1、 课程设计说明书 化工原理课程设计 课程名称： 化工原理课程设计 课 题： 列管式换热器设计 学 院： 化学与生物工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 2013 级 1 班 姓 名： 学 号： 指导老师： 课程设计说明书 目 录 摘 要 . - 1 - 化工原理课程设计任务书 . - 2 - 1 概述 . - 4 - 1.1 换热器的主要特点及结构组 成 . - 4 - 1.2 换热器的分类 . - 5 - 1.3 列管式换热器 . - 6 - 1.3.1 固定管板式换热器 . - 6 - 1.3.2 浮头式换热器 . - 7 - 1.3.3 U 型管式换热器 . - 7 - 1.
2、3.4 填料函式换热器 . - 8 - 2.列管式换热器的工艺设计 . - 8 - 2.1 选择换热器的类型 . - 8 - 2.2 流程安排 . - 8 - 2.3 流速的选择 . - 9 - 2.4 冷热流体的定性温度及物性数据 . - 10 - 3 初步估算换热器的传热面积 . - 10 - 3.1 热流量 . - 10 - 3.3 计算传热面积 .- 11 - 3.4 冷却水用量 .- 11 - 4 初选换热器的规格 .- 11 - 4.1 换热管管径和管内流速 .- 11 - 4.2 管程数和传热管数 .- 11 - 4.3 换热管排列 . - 12 - 4.4 壳体内径 . - 1
3、2 - 4.5 折流板 . - 12 - 5 换热器校核 . - 13 - 5.1 热流量的核算 . - 13 - 5.2 换热器内流体阻力核算 . - 16 - 6.设计总结 . - 19 - 设计流程图 . - 20 - 参考文献 . - 21 - 附 录 . 错误 !未定义书签。 课程设计说明书 - 1 - 摘 要 换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热 交换器。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等使用，应用十分广泛。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度比较高，能够放热；另一种流体温度比较低，可以吸热。在工程实践中有时也会有两种以
4、上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。换热器可分为间壁式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器 、混合式换热器四种换热器。在现代社会中，由于能源的断减少，人们越来越重视换热器的节能效果。换热器在节能过程中有重要的作用，一方面提高这些换热器效率，可以减少能源的消耗；另一方面，用换热 器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。 【关键词】 换热器； 热交换器；换热设备； 间壁式；蓄热式； 课程设计说明书 - 2 - 化工原理课程设计任务书 一、设计题目：设计中型氮肥厂用变换气水冷立式列管换热器 二、设计条件 1.热流体：变换气，工作压力为 1.4MPa，进口温度为 65，要求降 到
5、 38，变换气流量为 95780 kg/h。 2.冷流体：水，进口温度为 32，出口温度为 42，操作压力为 0.3MPa。 3.已知变换气及冷却水在定性温度下的物性数据： 密度 （ kg/m3） 黏度 (mPa s) 比热容(kJ/kg K) 导热系数（ W/(m K)） 变换气 12.83 0.0158 2.495 0.0806 冷却水 993 0.718 4.178 0.622 4.两流体均无相变。 5.建厂地址：兰州地区 6.要求管程和壳程的阻力都不大于 50kPa 三、设计步骤 1.掌握换热器设计概况、设计原则（以概论综述形式体现在说明书中） 2.确定设计方案 （ 1）选择列管换热器
6、的类型 （ 2）确定冷热流体流动空间及流速 （ 3）确定冷热流体的定性温度及相关物性数据 3.初步估算换热器的 传热面积。 4.初选换热器的规格 5.校核 （ 1）核算换热器的传热能力及传热面积，要求设计裕度不小于 10%，不大于 20%。 （ 2）核算管程和壳程的流体阻力损失。 课程设计说明书 - 3 - 如果不符合上述要求重新进行以上计算。 5.将换热器主要结构尺寸和计算结果列表。 6.总结设计过程，绘制列管式换热器设计流程图。 四、设计要求 1.说明书采用统一封面和纸张； 2.方案和流程的选择要阐明理由； 3设计过程思路清晰，内容完全； 五、设计成果 1.设计说明书（ A4 纸，不少于
7、20 页） （ 1）内容包括封面、摘要、目录及页码、任务书、正 文、小结、参考文献、附录或符号说明。 （ 2）格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计要求打印。 2. 变换气水冷立式列管换热器装配图（ A1 图纸手绘） 六、设计考核 1.设计是否独立完成，是否存在抄袭行为； 2.设计说明书的编写是否规范； 3.结构尺寸计算与图纸是否规范和正确； 4.答辩 七、参考资料 1.化工原理及设备课程设计李芳 化学工业出版社 2.化工原理谭天恩（第四版） 化学工业出版社 3. 化工原理课程设计贾绍义 天津大学出版社 课程设计说明书 - 4 - 1 概述 1.1 换热器的主要特点及结构组成 换热器，是将热流体
8、的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。 它换热设备广泛应用于炼油 、化工、轻工、制药、机械、食品 、 加工、动力以及原子能工业部门当中，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不 断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能
9、措施，大力发展节能技术，课程设计说明书 - 5 - 已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。换热器的先进性、合理性和运转的可靠性直接影响产品的质量、数量和成本。 1.2 换热器的分类 换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞 速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 1.2.1 换热器按传热
10、原理可分为： 间壁式换热器 间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流 体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之
11、间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。如炼焦炉下方预热空气 的蓄热室。 混合式换热器 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，冷水塔、气体冷凝器等。 工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式 换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。 课程设计说明书 - 6 - 紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。 管壳式换热器包
12、括了广泛使用的列管 式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。 使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和 U形管式等几种类型。 1.3 列管式换热器 在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列
13、管式。其中列管式换热器虽在热效率、紧凑性、金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。列管式换热器主要有固定管板式换热器、浮头式换热器、填函式换热器和 U型管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。 1.3.1 固定管板式换热器 这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困 难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，
14、甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差 50课程设计说明书 - 7 - 以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于 6070和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过 6 105Pa 时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑采用其他结构。 1.3.2 浮头式换热器 用 法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。 1.3
15、.3 U 型管式换热器 此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是 U型管的更换及管内清洗困难。 考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过 50 ，而且应用广泛，操作简单、课程设计说明书 - 8 - 方便。用水冷却氨气不易结垢，所以选择带 有补偿圈的固定管板式换热器。 1.3.4 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.列管式换热器的工艺设计 2.1 选择换热器的类型 所设计换 热器用于制造氮肥，原料比较清洁，不易结垢，所以选用固定管板式换热器，其特点是结构简单，制造成本低，比较适合大型工厂。 2.2 流程安排 冷、热流体流动通道的选择的一般原则： 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。
