化工原理课程设计任务书专业班学生姓名学号：材化学院设计题目：：列管式换热器设计年月年日设计时间：200日一200月一指导老师：吴世彪设计任务：某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表，两侧的污垢热阻均可取1.72×10-m2.K/W，换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度c=0.1mm，要求两侧的阻力损失均不超过0.3×105Pa。试设计一台适当的列管式换热器。(y:学号后2位数字)温度℃工作比质量流量热密度导热系数粘度物料压力入口出口kg/hkJ/(kg℃)kg/m3W/(m-℃)Pa's柴油175T22.487150.64×10-3常压34000+100*y0.133原油7011044000+150*y2.208150.1283.0×10-3常压设计内容：(1）设计方案的确定及流程说明(2）换热面积的估算（3）管子尺寸及数目计算（4）管子在管板上的排列(5）壳体内径的确定(6）附件设计(选型)（7）换热器校核（包括换热面积、压力降等）（8）设计结果概要或设计一览表（9）对本设计的评述或有关问题的分析讨论(10)参考文献图纸要求：1、换热器化工设备图（1#图纸）安徽建筑工业学院材化学院化工系1
1 化工原理课程设计任务书 材化学院 专业 班 学生姓名 学号： 设计题目： 列管式换热器设计 设计时间： 200 年 月 日—— 200 年 月 日 指导老师：吴世彪 设计任务： 某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表, 两侧的污垢热阻均可取 1.72×10-4m2·K/W，换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度 ε=0.1mm，要求两侧的阻力损失 均不超过 0.3×105Pa。试设计一台适当的列管式换热器。(y:学号后 2 位数字) 物料 温 度 ℃ 质量流量 kg/h 比 热 kJ/(kg·℃) 密 度 kg/m3 导热系数 W/(m·℃) 粘度 Pa·s 工作 入口 出口 压力 柴油 175 T2 34000+100*y 2.48 715 0.133 0.64×10-3 常压 原油 70 110 44000+150*y 2.20 815 0.128 3.0×10-3 常压 设计内容： (1) 设计方案的确定及流程说明 (2) 换热面积的估算 (3) 管子尺寸及数目计算 (4) 管子在管板上的排列 (5) 壳体内径的确定 (6) 附件设计(选型) (7) 换热器校核（包括换热面积、压力降等） (8) 设计结果概要或设计一览表 (9) 对本设计的评述或有关问题的分析讨论 (10)参考文献 图纸要求：1、换热器化工设备图（1＃图纸） 安徽建筑工业学院材化学院化工系
目录第一章文献综述第一节概述、换热器的概念二、换热器的分类三、列管式换热器的标准简介四、列管式换热器选型的工艺计算步骤第二节换热器设备应满足的基本要求·…一、合理的实现所规定的工艺条件二、安全可靠性三、安装、操作及维护方便四、经济合理第三节列管式换热器结构及基本参数一、管束及壳程分程二、传热管三、管的排列及管心距四、折流板和支撑板五、旁路挡板和防冲挡板六、其他主要附件七、列管式换热器结构基本参数第四节设计计算的参数选择一、冷却剂和加热剂的选择二、冷热流体通道的选择三、流速的选择四、流向的选择第二章列管式换热器的设计计算第一节换热面积的估算一、计算热负荷二、估算传热面积第二节换热器及主要附件的试选一、试选管型号二、换热器结构一些基本参数的选择第三节换热器校核一、核算总传热系数二、核算压强降第四节设计结果一览表第五节设计总结及感想一、设计总结二、感想参考文献2
2 目录 第一章 文献综述····················································································· 第一节 概述···················································································· 一、换热器的概念 二、换热器的分类 三、列管式换热器的标准简介 四、列管式换热器选型的工艺计算步骤 第二节 换热器设备应满足的基本要求····················································· 一、合理的实现所规定的工艺条件 二、安全可靠性 三、安装、操作及维护方便 四、经济合理 第三节 