化工原理课程设计固定管板式换热器.doc

1、 化 工 原 理 课 程 设 计 设计题目：固定管板式换热器 指导教师： 班 级： 食品 08 级 姓 名： 2011 年 1 月 20 日 目 录 设计题目 第 1 页 说明书编写要求 第 5 页 设计任务书 第 6 页 一、设计方案 第 8 页 1.设计方案的选择 第 8 页 1.1 方案简介 第 8 页 1.2 设计的一般原则 第 9 页 1.3 换热器类型的选择 第 10 页 2.流程安排 第 13 页 2.1 列管式换热器的选用. 第 13 页 2.2 加热剂或冷凝剂的选择 第 14 页 2.3 流体进口温度的确定 第 14 页 2.4 流体流速的选择 第 15 页 2.5 管子的规

2、格和排列方法 第 16 页 2.6 折流挡板和支承板. 第 18 页 2.7 外壳直径的确定 第 19 页 2.8 材料选用 第 20 页 2.9 流动空间及流速的确定 第 21 页 二、确定物性数据 第 20 页 三、计算总传热系数 第 21 页 1.热流量 第 21 页 2.平均传热温差 第 21 页 3.冷却水用量 第 22 页 4.总传热系数 K 第 22 页 四、计算换热面积 第 23 页 五、工艺结构尺寸 第 23 页 1.管径和管内流速 第 23 页 2.管程数和传热管数 第 23 页 3平均传热温差校正及壳程数 第 24 页 4.传热管排列和分程方法 第 24 页 5.壳体内径

3、 第 25 页 6.折流板 第 25 页 7.接管 第 25 页 六、换热器核算 第 26 页 1.热量核算 第 26 页 2.换热器内流体的流动阻力 第 28 页 3.换热器主要结构尺寸和计算结果 第 30 页 设备结构图（附图） 第 31 页 主要符号说明 第 32 页 七、设计心得 第 33 页 参考文献 第 36 页 评语 第 29 页 广西工学院生物与化学工程系 化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书 设计课题：大豆油换热器的设计 说明书编写要求： 化工原理课程设计由说明书和图纸两部分组成。设计说明书为打印稿， 包括所有论述、原始数据、计算、表格等，设计说明书一般不少于 3000

4、 字，设计（论文）任务书装订于说明书的前页，其设计说明书具体书写格 式及内容如下: 1、标题页 2、设计任务书 3、目录 4、设计方案简介 5、工艺流程草图及说明 6、工艺计算及主体设备设计 7、辅助设备的计算及选型 8、设计结果概要或设计一览表 9、对本设计的评述 10、附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图） 11、参考文献 12、主要符号说明 化工原理课程设计任务书 一、 设计课题 大豆油换热器的设计 二、 设计任务 1、 处理量：2000kg/h 大豆油 2、 设备型式：列管式（固定管板式）换热器 3、 操作条件： a. 大豆油：入口温度 133C，出口温度 40C b. 冷

5、却介质：循环水，入口温度 30C，出口温度 40C c. 允许压降：不大于 105Pa 三、 设计要求 1. 设计一个固定管板式换热器 2. 设计内容包括： a.热力设计 b.流动设计 c.结构设计 d.强度设计 3设计步骤： （1）根据换热任务和有关要求确定设计方案 （2）初步确定换热器的结构和尺寸 （3）核算换热器的传热面积和流体阻力 （4）确定换热器的工艺结构 四、设计原则： 1传热系数较小的一个，应流动空间较大，使传热面两侧的传热系数 接近； 2换热器减少热损失； 3管、壳程的决定应做到便于除垢和修理,以保证运行的可靠性； 4.应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力.从这个角度来讲,

6、顺 流式就优于逆流式； 5.对于有毒的介质或气相介质,必使其不泄露,应特别注意其密封性,密 封不仅要可靠,而且应要求方便及简洁； 6.应尽量避免采用贵金属,以降低成本。 五、课程要求: 1.要求每组成员共同进行查阅资料,在计算、绘图中进行分工合作 2.要求在 1 月 20 日前完成说明书的编写和绘图过程 3.要求每人上交一份说明书,每组一分图纸 （用 A1 图纸绘制装置图一张：一个设备大图，包含设备技术要求、主 要参数、接管表、部件明细表、标题栏） 概 述 换热器设计就是在掌握了基本的传热学、流体力学和换热器结构知识 以后，根据所给的任务和条件设计或选定一台或数台换热器。 列管式换热器是最常用

