1化工原理课程设计(换热器)解析

一、设计题目：

设计一台换热器

二、操作条件：

1、煤油：入口温度140℃，出口温度40℃。

2、冷却介质：循环水，入口温度35℃。

3、允许压强降：不大于1×105Pa。

4、每年按330天计，每天24小时连续运行。

三、设备型式：

管壳式换热器

四、处理能力：

114000吨/年煤油

五、设计要求：

1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。

2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸设计。

3、设计结果概要或设计结果一览表。

4、设备简图（要求按比例画出主要结构及尺寸）。

5、对本设计的评述及有关问题的讨论。

第1章设计概述

1、1热量传递的概念与意义[1](205)

1、1、1 传热的概念

所谓的传热（又称热传递）就是间壁两侧两种流体之间的热量传递问题。由热力学第二定律可知，凡是有温差存在时，就必然发生热量从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技领域中极普遍的一种传递现象。

1、1、2 传热的意义

化工生产中的很多过程和单元操作，都需要进行加热和冷却，如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量，又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。所以传热是最常见的重要单元操作之一。无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。归纳起来化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况：①强化传热过程，如各种换热设备中的传热。

②削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。

1、2 换热器的概念与意义[2]

1、2、1 换热器的概念

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交设备，简称为换热器。在换热器中至少要有两种不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体则温度较低，吸收热量。

1、2、2 换热器的意义

热交换设备是工业生产中为实现物料之间热量传递的一种工艺设备。在化工、炼油、动力、原子能等众多的工业部门和行业中，广泛使用加热器、冷却冷凝器及其他热交换设备来满足一定的工艺生产条件；由这些设备构成的换热系统的状况，对整个化工过程的正常进行及整个化工系统的投资与操作费用关系重大。在一般化工厂的建设中，换热器约占总投资的10%-20%[3]；在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35%-40%[3]。因此，在能源日趋紧张的今天，合

理设置及使用换热器尤其重要。

此外，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。由此可见，换热器在我们的生活中占据着一定的意义。

1、3 换热器的分类及特点[2]

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。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。

换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中，间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等）。

1、3、1各换热器的分类和特点

1、3、2 常见间壁式换热器的分类和特点[1](271,278)

1、管式换热器

1）蛇管式换热器

可分为两类，沉浸式蛇管换热器和喷淋式换热器。前者换热器的优点是结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能承受高压。主要缺点是由于容器的体积较蛇管的体积大得多，故管外流体的较小，因而总传热系数K值也较小。而后者便于检修和清洗、传热效果也较好等优点，缺点是喷淋不易均匀。二者的结构如下图：图1为常见的几种蛇管的形状，图2为喷淋式换热器。

图1 蛇管的形状

图2 喷淋式换热器

2）套管式换热器

管套管换热器系用管件将两种尺寸不同的标准管连接成同心圆的套管然后用180度的回弯管将多段管套串联而成。如图3所示。每一段套管称为一程，程数可根据传热要求而增减。每程的有效长度为4-6m，若管子太长，管中间会向下弯曲，是环形中的流体分布不均匀。其优点是构造简单，能耐高温；传热面积可根据需要而增减；适当地选择管内外径，可使流体的流速较大；且双方的流体做严格的逆流，有利于传热。缺点为管间接头较多，易发生泄露；单位长度传热面积较小。

图3 套管式换热器

3）管壳式换热器

管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：（1）固定管板式换热器

这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或是管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60-70℃和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过0.6MPa时，补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就要考虑其他结构。其结果如下图所示：