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可编辑修改精选全文完整版实验四 传热实验一 实验内容测定单壳程双管程列管式换热器的总传热系数二 实验目的1 了解影响传热系数的工程因素和强化传热操作的工程途径。
2 学会传热过程的调节方法。
三 实验基本原理工业上大量存在的传热过程（指间壁式传热过程）都是由固体内部的导热及冷热流体与固体表面间的给热组合而成。
传热过程的基本数学描述是传热速率方程式和热量衡算式。
热流密度q 是反应具体传热过程速率大小的特征量。
对q 的计算需引入壁面温度，而在实际计算时，壁温往往是未知的。
为实用方便，希望避开壁温，直接根据冷热流体的温度进行传热速率计算在间壁式换热器中，热量序贯的由热流体传给壁面左侧、再由壁面左侧传导至壁面右侧、最后由壁面右侧传给冷流体。
在定态条件下，忽略壁面内外面积的差异，则各环节的热流密度相等，即q =Q A =T−T W 1ɑh =T W −t w δɑh =t w −t 1ɑc ①由①式可以得到q =T−t1ɑh +δh +1ɑc =推动力阻力 ②由上式，串联过程的推动力和阻力具有加和性。
上式在工程上常写为Q=KA(T-t) ③式中K=11ɑh +δh +1ɑc ④式④为传热过程总热阻的倒数，称为传热系数，是换热器性能好坏的重要指标。
比较①和④两式可知，给热系数α同流体与壁面的温差相联系，而传热系数K 则同冷热体的温差相联系。
由于冷热流体的温差沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷热流体的温度呈线性关系，故将③式中（T-t ）的推动力用换热器两端温差的对数平均温差来表示，即Q=KA Δt m ⑤热量衡算方程式Q=q mc C pc (t 2-t 1)=q mh C ph (T 1-T 2) ⑥KA Δt m = q mc C pc (t 2-t 1) ⑦Δt m =(T 1−t 2)−(T 2−t 1)ln T 1−t 2T 2−t 1 ⑧ K=qmcCpc(t2−t1)A Δtm ⑨在换热器中，若热流体的流量q mh 或进口温度T 1发生变化，而要求出口温度T 2保持原来数值不变，可通过调节冷却介质流量来达到目的。
管壳式换热器工艺设计说明书1.设计方案简介1.1工艺流程概述由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。
如图1，苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。
两物质在换热器中进行交换，苯从80℃被冷却至55℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。
图1 工艺流程草图1.2选择列管式换热器的类型列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。
其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料范围广，操作弹性也较大等。
因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。
如下图所示。
1.2.1列管式换热器的分类根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种：⑴固定管板式换热器固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。
两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。
其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。
固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。
固定板式换热器⑵浮头式换热器浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管、壳间不产生温差应力。
管束可以抽出，便于清洗。
但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。
浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。
⑶填料函式换热器填料函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。
但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。
⑷U形管式换热器U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。
其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。