7、的换热器，掌握了列管式换热器的设计任务、 原则、原理和计算方法以后，对于掌握其他类型的换热器知识也很有帮助。 一、设计方案 1.设计方案的选择 1.1 方案简介： 列管式换热器称管壳式换热器，是化工生产中应用最为广泛的一种换 热设备，结构简单坚固，耐高压，可靠程度高、适应性强，制造材料范围 广；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；而且种类多，型号全， 制造工艺比较成熟。因此在石油、化工生产中尤其是高温高压等大型换 热器的主要结构形式。因此，本次设计就对传热过程所用设备列管式 换热器进行一次选型设计。 列管式换热器抗结构可分为固定管板式，浮头式、U 形管式、填料函 式换热器、四种类型。选用时

8、可根据应用条件的不同及各自的优缺点设计 适宜的换热器。 要设计一个较完善的换热器，除了能满足传热方面的要求外，还力求 传热效率高， 体积小、重量轻、消耗材料少，制造成本低，清洗维护方 便和操作安全等。因此列管式换热器的设计，首先必须根据化工生产工艺 条件的要求通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、 管长，决定管数，管程数和壳程数，然后进行机械选型设计。 列管换热器选型设计过程已有成熟的资料，具体步骤如下： (1)根据流体的物性及生产工艺条件的要求，确定流体通入的空间； (2)确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的型式； (3)计算流体的定性温度，确定流体的物性数据； (4

9、)根据传热任务计算热负荷； (5)依对流传热系数 a2和 a1，确定污垢热阻 Rs2和 Rsl。再计算总传热系 数 K 计。据总传热系数的经验值范围，或按实际情况，选定总传热系数 K 选值； (6)通过化工工艺计算，由总传热速率方程 Q=KS tm 初步算出传热面积 S，并确定换热器的基本尺寸按系列标准选择设备规格； (7)计算管程、壳程； (8)计算初选设备的管、壳程流体的压强降，如超过工艺允许的范围， 需调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重 新计算压降直到压强降满足要求为止。以上设计过程还要牵涉到大量公式， 其具体计算式子可以参考文献1。 1.2 设计的一般原则：

10、 与任何工艺生产设备一样，换热器设计的优劣最终要看是否适用、经 济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。当这些原则相互矛盾时应 根据具体情况分析主次，很难预先定一个框框。一个传热效率高、紧凑、 成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题，准 确的热力设计和计算，还要进行强度校核和复合要求的工艺制造水平。这 就需要各方面的通力合作。 1.3 换热器类型的选择： 两流体温度变化情况：热流体大豆油的入口温度 133，出口温度 40；冷流体(循环水)进口温度 30，出口温度 40。由于两流体的温 度不同，所以使管束和壳体的温度也不一样，因此它们的热膨胀程度也有 差别。 列管式换热器

11、中，由于冷热两流体温度不同，使壳体和管束的温度也 不同。因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度相差较大时，就 可能由于应力而引起设备的变形，甚至弯曲和断裂，或管子从管板上松脱， 因此必须采用适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。根据采取热补偿 方法的不同。列管换热器可分为以下几种主要型式： (1)固定管板式 固定管板式换热器是用焊接的方式将连接管束的管 板固定在壳体的两端。它的主要特点是制造方便，紧凑，造价较低。但由 于管板和壳体间的结构原因，使得管外侧不能进行机械清洗，另外当管壁 温度与壳体壁温之差较大时，会产生很大的热应力，严重时会毁坏换热器。 固定板式换热器适用于壳程流体清洁，不易

