次用到的参考资料有将近10种之多，这在之前是难以想象的。

3.AutoCAD绘图

这是第一次尝试用专业绘图软件AutoCAD进行绘图。这个软件我们很熟悉也很陌

生，熟悉是因为大三上学期学习了化工制图，陌生是因为正真会用或用得好的同学是凤毛麟角。但是，没有压力哪来动力，在下定决心之后，马上借来几本AutoCAD学习的资料，重温各种操作工具及技巧等。在准备了两天天之后才开始正式画图，不断修改，查缺补漏，直到最后完成整个设计图。

4.完成设计说明书

这是最后总结性的阶段。需要对前面的数据进行整理归纳，需要一定的耐心。

耐心、细心、决心——是本次课程设计最大的感受。最后，再次感谢夏老师和胡老师在整个设计过程中给予的悉心指导！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6kur.html