列管式换热器结构及基本参数····················································· 一、管束及壳程分程 二、传热管 三、管的排列及管心距 四、折流板和支撑板 五、旁路挡板和防冲挡板 六、其他主要附件 七、列管式换热器结构基本参数 第四节 设计计算的参数选择 ································································ 一、冷却剂和加热剂的选择 二、冷热流体通道的选择 三、流速的选择 四、流向的选择 第二章 列管式换热器的设计计算 ································································· 第一节 换热面积的估算······································································· 一、计算热负荷 二、估算传热面积 第二节 换热器及主要附件的试选···························································· 一、试选管型号 二、换热器结构一些基本参数的选择 第三节 换热器校核············································································· 一、核算总传热系数 二、核算压强降 第四节 设计结果一览表······································································· 第五节 设计总结及感想······································································· 一、设计总结 二、感想 参考文献···························································································
第一章文献综述(略)第二章列管式换热器的设计计算第一节换热面积的估算一、计算热负荷(不考虑热损失)由于设计条件所给为无相变过程。由设计任务书可知热负荷为Q=W激油Cp原油(t2-ti)=(50000/3600)X2.20X1000X(110-70)=1222222W由热量守恒可计算柴油出口温度T2Q=W柴油Cp柴油(Ti-T2)=(38000/3600)X2.48×1000×(175-T2)=1222222WT2=128.31℃二、计算平均温度差：△ ti=175-110=65℃At2=128.31-70=58.31℃逆流温度差A - At2 - 65- 58.31 = 61.6 °℃Atm65AIn In58.31At2三：确定流体走向由于原油温度低于柴油，为减少热损失和充分利用柴油的热量，选择原油走壳程，柴油走管程。四．换热面积估算由《化工原理课程设计》的表4-6，取K估=200W/（m2·℃）.先假设换热器为单管程、单壳程的，且冷热流体逆流接触。则A估=Q/(K估X△t逆）=1222222/(200X61.6)=99.2m2预先估算传热面积为99.2m2。五、选柴油的流速为u=lm/s取换热管的规格为Φ25×2.5mm碳素钢管（8.3kg/6m）。估算单管程的管子根数W柴油38000×4n:=47.02～47根。元a?u3600×715×3.14×(0.02)213600×P柴油×4根据传热面积A估计算管子的长度L，有A话99.2L'==26.927md，n3.14×0.025×47式中：d----换热管的内径，为0.02mdo----换热管的外径，为0.025m五、管程数Nt的确定由于L数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选择管程的长度为6m，则Nt=L/6=27/6=4.5～4.（管程数通常选择偶数）六、校正温度差R=(T,-T2)/(t2-t.)=(175-128.31)/(110-70)=1.167P=(t2t,) / (T,-t.)=(110-70) / (175-70)=0. 3813