化工原理课程设计管壳式换热器选型姓名：学号：10091693班级：工092指导老师：袁萍前言1.换热器的设备简介传热是热能从热流体间接或直接传向冷流体的过程。
其性质复杂，不但要考虑经过间壁的热传导，而且要考虑到间壁两边流体的对流传热，有时还须考虑到辐射传热。
在化学工业中常遇到的热交换问题，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。
其中间壁式换热器詹用量最大，据统计，这类换热器占总用量的99%。
间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设计资料基本齐全，在许多国家都有了系列化的标准。
因此，作为广泛应用于各个领域的工业设备，它在国民经济中具有非常重要的作用。
换热器（英语翻译：heat exchanger），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。
管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。
前3种应用比较普遍。
固定管板式换热器的结构：主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。
它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。
这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。
这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高及壳程介质清洁，不易结垢的场合。
在满足工艺过程要求的前提下，换热器应达到安全与经济的目标。
换热器设计的主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。
设计主要包括壳体形式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构、冷热流体的流动通道等工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。
西北大学化工学院列管式换热器的工艺设计说明书题目: 列管式换热器的工艺设计和选用课程名称: 化工原理课程设计专业: 化学工程与工艺班级: 09级学生姓名: 李哲学号: 2009115057指导教师: 吴峰设计起止时间：2012 年1月1日至2012 年 1月13日设计题目：列管式换热器的工艺设计和选用一、设计条件炼油厂用循环水将煤油油从230℃冷却到120℃。
柴油流量位28700kg/h；循环水初温为22℃，经换热后升温到46℃。
换热器的热损失可忽略。
管、壳程阻力压降不大于100kPa。
试设计能完成上述任务的列管式换换热器。
二、设计说明书的内容1、设计题目及原始数据；2、目录；3、设计方案的确定；4、工艺计算及主体设备设计；5、辅助设备的计算及选型；（主要设备尺寸、衡算结果等）；6、设计结果概要或设计结果汇总表；7、参考资料、参考文献；目录一．设计任务及设计条件 (3)二．设计方案 (3)1.换热器类型选择 (3)2.流程选择 (3)3.流向选择 (3)三．确定物性数据 (3)四．估算传热面积 (3)五．工艺结构尺寸计算 (3)1.管径及管内流速选择 (3)2.传热管数和传热管程数 (4)3.平均传热温差校正及壳程数 (5)4.传热管排列和分程方法 (5)5.壳体内径 (5)6.折流板 (5)7.其他主要附件 (6)8.接管 (6)9.壁厚的确定、封头 (7)六．换热器核算 (7)（一）.热流量核算 (7)1.壳程表面传热系数核算 (8)2.管程表面传热系数核算 (8)3.污垢热阻 (9)4.传热面裕度 (9)（二）传热管壁温及壳体壁温计算 (9)（三）阻力计算 (10)1.管程流体阻力计算 (10)2.壳程流体阻力计算 (10)七．换热器主要计算结果汇表 (11)八．主要符号说明 (11)九．换热器主要结构尺寸图和管子布置图 (12)十．参考文献 (15)一．设计任务及设计条件：用循环冷却水将流量为28700Kg/h 的煤油从230℃降至120℃，冷却水为清净河水，进口温度22℃，选定冷却水出口温度46℃，设计一台列管换热器完成冷却任务。
本科生通用题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）专业：应用化学班级：0703班姓名：肖黎鸿成绩：导师签字：2010年7月11日题目:单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）参数:要求要求每位学生在设计的过程中，充分发挥自己的独立工作能力及创造能力，在设计过程中必须做到：（1）及时了解有关资料，做好准备工作，充分发挥自己的主观能动性和创造性。
（2）认真计算和制图，保证计算正确和图纸质量。
