列管换热器设计

新疆工业高等专科学校

题目名称：

系 部：专业班级：学生姓名：指导教师：完成日期：

课程设计说明书

列管式换热器设计

化学工程系 环监11-25班 代 雨 仇 鹏 2012年12月21日

新疆工业高等专科学校

课程设计评定意见

设计题目： 列管式换热器设计 学生姓名： 代 雨 尹杰 李璐 刘子君 评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）： 年 月 日

新疆工业高等专科学校

课程设计任务书

11/12 学年上学期2011年12月31日 专业 设计题目 起止时间 环境监测 班级 11-25班 课程名称 化工原理（上） 列管式换热器设计 2011.12.07-2011.12.21 周数 2周 指导教师 设计地点 仇 鹏 教学楼304 设计目的：作为本专业的基础核心课，化工原理是化工专业学生对专业课综合学习与运用的基础，为学生今后进行毕业设计工作奠定基础，是应化专业技术人员必要的基础训练。 设计任务或主要技术指标： 1.合理的参数选择和结构设计。 2.传热计算和压降计算：设计计算和校核计算 3.传热面积 4.管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核 5.壳体直径 6.结构设计包括流体壁厚 7.主要进出口管径的确定包括:冷流体的进出口管 设计进度与要求： 12月07日 文献和教材，确定设计思路 12月08日~12月15日 设计计算 12月20日 修改，整理，打印 12月21日 提交，答辩 主要参考书及参考资料： [1] 姚玉英主编.化工原理.天津：天津科学技术出版社，2005 [2] 唐伦成编著.化工原理课程设计简明教程.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005 [3] 张浩勤编著.化工原理第二版（上）.北京：化学工业出版社，2009 [4]陈敏恒等. 化工原理，上、下册，第三版. 北京：化学工业出版社，2006 教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日

摘要

化工原理是化工专业学生对专业课的学习与运用基础，为学生今后进行毕业设计工作奠定基础，是应化专业技术人员必要的基础训练。换热器设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工，石油，能源设备等部门所使用的换热器设备中，列管式换热器仍处于主导地位。

选择换热器的类型：已知热流体进口温度110℃ 出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，该换热器用循环冷却水冷却，初步确定选用列管式换热器。管程安排：从两物流的操作压力看，但由于循环冷却水较易结垢，使循环冷却水走管程，混合气体走壳程。根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板等。

通过这两周的设计使我们了解了换热器的结构和工作原理，了解了它的工作特性与哪些因素有关，掌握了换热器的基本操作方法和一些改善换热器的基本方法。 关键词 换热器、管道、折流板

目录

主要符号说明 .............................................................. 1 设计任务书 ................................................................ 2 设计计算书 ................................................................ 2

1 确定设计方案 ....................................................... 2

1.1选择换热器的类型 .................................................. 2 1.2流动空间的选择 ..................................................... 2 1.3管子的规格和排列方法 ............................................... 2 2 确定物性数据 ....................................................... 2 3 计算总传热系数 ..................................................... 3 3.1热负荷 ............................................................. 3 3.2平均传热温差 ....................................................... 3 4 初选换热器型号 ..................................................... 3 4.1 估选K值 .......................................................... 3 5 核算压强降 ......................................................... 4 5.1管程压强降 ......................................................... 4 5.2壳程压强降 ......................................................... 4 6 核算传热系数 ....................................................... 5 6.1壳程对流传热系数 ................................................... 5 6.2管程对流传热系数 ................................................... 6 6.3污垢热阻 ........................................................... 6 设计结果汇总表 .......................................................... 7 设计自评 ................................................................ 8 心得 ……………………………………………………………………………………….9

主要符号说明

1． 英文字母：

h——折流板间距，m； S（或A）——传热面积，m2； D——直径，m； t——冷流体温度，oC； D——换热器外壳内径，m； a——管心距，m； F——系数； Th——圆缺高度，m； uK——总传热系数，WmoC； L——管长，m； m——程数； n

N——管数、程数； N

Nu——努塞尔系数； Pr

Q——传热速率，W； Re

2. 希腊字母： α——对流传热系数，Wm2oC；——黏度，Pas ——校正系数；

3. T标：

c——冷流体； hi——管内； mo——管外； s

——热流体温度，oC； ——流速ms; W(或qkgm)——质量流量s;

V(或q3v)——体积流量，ms;