3 第一章 文献综述(略) 第二章 列管式换热器的设计计算 第一节 换热面积的估算 一、计算热负荷(不考虑热损失) 由于设计条件所给为无相变过程。由设计任务书可知热负荷为 Q = w 原油 Cp 原油(t2-t1) = (50000/3600)×2.20×1000×(110-70)= 1222222W. 由热量守恒可计算柴油出口温度 T2 Q = w 柴油 Cp 柴油(T1-T2) = (38000/3600)×2.48×1000×(175-T2)=1222222W T2=128.31℃ 二、计算平均温度差： Δt1=175-110=65℃ Δt2=128.31-70=58.31℃ 逆流温度差 61.6 58.31 65 ln 65 58.31 ln t 2 1 1 2 m = − = − = t t t t 逆 ℃ 三．确定流体走向 由于原油温度低于柴油，为减少热损失和充分利用柴油的热量，选择原油走壳 程，柴油走管程。 四．换热面积估算 由《化工原理课程设计》的表 4-6，取 K 估=200W/(m2·℃). 先假设换热器为单管程、单壳程的，且冷热流体逆流接触。则 A 估=Q/(K 估×Δtm 逆)=1222222/(200×61.6)=99.2m 2 . 预先估算传热面积为 99.2 m 2。 五、选柴油的流速为 u1=1m/s 取换热管的规格为Φ25×2.5mm 碳素钢管(8.3kg/6m)。估算单管程的管子根数 1 2 d1 u 4 3600 ' = 柴油 w柴油 n = 3600 715 3.14 (0.02) 1 38000 4 2 =47.02≈47 根。 根据传热面积 A 估计算管子的长度 L’,有 m A L 26.9 27 3.14 0.025 47 99.2 d n' ' 2 = = = 估 式中：d1-换热管的内径，为 0.02m d0-换热管的外径，为 0.025m 五、管程数 Nt 的确定 由于 L’数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选择管 程的长度为 6m，则 Nt=L’/6=27/6=4.5≈4.(管程数通常选择偶数) 六、校正温度差 R=(T1-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167 P=(t2-t1)/(T1-t1)=(110-70)/(175-70)=0.381
根据R，P的值，查化工原理教材中图4-25（a），得温度校正系数β=0.91》0.9，说明换热器采用单壳程，四管程的结构是合适的。△t.=ΦX△ta逆=0.91*61.6=56.06℃。七、求实际换热面积A实际换热管数为n×Nt=47×4=188根。A实际=L×（元×d）Xn=6X×（3.14×0.025）×188=88.55m2实际换热面积为88.55m.八、选择换热器壳体尺寸选择换热管为三角形排列，换热管的中心距为t=32mm。横过管束中心线的管数：n。=1.1/n=1.1×/188=15.1~16最外层换热管中心线距壳体内壁距离：b=(1——1.5)d。，此处b'取一倍do，即b=0.025m壳体内径：D=t(n。-1)+2b=0.032x15+2×0.025=0.53m圆整后，换热器壳体圆筒内径为D=550mm，壳体厚度选择8mm。长度定为5996mm。壳体的标记：筒体DN5508=8L=5910。筒体材料选择为Q235-A，单位长度的简体重110kg/m，壳体总重为110*（5.910-0.156)=632.94kg。（波形膨胀节的轴向长度为0.156m，见本设计设备图)九、确定折流挡板形状和尺寸选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为540mm，厚度为6mm。缺口弓形高度为圆形板直径的约1/4，本设计圆整为120mm。折流挡板上换热管孔直径为25.6mm，共有188-22-13/2=159.5个；拉杆管孔直径为16.6mm，每个折流挡板上有4个。折流挡板上的总开孔面积=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2。折流挡板的实际面积=191126.3264-82963.2972=108163.0292mm，重量为5.1kg。选择折流挡板间距h=400mm。折流挡板数Ng=L/h-1=6000/400-1=14块.换热管排列的横截面如下图所示：4
4 根据 R，P 的值，查化工原理教材中图 4-25(a)，得温度校正系数 φ=0.91 > 0.9,说明换热器采用单壳程，四管程的结构是合适的。 Δtm=φ×Δtm 逆=0.91*61.6=56.06℃。 七、求实际换热面积 A 实际 换热管数为 n’ ×Nt=47×4=188 根。 A 实际=L×(π×d0) ×n’=6×(3.14×0.025)×188=88.55m 2 . 实际换热面积为 88.55m 2 . 八、选择换热器壳体尺寸 选择换热管为三角形排列，换热管的中心距为 t=32mm。