XXXX 学院学院 化工原理化工原理 课课程程设计说设计说明明书书 设计题目设计题目 正戊烷冷凝器 学生姓名学生姓名 XX 指导老师指导老师 学学 院院 专业班级专业班级 完成时间完成时间 I 目目 录录 化工原理课程设计说明书1 第一章 概 述1 1.1 换热器简介 .1 1.2 列管式换热器的种类 .1 1.3 列管式换热器的设计步骤 .2 第二节 设计方案的确定3 2.1 流动空间的选择 .3 2.1.1 宜于通入管内空间的流体3 2.1.2 易于通入管间空间的流体3 2.2.流速的确定 4 2.3 加热剂、冷却剂的选择4 2.4 流体出口温度的确定 .4 2.5 材质的选择 .4 第三节 列管式换热器的结构5 3.1 管程结构 .5 3.1.1 换热管布置和排列间距5 3.1.2 管板5 3.1.3 封头和管箱5 3.2 壳程结构 .5 3.2.1 壳体6 3.2.2 折流板6 3.2.3 缓冲板6 3.2.4 其他主要附件6 第四节 换热器的设计计算7 4.1 确定设计方案 .7 4.11 选择换热器的类型7 4.12 流动空间及流速的确定7 II 4.2 确定物性数据 .8 4.3 计算总传热系数 .8 4.3.1 热负荷.8 4.3.2.平均传热温差.9 4.3.3 假设总传热系数 K.9 4.4 计算传热面积 .9 4.5 换热器核算 .10 4.5.1 热量核算.10 4.5.2换热器内流体的流动阻力.11 参考文献14 设计心得15 1 第一章 概 述 1.1 换热器简介 不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热 器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流 体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热 的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的差别。 英语翻译：heat exchanger 换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中 占有重要地位.换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一 些新型高效换热器相继问世。 列管式换热器的应用已有很悠久的历史。现在，它被当作一种传统的标准 换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所 使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。同时板式换热器也已成为 高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。 1.2 列管式换热器的种类 列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有 以下几种： 1 固定管板式换热器： 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此 种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖， 顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。 同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。 因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差 应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差 50 以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）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。一般壳程压强 超过 0.6Mpa 时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其 2 他结构。 2 浮头式换热器： 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使 管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头” ，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗； 管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与 壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。 3 填料函式换热器： 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式 低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒 的介质。 4 U 型管式换热器： U 形管式换热器，每根管子都弯成 U 形，两端固定在同一块管板上，每根 管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清 洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上 排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。 1.3 列管式换热器的设计步骤 本设计按以下几个阶段进行： （1）设计方案确定和说明。根据给定任务，对列管式换热器的操作条件、 主要设备型式及其材质的选取等进行论述 （2）列管式换热器的工艺计算。 （3）列管式换热器设计：计算列管式换热器各主要工艺尺寸，进行流体力 学校核计算，并画出列管式换热器的操作性能图。 （4）抄写说明书。 （5）绘制列管式换热器的设备图。 3 第二节第二节 设计方案的确定设计方案的确定 2.1 流动空间的选择 在管壳式换热器的计算中，首先需决定和中流体走管程，何种流体走壳程， 这需遵守一些一般原则。 （1）应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。 （2）在运行高温的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置， 应尽量减少其冷量损失。 （3）管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 （4）应减小管子的壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说，顺 流式就是优于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较平均，不像逆流式 那样，热、冷流体的高温部分均集中于一端，易于因两端涨缩不同而产生 热应力。 （5）对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄漏，应特别注意其密封，密 封不仅要可靠，而且还应要求方便及简单。 （6）应尽量避免采用贵金属，以减低成本。 2.1.1 宜于通入管内空间的流体 （1）不洁净的流体。 （2）体积小的流体。 （3）有压力的流体。 （4）腐蚀性强的流体。 （5）与外界温差大的流体。 2.1.2 易于通入管间空间的流体 （1）当两流体温度相差较大时，a 值大的流体走管间。 （2）若两流体给热性能相差较大时 a 值小的流体走管间。 （3）饱和蒸汽。 （4）黏度大的流体。 （5）泄漏后危险性大的流体。 4 2.2.流速的确定 当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使患热面积减 少、结构紧凑、成本降低，一般也可以抑制污垢的产生。但流速大也会带来一 些不利的影响，诸如压强降 p 增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲刷。 换热器常用流速的范围见下表 换热器常用流速的范围 循环水新鲜水一般液 体 易结垢液 体 低黏度 油 高黏度 油 气体 管程流速， m/s 1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530 壳程流速, m/s 0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215 2.3 加热剂、冷却剂的选择 在换热过程中加热剂和冷却剂的选用根据实际情况而定。除应满足加热和 冷却温度外，还应考虑来源方便，价格低廉，使用安全。在化工生产中常用的 加热剂有饱和水蒸气、导热油，冷却剂有水。 2.4 流体出口温度的确定 工艺流体的进出口温度是由工艺条件决定的，加热剂或冷却剂的进出口温 度也是确定的，出口的温度是由设计者自己确定的。该温度直接影响加热剂或 冷却剂的消耗和换热器的大小，所以此温度的确定有一个优化问题。 2.5 材质的选择 在进行换热器设计时，换热器各种零件部件的材料，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。 还要考虑材料的经济合理性。 一般换热器常采用的材料，有碳钢和不锈钢。碳钢价格低，强度较高对碱 性介质的化学腐蚀比价稳定，很容易被酸腐蚀在无耐腐蚀性要求的环境中应用 合理。不锈钢具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。 5 第三节第三节 列管式换热器的结构列管式换热器的结构 3.1 管程结构 介质流经传热管内的通道部分称为管程。 3.1.1 换热管布置和排列间距 常用换热器规格有 19*2mm、25*2mm、25*2.5mm.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。 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，固定板管式 多彩用正三角形排列。 3.1.2 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割开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。焊接法在高温高压条件下能保证接头的 严密性。 管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种。固定管板常采用不可拆 连接。 3.1.3 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。 （2）管箱 壳径较大的换热器大多采用管箱结构。 （3）分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。 3.2 壳程结构 换热器介质流经传热管外面的通道部分称为壳程 。 壳程内的结构，主要有折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等 元件组成。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳 侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板： 另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板 6 等。 3.2.1 壳体 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。 壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求是，大多考虑使用符合金属板。介质 在壳程的流动方式有多种型式。 3.2.2 折流板 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向刘国管束，增 加流体流速，以增强传热；同时支撑起管束、防止管束震动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、防止管束震动和孔流型等。 圆缺型折流板又称弓形折流板是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两 种。环盘型折流板是由圆板和环形组成，压降较小，但传热也差些。孔流型折 流板使流体穿过穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，压降大，仅适用于清洁 流体。 3.2.3 缓冲板 在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。它可以防止进口流体直接 冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。 也有在管束两端放置导流筒，不仅起防冲板的作用，还可以改善两端流体的分 布，提高传热效率。 3.2.4 其他主要附件 （1）旁通挡板 （2）假管 （3）拉杆和定距管 7 第四节第四节 换热器的设计计算换热器的设计计算 一、设计题目: 正戊烷冷凝器的设计 二、设计条件 1、处理量能力：2.0104t/a 2、设计型式：立式列管式换热器 3、操作条件： （1）正戊烷：冷凝温度为 51.7，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器； （2）冷却介质：地下水，流量为 7000kg/h，入口温度：22 （3）允许压强降：不大于 105Pa （4）每年按 330 天计，每天 24h 连续进行。 故处理量为： hkg/25.2525 24330 1020000 3 4.1 确定设计方案 4.11 选择换热器的类型 入口温度为，出口温度为C22 1 t （4-1） 1 2 2 1 2 t cq rq t p m m 式中kg/s70 . 0 kg/h25.252524330/10102 34 1 s m C08.2522 183 . 4 70000 4 .35725.2525 2 t 地下水的定性温度为C54.232/08.2