12、结垢，或者管外侧污垢能 用化学处理方法除掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大， 一般情况下，该温差不能大于 50。若超过此值 ，应加温度补偿装置。 通常是在壳体上家以膨胀节。 但这种装置只能用在管壁温与壳体壁温之差低于 60-70及壳程压力 不高的场合。当壳程流体表压超过 0.7MPa 时，由于膨胀节的材料较厚， 难遇伸缩而失去对热变形的补偿作用，此时不宜采用这种结构。 (2)U 形管换热器 这类换热器的管束是有弯成 U 型的传热管组成。其 特点是管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，机构简单，造价比浮头式 低，管外容易清洗。但管板上排列的管子较少。另外由于管束中心一带存 在间隙，且

13、各排管子回弯处曲率不同，长度不同，故壳程流体分布不够均 匀，影响转热效果。 U 型管式换热器适用于壳程流体容易结垢，或壳体壁温与管壁温之差 较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。 (3)浮头式的换热器。浮头式换热器两端管板中有一端不与外壳固定 连接，该端称为浮头，这样当管束和壳体因温度差较大而热膨胀不同时， 管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，而与外壳无关，从而解决热补偿问 题。另外，由于固定端的管板是以法兰与壳体相连接的，因此管束可以从 壳体中抽出，便于清洗和检修。所以浮头式换热器应用较为普遍，但结构 比较复杂。金属耗量多，造价较高。 （4） 填料函式换热器 这类换热器具有浮头换热器

14、的优点，克服了 固定管板式换热器的缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易于检修清洗。 对于一些腐蚀严重，需要经常更换管束的场合常采用这种换热器。但这种 换热器密封性能差，故壳程中不宜处理易燃、易爆或有毒的流体。同时要 求壳程流体的压力不宜过高。目前所使用的调料函式换热器的直径一般在 700mm 以下，很少采用大直径的填料函式换热器。 以上换热器是化工生产中常见的几类，在设计中可根据具体条件选用。 本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降 低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，当两 流体的温度差较大时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或 破裂，这

15、时就要进行热补偿。固定管板式换热器的补偿方法，即在外壳的 适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性 变形，以适应外壳和管束的不同的膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不 宜用于两流体的温度差太大和壳方流体压强过高的场合。当两流体的温度 差不大于 120，且壳方流体压强不高于 60MPa 时，一般应选用固定管板 式换热器。因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。而且它具 有结构简单和造价低廉的优点。故本次设计初步确定选用固定管板式换热 器。 一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造 中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢 还

16、可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍 合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于 制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热 器等。 2.流程安排： 2.1 列管式换热器的选用步骤： 哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供 选择时参考(以固定管板式换热器为例)。 在列管式换热器设计中，冷。 热流体的流程，需进行合理安排，一般应考虑以下原则： (1)易结垢的流体应走易于清洗的一侧。对于固定管板式、浮头式换热 器，一般应使易结垢流体流经管程，而对于 U 型管换热器，易结垢流体应 走壳程； (2)又是在设计上

17、需要提高流体的速度，以提到其表面转热系数，在这 种情况下，应将需要提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积 一般较小，且易于采用多管程结构以提高流速； (3)具有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用量，降低 换热成本； (4)压力高的流体应走管程。这是因为管子直径小，承压能力强，能够 避免采用耐压的壳体和密封措施； (5)具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝 液； (6)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因为壳程内的流体在 折流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可 达湍流状态。在选择流体流径时，首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗

18、等要求，然后再校核对流传热系数和压强降。 应该说明的是，上述要求常常不能同时满足，在设计中应考虑其中的 主要问题，首先满足其中较为重要的要求。 本设计以油和循环冷却水作为传热媒介，水走管内，油走壳程，因为 水的压强高、循环冷却水较易结垢、需要提高流速。为便于水垢清洗，应 使循环水走管程，大豆油走壳程，综合考虑做此选择。 2.2 加热剂或冷凝剂的选择： 一般情况下，用作加热剂或冷凝剂的流体是由实际情况决定的。但 有些时候需要设计者自行选择。在选用加热剂和冷凝剂时，除首先应满 足所能达到的加热或冷凝温度外，还应考虑其来源方便，价格低廉，使 用安全。在化工生产中，水是常用的冷凝剂，饱和水蒸汽是常用的