（3）按预定计划循序完成任务。
日程安排：1.准备阶段（1天）2.设计计算阶段（3天）3.绘图阶段（4天）4.编写设计说明书（2天）目录1.绪论 (1)2．设计计算 (2)2.1管子数n的计算 (2)2.2管子排列方式，管间距的确定 (2)2.3壳体直径的确定 (2)2.4壳体厚度的计算 (2)2.5壳体液压试验应力校核 (3)2.6分程隔板的选择 (3)2.7封头的选择 (3)2.8法兰,管板的选择 (4)2.9垫片尺寸的确定 (5)2.10管子拉脱力的计算 (5)2.11是否安装膨胀节的计算 (6)2.12折流板设计 (7)2.13拉杆设计 (8)2.14开孔补强 (8)2.15支座 (9)3．设计评述 (10)4.参考文献 (11)附:设计结果一览表 (12)1.绪论热交换器，通常又称作换热器，是化工﹑炼油和食品及其他工业部门的通用设备，在生产中占有重要作用。
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，应用甚为广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可以分为三大类，及间壁式、混合式和蓄热式。
三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
本次设计的管壳式换热器就属于间壁式换热器的一种。
立式固定管板式换热器示意图2．设计计算2.1管子数n 的计算选25 ×2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长1.5m 。
因为F =πd 均Ln ，所以根均1045.10225.011=⨯⨯==ππL d F n2.2管子排列方式，管间距的确定本设计物料：管程氮气，壳程水，循环水工作温度90℃较高，不易结垢。
管壳式换热器设计参数的选择摘要：文章探讨了管壳式换热器设计过程中管箱、壳体、管束、折流板和防冲板等参数的选择，提出了对设计过程中常见问题的解决方案，可以为此类换热器的设计提供参考。
关键词：管壳式换热器，管箱，壳体，管束，折流板，防冲板，设计Parameters Determine in Shell-Tube Heat Exchanger DesigningZhou Hai-ge*, SUN Ai-jun(China Textile Industry Engineering Institute, Beijing 100037)Abstract: Parameters determine of tube box, shell, bundle, baffle and impingement in shell-tube heat exchanger designing is discussed in this article. Propose the solution to ordinary question in designing. It is can be the reference for this type exchanger designing.Keywords: shell-tube heat exchanger, tube box, shell, bundle, baffle, impingement, design引言管壳式换热器是石化行业中应用最广泛的间壁式传热型换热器，适用范围从真空到超高压（超过100MPa），从低温到高温（超过1100℃），约占市场多于65%的份额[1]，因此对于工程设计人员来说，管壳式换热器的设计十分重要。
管壳式换热器的主要组合部件包括壳体、前端管箱和后端结构（含管束）三部分。
管箱、壳体、管束、折流板、防冲板等设计参数决定了换热器的类型、规格及性能特点。
1. 管箱1.1 前端管箱的选择原则GB151中分别列出了A、B、C、N、D五种前端管箱型式[2]。
本科生通用题目：单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）专业：应用化学班级：0703班姓名：肖黎鸿成绩：导师签字：2010年7月11日题目:单壳程双管程管壳式换热器设计（立式）参数:要求要求每位学生在设计的过程中，充分发挥自己的独立工作能力及创造能力，在设计过程中必须做到：（1）及时了解有关资料，做好准备工作，充分发挥自己的主观能动性和创造性。
（2）认真计算和制图，保证计算正确和图纸质量。
（3）按预定计划循序完成任务。
日程安排：1.准备阶段（1天）2.设计计算阶段（3天）3.绘图阶段（4天）4.编写设计说明书（2天）目录1.绪论 (1)2．设计计算 (2)2.1管子数n的计算 (2)2.2管子排列方式，管间距的确定 (2)2.3壳体直径的确定 (2)2.4壳体厚度的计算 (2)2.5壳体液压试验应力校核 (3)2.6分程隔板的选择 (3)2.7封头的选择 (3)2.8法兰,管板的选择 (4)2.9垫片尺寸的确定 (5)2.10管子拉脱力的计算 (5)2.11是否安装膨胀节的计算 (6)2.12折流板设计 (7)2.13拉杆设计 (8)2.14开孔补强 (8)2.15支座 (9)3．设计评述 (10)4.参考文献 (11)附:设计结果一览表 (12)1.绪论热交换器，通常又称作换热器，是化工﹑炼油和食品及其他工业部门的通用设备，在生产中占有重要作用。
