列管式换热器的设计

化工原理课程设计

学院: 化学化工学院

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目录

§一.列管式换热器

1.1.列管式换热器简介

1.2设计任务

1.3.列管式换热器设计内容

1.4.操作条件

1.5.主要设备结构图

§二.概述及设计要求

2.1.换热器概述

2.2.设计要求

§三.设计条件及主要物理参数

3.1. 初选换热器的类型

3.2. 确定物性参数

3.3.计算热流量及平均温差

3.4 壳程结构与相关计算公式

3.5 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 3.6计算传热系数k

3.7计算传热面积

§四.工艺设计计算

§五.换热器核算

§六.设计结果汇总

§七.设计评述

§八.工艺流程图

§九.主要符号说明

§十.参考资料

§一 .列管式换热器

1.1. 列管式换热器简介

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。

列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

1.2设计任务

1.任务

处理能力：3×105t/年煤油（每年按300天计算，每天24小时运行）

设备形式：列管式换热器

2．操作条件

(1)煤油：入口温度150℃，出口温度50℃

(2)冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃

(3)允许压强降：不大于一个大气压。

备注：此设计任务书（包括纸板和电子版）1月15日前由学委统一收齐上交，两人一组，自由组合。延迟上交的同学将没有成绩。

1.3.列管式换热器设计内容

1.3.1、确定设计方案

（1）选择换热器的类型；（2）流程安排

1.3.2、确定物性参数

（1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数

1.3.3、估算传热面积

（1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量

1.3.4、工艺结构尺寸

（1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）传热管排列和分程方法；（5）壳体内径；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管1.3.5、换热器核算

（1）传热能力核算；（2）壁温核算；（3）换热器内流体的流动阻力

1.4.操作条件

某厂用井水冷却从反应器出来的循环使用的有机液。欲将6000kg/h的植物油从140℃冷却到40℃，井水进、出口温度分别为20℃和40℃。若要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa，试选择合适型号的列管式换热器。定性温度下有机液的物性参数列于附表中。

附表

项目密度，

kg/m3

比热，

KJ/(k g·℃)

粘度，P a·s热导率，

kJ/(m·℃)

植物

油

950 2.261 0.7420.172

1.5.主要设备结构图（示例）

根据设计结果，可选择其它形式的列管换热器。

1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴

固定管板式换热器的示意图

§二.概述及设计要求

2.1.换热器概述

换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，即简称换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。

换热器的类型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，

（1）固定管板式换热器

这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；

由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

（2） U型管换热器

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

（3）浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。