19、加热 剂。 2.3 流体进口温度的确定 工艺流体的进口温度是工艺条件所规定的。加热剂或冷凝剂的进口温 度也是确定的，但其出口温度有时由于设计者选定。该温度直接影响到加 热剂或冷凝剂的用量以及换热器的大小，因而这个温度的确定有一个经济 上的优化问题。例如以水为冷凝剂时，由于工艺流体的进口温度及流量都 是确定的，所以若冷却水进口温度选择得较高，其用量就可以减少，从而 降低了操作费用，但此时由于平均传热温度下降，使得设备较大，增加了 设备投资。适宜的出口温度应使操作费用和设备费之和最小。另外，还应 该考虑到温度对污垢的影响，比如未经处理的河水作冷凝剂时，其出口温 度一般不得超过 50，否则积垢明显增

20、多，会大大增加传热阻力。本次化 工原理课程设计任务书的操作条件给出换热器中冷热流体的温度,因此就 不存在确定流体两端温度的问题。 2.4 流体流速的选择 对于无相变的换热，介质流速 w 高，换热强度大，可使传热面积减小， 结构紧凑，投资节省，且有利于抑制污垢的形成。流速高，压降P 大， 使泵功率消耗增加，压降增长的速率远超过换热系数。 速度的选选取应考虑压降的合理，而合理的压降与系统内的运行压力 水平有关。 一般经验，对于液体压降应控制在 0.11.0Pa，气体则在 0.010.1Pa 为宜。与此相应的 Re 值，液体约为 5103210 4，气体约 为 10410 5，处在过渡区和湍流状态。

21、对于高粘度液体，为了不使压力损 失过大，流速不能很高，常不能不按层流设计。还应指出，设计中应尽量 减小管路系统的各种局部流阻，使有条件提高器内流速，从而降低换热器 造价。一般情况下，壳程流速约为管程之半。当采用盘管时，合理的管程 流速应较直管为低，一般推荐为 v ： 液体 0.30.8m/s 气体 310m/s 增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子 表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减 小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增 多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还 需考虑结构上的要求：选择高

22、的流速，使管子的数目减少，对一定的传热 面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，单程变为 多程使平均温度差下降。由于本换热器设计，总热负荷小，不需要太高的 对流传热系数，油和水又是液体，再加之平均温度的下降影响了换热，所 以在常见流速中选择了 0.30.8m/s。 2.5 管子的规格和排列方法 ： (1) 各种参数的固定管板式换热器管子均用 252.5mm 的管子制造 并按正三角形排列，单壳程。食用产品用 252mm（1Cr18Ni9Ti）不锈 钢，本设计为大豆油，所以选用 252mm（1Cr18Ni9Ti）不锈钢。 (2)管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于

23、清洗， 且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为 6m，则合理的换热器管长应为 1.5、2、2.5、3、4.5 或 6m。系列标准中也采用这四种管长。此外，管长 和壳径应相适应，一般取 L/D 为 46(对直径小的换热器可大些)。 本设计选用 6m 以配合管子的排列和管子数量能满足换热要求。 (3)如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和 正方形错列等。等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路的 机会少，且管外流体扰动较大 ， 因而对流传热系数较高；相同的壳径内 可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用 于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正

24、三角排列时为低。 正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可 以适当地提高。 本设计选用正三角行排列，水对管子的腐蚀程度不高，相对于气体， 液体为媒介的换热器更重要的是传热系数高。 (4)管子在管板上排列的间距(指相邻两根管子的中心距)，随管子与管 板的连接方法不同而异。通常，胀管法取 t=(1.31.5)d o，且相邻两管外 壁间距不应小于 6mm，即 t(d+6)。本设计采用焊接法连接，所以排列间 距取 t=32mm（管间距） 。 (5)管程和壳程数的确定。当流体的流量较小或传热面积较大而需管数 很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内 流速

25、，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力 费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面 积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有 1、2、4 和 6 程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。 为了不影响达到换热要求，本设计选用单壳程双管程。 2.6 折流挡板和支承板 ： 列管式换热器的壳程流体流通面积比管程流通截面积大，在壳程流体 属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍流程度，提高其表 面传热系数，需设置折流板。 折流板有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的换热器仅需设置横 向折流板，多壳程换热器不但需要设置横