——指数、管数、程数； B——折流板数； ——普朗特系数； ——雷诺数； λ——导热系数，WmoC；

——密度，kgm3

——热流体； ——平均； ——污垢；

1

设计任务书

合成氨厂变换工段为回收变换气的热量以提高进饱和塔的热水温度，需设计一台列管式换热器。已知：变换气流量为8.78×103kg/h,变换气进换热器温度为230℃，压力为0.6MPa，热水流量为45.5×103kg/h,热水进换热器温度为126℃，压力为0.65MPa。要求热水升温8℃。设变换气出换热器的压力为0.58MPa。物性数据如下表： 物料 变换气 ，㎏/m 3Cp,kJ/kg.℃ 1.86 ,W/m.℃ ,Pa.s 2.98 0.0783 1.717×10-5 设计计算书

1 确定设计方案

1.1选择换热器的类型

热冷流体的温度差是104℃，需要热补偿，故选用列管式换热器。

1.2流动空间的选择

液体流经管程或壳程的选择原则：

①不清洁或易结垢的物体宜走容易清洗的一侧；

②腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀； ③压力高的流体宜走管程，以避免制造耐高压的壳体； ④饱和蒸汽宜走壳程，以便于排出冷凝液；

⑤对流体传热系数明显小的流体宜走管内，以便于提高流速，增大值； ⑥被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果； ⑦有毒流体宜走管程，使向环境泄露机会减少； ⑧黏度大的流体或流量小的流体宜走壳程；

⑨两流体温差较大时，对于固定管板式换热器宜将对流传热系数大的流体走壳程， 以减小管程与壳体的温度差，减小温度应力。

所以根据以上几个原则得知：冷却水走管程，混合气体走壳程。

1.3管子的规格和排列方法

① 选用列管式换热器系列标准中的Φ25㎜×2.5㎜； ② 选择固定管板式采用正方形斜转

排列；

③ 管子在管板上排列的间距t=32mm。

2 确定物性数据

热水在定性温度（126℃）下的有关物性数据如下： 密度 i=994.3㎏／m³ 定压比热容 Cpi=4.174×导热系数 i=0.626W／㎡·℃ 黏度 i=0.727×103pa·s

2

J／㎏·℃

压力 Pi= 0.65MPa

混合气体在定性温度(85℃)下的有关物性数据如下：

密度 0=2.98㎏／m³ 定压比热容 Cpo=1.86 J／㎏·℃ 导热系数 0=0.0783 W压力

=0.6MPa

mCo 黏度 0=1.717×10pa·s

-5

3 计算总传热系数

3.1热负荷

由于换热目的是为将热流体冷却，热负荷应取混合气体的传热量，确定冷却水用量时，必须考虑热损失。

=

=（45.5

／3600）×4.187

×8=423352 W

T2T1Q4233523600230137Cqm1cp18.781031.861033.2平均传热温差

暂按单壳程、偶数管程考虑，先求逆流时平均温度差。

t(T1t1)(T2t2)(230126)(137134)28.5CT1t1230126InIn137134T2t2

计算R,P

RT1T2t2t123013713412611.6

P

t2t1T1t11341262301260.077

查图3-24（ɑ）可得，温度差校正系数=0.98＞0.8，故选用单壳程、偶数管程可行。

tmt0.9628.527.36C4 初选换热器型号

4.1 估选K值

假设K=200W/（

）

3

A估QK估tm=42335220027.36=77m2

Tm-tm=(230+136.7)/2-(126+134)/2=53.35℃

由于两流体温度差大于50℃，因此需考虑热补偿。可选用浮头式换热器，由浮头式换热器的标准系列，初选换热器型号为： BES-700-1.6-110-6/25-4I.

