管壳式换热器设计毕业论文

目 录一、 概述 31. 换热器的结构形式 32.换热器材质的选择 33. 管板式换热器的优点 44.列管式换热器的结构 55.管板式换热器的类型及工作原理 7二、 设计任务与操作条件 71.设计题目 72. 设计任务与操作条件 73.确定设计方案 84. 计算传热面积并初选换热器型号 81. 计算苯的流量： 82． 确定热流体及冷流体的物理性质： 83． 传热量计算： 84． 确定流体的温度： 85． 计算平均温度： 86． 设定管程流速、选择K值并估算传热面积： 95. 核算压力降： 101． 管程压力降： 102． 壳程压力降： 106. 核算总传热系数： 111、 管程对流传热系数 112、 壳程对流传热系数 12三、 参考文献 13四、 主要符号说明 13五、 课程设计感想 14一、 概述目前管板式换热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用, 并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。1. 换热器的结构形式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，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：（1） 固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。（2） 浮头式换热器浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高；增加了浮头盖以及连接件，在该处一旦发生泄漏不易被发现；管束外缘与壳壁之间间隙较大，减少了排管数目，容易引起壳程流体短路。（3） 填料涵式换热器填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。（4） U型管式换热器 结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。换热管束可以抽出，热应力可以消除。但管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。换热器的内层换热管一旦发生泄漏损坏，只能堵塞而不能更换。壳程内有一个不能排管的条形空间，影响结构的紧凑，而且要安装防短路的中间挡板。2. 换热器材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2）不锈钢 奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过 350℃的场合。（3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 ②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。3. 管板式换热器的优点(1) 换热效率高,热损失小 在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的3～5倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 3～1/ 4。(2) 占地面积小重量轻 除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 6～0. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3) 污垢系数低 流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4) 检修、清洗方便 换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。(5) 产品适用面广 设备最高耐温可达180 ℃, 耐压2. 0MPa , 特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。 当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。4. 列管式换热器的结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。 （1）换热管布置和排列间距 常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25× mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。 （A） （B） （C） （D） （E）图 1-4 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列 （B）正方形错列 (C) 三角形直列 （D）三角形错列 （E）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。 （3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。①封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 ②管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。③分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。5. 管板式换热器的类型及工作原理 板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式; 按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同, 采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀, 并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器, 可以达到250 ℃、2. 5MPa 。因此同样是板式换热器, 因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式, 但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起, 介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动, 在板片波纹的作用下形成激烈的湍流, 犹如用筷子搅动杯中的热水, 加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触, 通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割, 或者通过大量的焊缝来保证, 在换热板片不开裂穿孔的情况下, 冷热介质不会发生混淆。