26、向折流程板，而且需要设置纵向 折流板换热器分为多壳结构。对于多壳程结构，设置纵向折流板的目的不 仅在与提高壳程流体的流速，而且是为了实现多壳程结构，减小多壳程结 构造成的温度损失。 横向折流板同时兼有支承传热管，防止产生振动的作用。其常用的型 式有弓形折流板和圆盘-圆环折流板。弓形折流板结构简单，性能优良， 在实际中最为常用。 弓形折流板切去的圆缺高度一般是壳体内径的 1040，一般取值 为 2025，过高或过低都不利于传热。 两相邻挡板的距离(板间距)h 为外壳内径 D 的(0.21)倍。系列标准中 采用的 h 值为：固定管板式的有 150、300 和 600mm 三种；浮头式的有 150、

27、200、400、480 和 600mm 五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻 力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下 降。 本设计为固定管板式换热器，参照 GB1511999 中给出的折流板型号， 考虑到壳程中为大豆油，折流板间距为 100mm 可以满足要求。 2.7 外壳直径的确定 换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。 根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，一般在初 步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流 通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作 图法画出管子排列图。

28、2.8 材料选用 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。 在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高 强度及耐腐蚀性的材料是很少的。常用的金属材料有碳钢、不锈钢，低合 金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有 色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。但对于食用 产品，要使用不锈钢，以符合食品和卫生安全。本设计壳体、管程均采用 不锈钢。参照 GB1511999，不锈钢完全可以承受。 2.9.流动空间及流速的确定 管径选用 252mm(1Cr18NiTi)不锈钢，管内流速取 ui= 0.3m/。 二、确定物性数据 （

29、1）定性温度：可取流体进口温度的平均值。（大豆油沸点150） 壳程大豆油的定性温度为： T=(133+40)/2=86.5() 管程流体的定性温度为： t=(30+40)/2=35 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 （2）大豆油在 90下的有关物性数据如下： 密度： o=875.2 kg/m3 定压比热容： cpo=2.052kJ/(kg) 导热系数： o=0.150W/(m) 粘度： o=0.00665 Pas （3）循环冷却水在 35下的物性数据： 密度： i =993.95 kg/m3 定压比热容： cpi4.174 kJ/(kg) 导热系数： i=0.626 W/(

30、m) 粘度： i=0.0007225 Pas 三、计算总传热系数 1.热流量 ： Qo =m0Cpo to=20002.052(133-40)=381672kJ/h=106.02(kW) 2平均传热温差： t m = = =37.2() 21lnt-30-41ln)()( 3冷却水用量 ： Wi = = =9144.03(kg/h)itQP0C )304(17.862 4总传热系数 K： 管程传热系数 ： Re= = =8667i1 ud0.7259.3 Pri= = =4.82i pc62.015714. 43 i=0.023 Re0.8Pri0.4eid =0.023 (8667)0.8

31、(4.82)0.4=1818W/(m2)021.6 壳程传热系数： 假设壳程的传热系数： o=200 W/(m2)； 污垢热阻： Rsi=0.00034394 m2/W , Rso=0.00051590m2/W 管壁的导热系数 =17 W/(m) = 20159.023.1702.50349.21.850 =149.07 W/(m) 四、计算传热面积 S= = =19.12(m2)mtoKQ2.370.1496 假设考虑 15的面积裕度，则： S=1.15S=1.1519.12=21.99(m 2) 五、工艺结构尺寸 1管径和管内流速： 选用 252mm(1Cr18NiTi)不锈钢，取管内流速

32、 ui=0.3m/s。 2管程数和传热管数： 依据传热管内径和流速确定单程传热管数： ns= = =24.61udVi243.021.785.0)956/(913 可取 ns=28 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= = =10.00(m)sondS2805.1439 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 L=6m，则该换热器管程数为： NP = = =1.672(管程)lL60.1 传热管总根数： N=282=56(根) 3平均传热温差校正及壳程数： 平均传热温差校正系数 R= =9.33041 P= =0.097 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但