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，应用甚为广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可以分为三大类，及间壁式、混合式和蓄热式。
三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
本次设计的管壳式换热器就属于间壁式换热器的一种。
立式固定管板式换热器示意图2．设计计算2.1管子数n 的计算选25 ×2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长1.5m 。
因为F =πd 均Ln ，所以根均1045.10225.011=⨯⨯==ππL d F n2.2管子排列方式，管间距的确定本设计物料：管程氮气，壳程水，循环水工作温度90℃较高，不易结垢。
可暂不考虑机械清洗水垢的问题，故排列方式采用结构紧凑、传热系数较高的正三角形排列。
由《化工设备与仪表自动化》中表6-4得六角形层数为6，对角线上的管数为13，管子根数为127其中因安排拉杆需减少6根(参见2.12拉杆设计)，实际管数121根。
查表6-5，由管子外径25mm,可得管间距α=32mm 。
管子排列方式如右图： 2.3壳体直径的确定D i =a(b-1)+2l式中 D i —换热器内径，mmb —正六角形对角线上的管子数，查表6-4，取b=13 l —最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l =2d.mmD i 4852522)113(32=⨯⨯+-⨯=查《仪表设备及仪器自动化》P58表2-5，并结合壳体直径的计算，确定D i =500mm2.4壳体厚度的计算p c —计算压力，取p c =0.8MPa ；D i =500mm; 焊接系数φ=0.85; 材料选用Q235-B 钢，[σ]95℃=113Mpa 。
计算壁厚为mm p D p s c i c 09.28.085.011325008.0]2[t=-⨯⨯⨯=-=ϕσ取 c 2=1mm,由书中表4-7得c 1 =0.3mm圆整后实取S n =4mm 。
DN500,δ=4每米钢板质量为50kg 。
2.5壳体液压试验应力校核试验压力MPa p p tT 0.11131138.025.1][][25.1=⨯⨯==σσ故：()()MPa S S D p e e i T T 1.93)3.14(2)3.14(5000.12=-⨯-+⨯=+=σQ235-B 在常温时MPa s 235=σ,MPa s 78.17923585.09.09.0=⨯⨯=ϕσ,s T ϕσσ9.0<, 故液压试验应力校核合格。
2.6分程隔板的选择分程隔板应采用与封头、管箱短节相同材料，故材料选用Q235-B 。
要求隔板的密封面与壳体法兰密封面，管板密封面与分程槽面须处于同一基面。
分程隔板槽深度为4mm ，槽宽12mm 。
其结构相见装配图。
查《化工单元过程及设备课程设计》表4-1得分程隔板的最小厚度为8mm 2.7封头的选择上下封头均选用EHA 椭圆封头，其厚度与壳体厚度相同，材料选用Q235-B钢。
2.8法兰,管板的选择容器法兰材料选16MnR。
根据JB4701—2000标准，选用DN500，PN1.6(MPa)的甲型平密封面法兰。
DN25(100)PN＜4MPa管法兰的接管伸出长度为150mm。
容器法兰的主要尺寸如下表：公称直径DN，mm法兰，mm 螺柱D D1D2D3D4δ d 规格数量500 630 590 555 545 542 44 23 M20 28 其密封面结构如下图所示：选用固定式换热器管板，不兼做法兰，换热管与管板的连接采用先焊后强度胀的连接形式，考虑到胀接结构要求，此次管板的厚度取30mm 。
实际上，管板的厚度应按GB151-1991进行强度计算，但由于计算复杂，在此不进行具体的校核。
2.9垫片尺寸的确定由于与壳体接触的介质仅为冷却水，对密封的要求一般，因此密封垫片选用价格相对较低的石棉橡胶片。
根据JB/T4704—1992及所选的DN500，PN1.6(MPa)甲型平焊法兰。