其主要参数如下：

外壳直径 700㎜ 公称压力 1.6MPa 公称面积 110㎡ 管子规格 Φ25㎜×2.5㎜ 管字数 256 管子排列方式 正方形斜转

排列

管间距 32㎜ 管长 6m 管程数 4

采用此换热器，要求的管程流通面积为：

Si4diNTNP40.02225640.0201㎡

5 核算压强降

5.1管程压强降

Pi(ld3)fiNpuii22

42335236003Wi4.1871080.64m/sui3600isi36009940.0201管程流速：

Re1d11u10.020.649940.7421031.71104雷诺数：

1

对于钢管，取管壁粗糙度：0.1mm

由莫狄图查得：0.032 则：

P1(0.03260.023)1.440,64299421.44104Pa

5.2壳程压强降

选用缺口高度为25%的弓形挡板，取折流板间距h=150㎜,故折流板数目

4

NB

lh160.15139

壳程中混合气体的流速：

42335236003WC1.8610933.57m/su036000S036002.980.023

壳程压降：o1.72Reo0.191.72(4.94105)0.190.142

2D(NB1)u020.7(391)3.57290P000.0148.45104Pade20.0272

又因为：

P08.45104Pa6.8106PaPi1.44104Pa0.4106Pa

工艺要求。

6 核算传热系数

6.1壳程对流传热系数

取换热器列管中心距t=32mm，流体通过管间最大截面积为

S0hD(1d0t)0.150.7(10.0250.032)0.023m2

当量直径，由正方形斜转

4(t2排列得

4(0.0322 de4dodo)240.02750.0252)0.027m

壳程流体雷诺数为： Re0de0u0000.0273.05901.51054.94105

普兰特准数： ProCpoo3.2971031.51050.02791.77

壳程中混合气体被冷却,取(

0.14)0.95 W5

可采用克恩公式：

o0.360.36ode(Reo)0.55Pro(0.14)W130.02790.027

(4.94105)0.551.770.95282.27W/(mC)

6.2管程对流传热系数

管程中水被加热，故由式（4-17）得

i0.023idiRei0.8Pri0.30.0230.6240.02(3.3510)40.8(4.1741030.7241030.624)0.34837.82 W/(mC )6.3污垢热阻

管内外污垢热阻分别取为：

3Rso0.3103m2k/w Rsi0.5810m2k/w

6.4总传热系数

忽略管壁热阻，则总传热系数为：

1K计=1oRsododdRsioodmdiidi2520254837.82204.831031282.27

0.31030.58103K计207W/(mC)

所以：

A计=QK计tm1.0410620747.30106.2m2

由数据可知：K计K估,A计A估，与原估值相符 由附表知该型换热器的面积为118.1㎡，故

A实A计=118.1106.2=1.11

即传热面积偶11%的裕度,故所选：BES-700-1.6-110-6/25-4I换热器合适。

6

设计结果汇总表

换热器形式：浮头式 换热面积/106.2m2 工艺参数 名称 物料名称 操作压力 操作温度/0C 流量 Kg/h 流体密度Kg/m3 流 速m/s 传 热 量/w 总传热系W/（m2.0C） 污垢系数m2.k/w 程数 管子规格 管间距 折流板形式 Φ25mm ×2.5mm 32mm 上下 5.8104 4 管数 256 排列方式 间距mm：200 保温层厚度/mm 管程 循 环 冷 却 水 4.0a 29/39 22730.1 994.3 1.25 200 207 3.0104 1 管长：6000mm 正方形斜转排列 60/110 89698.13 90 3.05 P壳程 混 合 气 体 6.9Pa 切口高度: 壳体内径 600mm

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设计自评

考虑到实际成产中物料本身的性质及化工生产的经济性等问题，本次设计主要采用列管式换热器，对换热器并联逆流操作。首先，由于列管式换热器具有结构简单、坚固耐用、适用性强、制造材料广泛等独特有点，因而在换热设备中仍占有重要的地位。特别是在高温、高压和大型换热设备中仍占绝对优势。故本次设计采用列管式换热器；其次，根据逆流的平均温差比并流的大可以节省冷却剂或加热剂的用量，本次设计流程采用并联逆流操作。总的来说，根据所求的数据结果可以看出所确定的实验方法还是可以实行的。

课程设计需要学生自己作出决策，自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择作出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。

换热器被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。设计列管式换热器的目的在于：熟知这种设备的原理和基本操作方法。只有认识到自己的不足，在将来的实习和工作时才能够做到有所目的，才更能够有所收获，才可能有更大的进步。希望学校以后多安排这样的机会，我们会积极踊跃参加！！！

通过本次的化工设计，我学到了很多知识，不仅把我们以前所学的理论知识好好的整理了一下，同时也增强了我将理论应用于实际创新的能力，培养了我们思考的能努力，即每设计意见东西都要好好地思考，尽量全面地全方位的考虑周全。在做设计的过程中，也培养了团队合作的能力；同时也体会到了共同努力、团队合作的乐趣！

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心得

课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

随着答辩日子的到来，课程设计也接近了尾声。经过两周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点片面。课程设计不仅是对前面所学知识的一体验，而且也是对自己能力的提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手底。通过这次设计课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，使我认识到合作的重要性，我和我的组员李璐、刘子君设计的方案不同，然后集中讨论，选择最佳的设计方案。遇到难的地方，就各自查找资料，询问老师或同学，既而进行坚攻，团结的力量是无穷的，没有过不了的难关。同学之间互帮互助，有什么不懂得大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

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