33、R=10 的点 在图上难以读出，因而相应以 1/R 代替 R， PR 代替 P，查同一图线，可得 t=0.84 平均传热温差： tm= t tm=0.8437.2=31.25() 4传热管排列和分程方法： 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形 排列。取管心距：t=1.25 dO，则 t=1.2525=31.2532(mm) 横过管束中心线的管数：n C=1.19 =1.19 =8.679(根)N56 5壳体内径： 采用多管程结构，取管板利用率 0.7，则壳体内径为 D=1.05t =1.05 =300.53(mm)/N7.0/5632 可取 D325mm 6折流板： 采

34、用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25，则切去 的圆缺高度为 ： h0.2532581.5(mm), 可取 h80mm。 取折流板间距 B0.2D，则 B0.232597.5(mm)，可取 B=100mm 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/100-1=59(块) 折流板圆缺面水平装配。 7接管： 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 u0.5m/s，则接管内径 为 d= = =0.040muV45.0143)2876/(2 则取标准管径为 40 mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u2.0m/s，则接管内径为 d= = =0.040m uV4214

35、.3)95.60/(9 取标准管径为 40mm. 六、换热器核算 1热量核算： 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 o=0.36 Reo0.55Pr1/3( )0.14edwou 当量直径，由正三角形排列得 ： (m) 壳程流通截面积： So=BD(1- )=0.10 =0.0071(m)tdo )032.51(.0 壳程流体流速及其雷诺数分别为 uo= =0.089m/s0.71)2.8536/(2 Reo= =2359 普兰特准数 ： Pr= =90.9715.062. 3 粘度校正 o=0.36 2350.5590.971/3=245W/(m2)02.15 管程对流传热系数

36、 管程流通截面积 Si=0.785 =0.00969m2)25601. 管程流体流速 ： Ui= =0.264m/s0.96)5.3/(14 Rei= =761672 普兰特准数 Pr= =4.826.01514. 43 i=0.023 (7616)0.8(4.82)0.4=1639W/(m2)21. 传热系数 K： 245109.23.45021.03495.21.6395 =170.42 W/(m) 传热面积： S= = =19.91(m2)mtKQ25.314.706 该换热器的实际传热面： Sp= =3.14 0.025 (6-0.006) (56-9)=21.92( m2)(eonN

37、Ld 该换热器的面积裕度为： H= =(21.92-19.91)/21.92=10.1%10SP 传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务. 2换热器内流体的流动阻力 管程流动阻力： Pi =( P1+ P2)FtNsN p Ns=1, N p =2, Ft=1.4 由 Re7616，传热管绝对粗糙度取 0.1，根据公式 i=0.100（0.1/21+68/ Re） 0.23 =0.037 W/(m)， 流速: ui0.264 m/s， 993.95 kg/m 3，所以 =367.83 Pa 295.64.01.037.1 P =103.62Pa.922 =1320.08 Pa 105Pa2

38、14.)0368(iP 管程流动阻力在允许范围之内。 壳程阻力 Po=( P1+ P2) FtNs Nsl， Ftl.15 流体流经管束的阻力: 2)1(1oBcouNnFfP F=0.5 ; ; =59 ; uo=0.1469cnB 因为 Re0=235 do/（t-d o）=3.58 故查图得 0=1.44 P1=0.5 1.44 9 （59+1） 875.25 0.0892/2=1356.37 Pa 流体流过折流板缺口的阻力 : 2)5.3(02uDBNP B=0.100m ; D=0.325m =593.74 Pa2089.75)3.0125.(92 P 总阻力: P o（135659

39、4） 1 1.152242.62(Pa)10 5 Pa 壳程流动阻力也比较适宜。 3.换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见表 2-13。 表 2-13 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器形式： 固定管板式 管口表 换热面积，m 2 : 21.92 符号 尺寸 用途 连接型 式 工艺参数 a DN60 循环水 口 平面 名称 管程 壳程 b DN60 循环水 口 平面 物料名称 循环水 大豆油 c DN60 油品入 口 凹凸面 操作压力，MPa 0.4 0.3 d DN60 油品出 口 凹凸面 操作温度， 30/40 133/40 e DN20 排气口 凹凸面 流量，k