二、 设计任务与操作条件1. 设计题目万吨/年石脑油冷却器的设计2. 设计任务与操作条件 1) 石脑油：入口温度140℃，出口温度40℃2) 冷却介质：自来水，入口温度25℃，出口温度45℃3) 允许压强降：不大于100kPa4) 每年按300天24小时连续运行。两流体在定性温度下的物性数据物性流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)石脑油 825 水 994．0 . 确定设计方案1) 选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度140℃出口温度40℃；冷体进口温度25℃出口温度为45℃，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度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。2) 管程安排循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降。但是由于石脑油是一种有毒且易燃易爆具有一定危险性的轻质油品，考虑到安全性和两物流的操作压力方面，应该让石脑油走管程，所以从总体考虑，应使石脑油走管程，循环冷却水走壳程。4. 计算传热面积并初选换热器型号1．计算石脑油的流量：根据《化工原理课程设计任务书》中的数据可以计算出石脑油的流量 2．确定热流体及冷流体的物理性质：物性流体 密度 ㎏/m3 比热KJ/(㎏•oC) 粘度 mPa•s 导热系W/(m•oC)石脑油 825 水 994．0 ．传热量计算： 忽略热损失，冷却水耗量为 4．确定流体的温度：本设计中热流体为石脑油，冷流体为水，故为使石脑油可以尽可能快的通过管壁面向冷却水中散热，可以增加传热面积提高冷却效果，令石脑油走管程而水走壳程。5．计算平均温度：按换热器中苯与水逆流来计算平均温度，以单壳程来考虑其温度校正系数 。石脑油：140℃→40℃ 水： 45℃←25℃ : 95℃ 15℃ 计算R和P： 由R、P值，查《化工原理（上册）》（天津大学化工学院夏清主编，修订版）（以下所提《化工原理》均指本书）P232页，图5-11（b）得 => , 故可以选用。 6．设定管程流速、选择K值并估算传热面积：参照P280页表4-14管壳式换热器中易燃,易爆液体的安全允许速度可取管程的流速为 由此可以确定所需单管程数 ，故取双管程管数为4根据两流体的情况，取K值为200W/(m2 •℃),则可以计算出单程换热器的管长为 取单管管长为，则管程 =10,由此可得总管数 =4n=40且 查找《化工原理（上册）》书后附录十九固定管板式换热器（TB/T 4715—92），并考虑到两流体温度差 ,为减少温差所引起的热应力，可选用带有膨胀节的固定管板式换热器，初选换热器型号为：G325Ⅳ，主要参数如下：外壳直径：325mm公称压力：公称面积：19m2管子尺寸： 管子数：40管长：6m管中心距：32mm管程数 ：4管子排列方式：正三角形管程流通面积： 实际传热面积 通过计算可知， ，即采用此换热面积的换热器要求过程的总传热系数为 。5. 核算压力降：1．管程压力降： ，其中 =， =1， =2。管程流速： 雷诺系数为： 对于碳钢管，取管壁粗糙度 ，则相对粗糙度为 。在《化工原理（上册）》P54页查图1—27知，摩擦系数 ，将其带入前式，计算得 管程的压力降满足设计条件。2．壳程压力降：管子为正三角形排列，F= 取折流挡板间距z=，D=， 折流挡板数为 壳程流通面积 壳程流速 故 计算结果表明，管程和壳程的压力降都能满足设计条件。6. 核算总传热系数：1、管程对流传热系数 （湍流）普朗特数 对流传热系数 2、壳程对流传热系数 管子为正三角形排列，则壳程中水被加热 （液体被加热时 ） 3、总传热系数K：管壁热阻和污垢热阻可忽略时，总传热系数K为： 与 ，故所选换热器是合适的，安全系数是 设计结果为：选用带有膨胀节的固定管板式换热器，型号为G325Ⅳ。三、 参考文献[1]《化工原理》天津大学化工原理教研室编 天津：天津大学出版社. （1999）[2]《换热器》秦叔经、叶文邦等 ，化学工业出版社（2003）[3]《化工原理（第三版）上、下册》谭天恩、窦梅、周明华等，化学工业出版社（2006）[4]《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）[5]《 化工原理课程设计》贾绍义等，天津大学出版社（2003）四、 主要符号说明硝基苯的定性温度 T 冷却水定性温度 t硝基苯密度 ρo 冷却水密度 ρi硝基苯定压比热容 cpo 冷却水定压比热容 cpi硝基苯导热系数 λo 冷却水导热系数 λi硝基苯粘度 μo 冷却水粘度 μi热流量 Wo 冷却水流量 热负荷 Qo 平均传热温差 总传热系数 管程雷诺数 温差校正系数 管程、壳程传热系数 初算初始传热面积 传热管数 初算实际传热面积 S 管程数 壳体内径 D 横过中心线管数 折流板间距 B 管心距 t折流板数 NB 接管内径 管程压力降 当量直径 壳程压力降 面积裕度 H五、 课程设计感想经过一个星期的奋战，终于完成了一个还算可以的换热器设计，这几天我过的很充实，是我大学生活里继两次实习后又一次最充实的生活，看着我们小组的劳动成果，心里有种说不出的感觉。毕竟我们的努力还算有所回报，我为自己的努力感到自豪，当然我也认识到了自己学习中的不足。 我想说：功夫不负有心人，为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。我们一边忙着复习备考，一边还要做课程设计，时间对我们来说一下子变得很宝贵，真是恨不得睡觉的时间也拿来用了。当自己越过一个又一个难题时，笑容在脸上绽放。当我看到设计终于完成的时候，我乐了。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。从这次的课程设计中，我不仅巩固了课本的知识，还学到了许许多多其他的知识。我知道了每一个课程之间是融会贯通的。在化工原理的课程设计中也用到了机械制图基础的知识，可是自己的机械制图基础没有学好，于是就要重新翻书来确定自己的一些设计是否正确。 其次了解到团队合作很重要，每个人都有分工，但是又不能完全分开来，还要合作，所以设计的成败因素中还有团队的合作好坏。 这次设计让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！当然我的设计肯定有不足之处，希望老师批评指正，下次一定会做得更好。

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