Yibin University环境工程原理课程设计题目列管式换热器设计专业资源环境与城乡规划管理学生姓名年级指导教师化学与化工学院任务书一、设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力二、设计目标设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的三、设计题目列管式换热器设计四、设计任务及操作条件原料温度石油： 入口96℃，出口34℃ 地点：兰州 石油物性数据()()33815/3.0102.2/0.128/c c o pc oc kg m Pa sc kJ kg CW m C ρμλ-==⨯⋅=⋅=⋅煤油： 入口132℃，出口47℃ 地点： 宜宾 煤油物性数据()()C m W C kg kJ c sPa m kg o c opc c c ⋅=⋅=⋅⨯==-/14.0/22.21005.7/82543λμρ硝基苯：入口124℃，出口50℃ 地点：广州 硝基苯物性数据()()341154/9.8101.558/0.129/c c o pc ockg m Pa sc kJ kg CW m C ρμλ-==⨯⋅=⋅=⋅允许压降：不大于0.1MPa 冷却介质任选五、设计内容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，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）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。

（4）填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。

其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用2、设计方案的选择 （1）设计任务 处理能力： 10万吨/年 设备型式： 列管式 （2）操作条件①煤油：入口温度132℃，出口47℃ 地点： 宜宾 ②冷却介质：循环水 入口温度 20℃ 出口温度 40℃ ③允许压降：不大于0.1MPa ④煤油物性数据()()C m W C kg kJ c sPa m kg o c opc c c ⋅=⋅=⋅⨯==-/14.0/22.21005.7/82543λμρ⑤每年按300天机算，每天24小时连续运行 3、确定物理性质数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值壳程流体煤油的定性温度为5.89247132=+=T 管程流体水的定性温度为3024020=+=T在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和植物油)的物性参数，见下表：4、设计计算 m s1=89.138882430010107=⨯⨯=-m m t T ㎏/h=3.86kg/sQ=m s1c p1(T 1-T 2)=13888.89x2.22x(132-47)=2620833.543kJ/h=728.01kw平均传热温差计算两流体的平均传热温差 暂时按单壳程、多管程计算。

逆流时，我们有 煤油油：132℃→47℃循环水： 40℃←20℃从而，82.442085ln 2085'=-=∆m t而此时，我们有：25.4208520404713224.0852047132204012212112==--=--===--=--=t t T T P T T t t R式中：21,T T ——热流体（煤油）的进出口温度，单位℃； 21t t ，——冷流体（循环水）的进出口温度，单位℃；R 2+1R-1ln1-PR1-P ln2-P(1+R-2-P(1+R+R 2+1R 2+1))ψ=ψ>0.8符合要求则平均温差：△tm='m t ∆×ψ=0.883x44.82=39.58℃ 冷却水用量由以上的计算结果以及已知条件，很容易算得冷却水用量：883. 0 )1 5 5 1 ( 16 . 02 ) 1 5 5 1 ( 16 . 0 2 ln 5 16 . 0 1 16. 0 1 ln 1 5 1 5 2 2 2 = + + + ⨯ - + - + ⨯ - ⨯ - - - + =Qc=)(12t t C Qpc -=2620833.543/[4.174x(40-20)]=31394.75㎏/h=8.72㎏/s由《常用化工单元设备设计》表1-6。

，查得水与煤油之间的传热系数在290—698w/(㎡·℃)。

初步设定K=500 w/(㎡·℃)估算传热面积估算的传热面积为49.3282.44500728010t =⨯=∆=K Q A ㎡ 5、主要设备工艺尺寸计算 （1） 管径尺寸和管内流速的确定按单管程计算，所需的传热管长度为 L=71.1921025.014.349.32n d s 0=⨯⨯=⋅⋅πA按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l=6.5，则该换热器管程数为N p =403.35.671.19≈==l L （管程）热管总根数N=21×4=84(根)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。

横过管束中心线的管数为 n c =1.1N =1.1×84≈11（根）(3)按管尺寸的确定壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u=1.0m/s ，则接管内径为d=m uV109.0114.382572.744=⨯⨯=πDN,mm 400管程数 4壳程数 1管子规格25*2.5管子根数60中心排管数9管程流通面积，m20.005966换热面积，m226.41换热管长度，mm 6000通过查表，可以发现下面的结构尺寸的换热器和所需的比较接近，故而选择该种换热器：DN,mm 400管程数 4壳程数 1管子规格25*2.5管子根数84中心排管数11管程流通面积，m20.0060换热面积，m237.2换热管长度，mm 65006.换热管6.1换热管的规格及尺寸偏差管子在管板上的排列方式最常用的为图4-1所示的（a）、（b）、（c）、（d）四种，即正三角形排列（排列角为30°）、同心圆排列、正方形排列（排列角为90°）、转角正方形排列（排列角为45°）。

当管程为多程时，则需采取组合排列，图1-10为二管程时管小组合排列的方式之一。

图4.1.管子在管板上的排列方式和组合排列示意图采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

6.3横过管束中心线的管数n c =114.107619.119.1≈==N采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，壳体内径为 D=mm mm Nt40092.3677.0843205.105.1≈=⨯=⋅η7.折流板折流板间距系列为：100mm ，150mm ，200mm ，300mm ，450mm ，600mm ，800mm ，1000mm 。

折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，见表4-4所列数据。

支承板允许不支承的最大间距可参考表4-5（右）所列数据。

表4-5支承板厚度以及支承板允许不支承的最大间距经选择，我们采用弓形折流板，取弓形折流圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：h=100mm取折流板间距B=0.7D ，则： B=0.5×400=200mm 可取B=200mm因而查表可得：折流板厚度为5mm ，支承板厚度为8mm ，支承板允许不支承最大间距为1800mm 。

折流板数N B 2912006000=-=折流板圆缺面水平装配。

8.接管8.1.壳程流体进出口时接管取接管内植物油流速为u=0.1m/s 则接管内径为：d=m uV049.00.114.3)8253600/(650044=⨯⨯⨯=π所以，取标准管的内径为50mm 。

8.2.管程流体进出口时的接管取接管内循环水流速u=1.5m/s ，则接管内径：d=m 062.05.114.3)7.9953600/(16250.604=⨯⨯⨯取标准管径为60mm 。