40、g/h 9144.03 2000 f DN20 放净口 凹凸面 流体密度， kg/m3 993.95 875.2 流速，m/s 0.089 0.264 传热量，kW 106.02 总传热系数， W/m2K 149.07 对流传热系， W/m2K 245 170.42 污垢系数， m2K/W 0.00034394 0.00051590 阻力降，MPa 0.001320 0.002242 程数 2 1 推荐使用材料 不锈钢 不锈钢 管子规格 252 管数：56 管长 mm:6000 管间距， mm 32 排列方式 正三角形 折流板型 式 上下 间距，mm 100切口高度： 25% 壳体内径， mm

41、 325 保温层厚度， mm 设备结构图（附图） 主要符号说明 英文字母 B折流板间距，m C系数，无量纲； P压降，Pa； Q热负荷，W； R热阻，/W；因数； Re雷诺准数； S传热面积，； t冷流体温度，；管心距， m； T热流体温度，； u流速，m/s； W质量流量，Kg/s Pr普朗特系数； b -板厚，mm； K总传热系数， ；mW2/ d管径，m； D换热器外壳内，m； Wh-煤油处理量，kg/s； f摩擦系数； F系数； h圆缺高度，m； L管长度，m； m程数； n指数；管数；程数； N管数； p压力，Pa；因数； q热通量，W/m 2； Q传热速率，W r半径，m；汽化潜热

42、， KJ/Kg。 希腊字母 对流传热系数 W/()； 有限差值； 导热系数，W/(m)； 粘度，Pas； 密度，/m 3； 校正系数。 下标 C冷流体； h热流体； i管内； m平均； o管外； s污垢。 七、设计心得 列管式换热器(固定管板式)，具有结构简单、紧凑、布管多，管内便 于清洗，更换、造价低的特点。适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需 清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。 本文提出的换热器的设计，在工艺设计上考虑了传热系数、管壳程压 降等对换热器设计的影响，同时对管壳式大豆油冷却器的结构及相关的技 术参数进行了设计和计算虽然所列公式繁多，但严格按照化工原理的公 式计算

43、，能满足设计要求，符合有关技术规范(GB1511999)。 (1)根据换热器的特性，比较散热结构、材料确定了大豆油冷却器结构 形式设计方案。 (2)计算大豆油冷却器传热部分如传热系数、平均温度等，以及校核相 关设计参数。 (3)根据设计参数和传热计算数据确定了大豆油冷却器具体结构尺寸， 如壳程数、壁厚、管束数、内径、管长、折流板数、折流板间距等。 回顾本次设计的整个过程，以及我们的设计成果，现总结如下： 从设计的过程和结果来看，我小组通过工艺计算、选型过程是比较严 谨的、合理的；所选换热器的型号、结构也能满足工艺的要求，达到了设 计任务的要求，认真的完成了本次设计的任务。 通过这次课程设计，培

44、养了我们的独立思考的能力，使我们对化工原 理的知识有了进一步的掌握。因此，从始至终，不论是查文献、计算、还 是绘图，我们都认真的完成。 从设计结果可看出，冷却水出口温度不同，若要保持总传热系数， 温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为水出 口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证 Q 和 K。因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大。通过这个设计， 我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重 要 本次设计所选的列管式换热器及工艺流程均符合设计要求。设计过程 中，我们除了考虑换热器的处理量和换热效果外，也考虑了生产成本及食 品安全

45、性等问题。如在选择板材时，有多种材料可供选择，碳钢来源方便， ，价格相对便宜，但对于食品原料，碳钢不 ，故选择了不锈钢。我们明 白实际生产中还要考虑很多因素，所以设计中也存在一些缺陷。 通过对列管式换热器的设计，我们懂得了工艺设计的基本方法。了解 了如何根据设计要求确定工艺设备，并学会了如何根据工艺过程的条件查 找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工 艺流程，主要设备及计算出主要设备及辅助设备的各项工艺参数及数据， 经过计算核算是否满足设计要求。设计中，我们查阅了许多关于换热器的 资料，不但进一步了解了其设备结构及工艺流程，还学习到了主体设备图 和工艺流程图的制法。同时，通过计算，我们熟悉了化工原理课程设计的 流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网 上资源，对前面所学课程知识有了更深入的了解和认识。但由于本课程设 计