横过管束中心线的管数： nc =1.1 n =1.1 188 =15.116 最外层换热管中心线距壳体内壁距离：b'=(1——1.5)d0 ，此处 b’取一倍 d0， 即 b'=0.025m 壳体内径： D t(nc 1) 2b 0.032 15 2 0.025 0.53m ' = − + = + = 圆整后，换热器壳体圆筒内径为 D=550mm，壳体厚度选择 8mm。长度定为 5996mm。 壳体的标记：筒体 DN550 δ=8 L=5910。 筒 体 材 料 选 择 为 Q235-A ， 单 位 长 度 的 筒 体 重 110kg/m, 壳 体 总 重 为 110*(5.910-0.156)= 632.94kg。(波形膨胀节的轴向长度为 0.156m，见本设计设备 图) 九、确定折流挡板形状和尺寸 选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为 540mm,厚度为 6mm。缺口弓 形高度为圆形板直径的约 1/4，本设计圆整为 120mm。折流挡板上换热管孔直径 为 25.6mm，共有 188-22-13/2=159.5 个；拉杆管孔直径为 16.6mm，每个折流挡 板上有 4 个 。 折 流 挡 板 上 的 总 开 孔 面 积 =159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2 。 折 流 挡 板 的 实 际 面 积 =191126.3264-82963.2972 = 108163.0292 mm 2，重量为 5.1kg。选择折流挡板 间距 h=400mm。折流挡板数 NB =L/h-1=6000/400-1=14 块.换热管排列的横截面 如下图所示:
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX图中圆环形的部切面表示换热器壳体的部面.换热管分为四个管程，每个管程47根换热管（图中各个小菱形的顶点表示换热管横截面的中心）图中8个"十"字形表示拉杆的开孔，拉杆直径为16mm.十、波形膨胀节冷流体原油为黏度较高的流体，其定性温度为（110*0.4+70*0.6）=86℃；热流体柴油的定性温度为（175*0.5+128.31*0.5）=87.5+64.155=151.66℃：冷热流体的定性温度差=151.66-86=65.66℃>50℃，所以换热器壳体上要安装波形膨胀节。波形膨胀节的壁厚与壳体相同，为8mm。根据换热器壳体的公称直径550mm，可知波形膨胀节的公称直径也是550mm，根据公称直径，查《化工设备机械基础》（化学工业出版社，2008）书中表16-9的对应条目，获得波形膨胀节的具体尺寸（见换热器设备图)。单个波形膨胀节的质量=4579586.3154mm×7.8×10×10kg·mm=35.721kg。十一、传热系数K的计算1.管程对流传热系数αi换热管内柴油流速：W柴油/36004x380001.00m/su, =xd?×P袋油×n3600×3.14×0.022×715×474d,uP柴油_0.02×1.00×715=22344,雷诺数Re，0.64×10-3CpA_2.48×103×0.64×10-3普兰德数Pr==11.93,0.1335
5 图中圆环形的剖切面表示换热器壳体的剖面.换热管分为四个管程,每个管程 47 根换热管(图中各个小菱形的顶点表示换热管横截面的中心).图中 8 个”十”字形 表示拉杆的开孔,拉杆直径为 16mm. 十、波形膨胀节 冷流体原油为黏度较高的流体，其定性温度为（110*0.4+70*0.6）=86℃; 热流体柴油的定性温度为（175*0.5+128.31*0.5）=87.5+64.155=151.66℃. 冷热流体 的定性温度差=151.66-86=65.66℃>50℃,所以换热器壳体上要安装波形膨胀节。波 形膨胀节的壁厚与壳体相同，为 8mm。根据换热器壳体的公称直径 550mm，可知波形 膨胀节的公称直径也是 550mm，根据公称直径，查《化工设备机械基础》(化学工业 出版社，2008)书中表 16-9 的对应条目，获得波形膨胀节的具体尺寸(见换热器设备 图)。 单个波形膨胀节的质量=4579586.3154mm 3×7.8×10-3×10-3 kg·mm -3 =35.721kg。 十一、传热系数 K 的计算 1．管程对流传热系数 αi 换热管内柴油流速： 1.00m/s 3600 3.14 0.02 715 47 4 38000 d n 4 / 3600 2 2 1 1 = = = ’ 柴油 柴油 w u 雷诺数 22344 0.64 10 0.02 1.00 715 Re 3 1 1 1 1 = = = − d u 柴油 ， 普兰德数 11.93 0.133 2.48 10 0.64 10 Pr 3 3 1 1 1 1 = = = − c p