垫片尺寸如下表：（单位：mm ）2.10管子拉脱力的计算计算数据如下表p ld pfq p 0π=式中)(39625432866.04866.022202mm d a f =⨯-⨯=-=ππp =1.1(MPa)； l =40mmMPa q p 14.040253961.1=⨯⨯⨯=πB.温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力l d d d q i t t 02204)(-=σ式中st s l t A A t t aE +-=1)(σ2n 24.633042508500S mm D A s =⨯+⨯=⨯=ππ中 222220625.21371)6127()2025(4)(4mm n d d A it =-⨯-⨯=-=ππ 则)(47.4224.6330625.213711751021.0108.1166MPa t =+⨯⨯⨯⨯=-σ )(91.150254)2025(47.4222MPa q t =⨯⨯-⨯=由已知条件可知，q p 与q t 的作用方向相同，都使管子受压，则合拉脱力为MPa q q q t p 05.291.114.0=+=+= q <[q ]=4.0(MPa) 因此，拉脱力在许用范围内。
2.11是否安装膨胀节的计算 管，壳壁所产生的轴向力：)(1008.9625.2137124.6330625.2137124.6330751021.0108.11)(5661N A A A A t t aE F t s t s s l ⨯=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=⋅⋅+-=-压力作用于壳体上的轴向力：t s sA A QA F +=2其中lt t s i p S d n p nd D Q ])2()[(420202⋅-+⋅-=π)(1038.1]1.1)5.2225(1217.0)25121500[(45222N Q ⨯=⨯⨯-⨯+⨯⨯-=π则N F 55210315.0625.2137124.633024.63301038.1⨯=+⨯⨯=压力作用于管子上的轴向力：N A A QA F t s t 55310065.1625.2137124.6330625.213711038.1⨯=+⨯⨯=+=)(41.14824.633010315.01008.95521Mpa A F F s s =⨯+⨯=+=σ)(50.37625.2137110065.11008.95531MPa A F F t t -=⨯+⨯-=+-=σ根据《钢制管壳式换热器设计规定》：)(180][241.148MPa MPa t s s =〈=σφσ )(206][250.37Mpa MPa l t t =〈=σσq <[q ]=4.0(MPa)条件成立，故本换热器不必设置膨胀节。
2.12折流板设计折流板为单弓形，切缺率（切掉圆弧的高度与壳体内径百分比）为20%~49%，通常为20%~25%，最佳大小一般为20%，此时单位压降下的传热膜系数最高。
切掉圆弧的高度mmD h i 1002.0500%20=⨯=⨯=实际应用中，单弓形折流板间距B=(0.2-1.0)D i ，以0.4~0.5最优。
取B=0.5D i=250mm 。
折流板数5125015001=-=-=折流板间距传热管长B N折流板最小厚度与壳体直径、换管无支承板有关，由书中表6—6查得为3mm 。
由表6—8查得折流板外径496.5mm,材料为Q235—B 钢。
按GB151规定，I 级换热器由于d<32mm,l =1500>900mm,故折流板管孔直径与允许偏差分别为25.4mm 和0.3mm 。
弓形缺口为上下布置，以造成流体剧烈扰动，增大传热系数。
2.13拉杆设计由于换热管外径大于19mm，故拉杆采用拉杆定距管的形式。
根据《过程设备机械设计》中表5-6，拉杆选用Φ10，共6根，材料为Q235—B钢，如图所示：由GB151-1999表45查得，拉杆的主要尺寸如下表：拉杆螺纹公称直径d n /mm 数量基本尺寸拉杆直径d/mmL a /mm L b /mm b/mm10 6 10 13 ≥40 1.5选用定距管规格为φ25×2.5(碳钢20)，共6根。
拉杆孔见上图：d n=10mm, L2=1.5×d n=15mm2.14开孔补强换热器壳体和封头的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器的材料和厚度相同，即4mm厚的Q235—B钢板。
开孔补强如下图。
2.15支座采用裙座，裙座厚度取S c=8mm,基础环厚度取10mm。
设计结果，见所绘的换热器装配图。
3．设计评述本次设计的单壳程双管程管壳式换热器，其两端与壳体连为一体，管子则固定于管板上，其结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑。
考虑到清洗和整体结构的要求，由于壳程介质清洁，故采用结构紧凑，传热系数较高的正三角形排列。
在壳体设计时增加了液压试验应力校核，以确保在运行中的安全。
但并未对封头、法兰、管板、换热管等受力元件进行强度计算。
封头，容器法兰、管板，垫片，拉杆的选择均参照国家标准GB151-1999，但封头直边高度的选择并未依据其厚度而选择。
由于压力不高、气密性要求较高，故封头与壳体的连接结构采用平垫密封结构。
管板不兼做法兰，采用焊接的方式与壳体连接。
管子与管板的连接形式采用胀焊、焊接和胀接并用，兼顾胀接的密封性好和焊接强度高的特点。
