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化工原理课程设计__换热器

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一、设计任务书

二、确定设计方案

选择换热器的类型

本设计中空气压缩机的后冷却器选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于下列情况：①温差不大；②温差较大但是壳程压力较小；③壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第②种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。

采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。

本设计中的固定管板式换热器采用的材料为钢管(20R钢)。

流动方向及流速的确定

本冷却器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。根据的原则有：

（1）因为热空气的操作压力达到，而冷却水的操作压力取，如果热空气走管内可以避免壳体受压，可节省壳程金属消耗量；

（2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。

（3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。

查阅《化工原理（上）》P201表4－9 可得到，热空气的流速范围为5～30

m·s-1；冷却水的流速范围为～ m·s-1。本设计中，假设热空气的流速为8 m·s-1，然后进行计算校核。

安装方式

冷却器是小型冷却器，采用卧式较适宜。

三、设计条件及主要物性参数

设计条件

由设计任务书可得设计条件如下表：

类型 体积流量

（标准m3/min） 进口温度

（℃） 出口温度

（℃） 操作压力

（Mpa） 设计压力

（Mpa）

空 气（管内） 15 148 42

冷却水（管外） － 25 33 空气

水 水

空气 参 数 注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全，必须使设计压力比最大操作压力略大，本设计的设计压力比最大操作压力大。

确定主要物性数据

3.2.1定性温度的确定

可取流体进出口温度的平均值。管程气体的定性温度为

95242148T ℃

壳程水的定性温度为

2923325t ℃

3.2.2流体有关物性数据

根据由上面两个定性温度数据，查阅《化工原理（上）》P243的附录六：干空气的物理性质（）和P244的附录七：水的物理性质。运用内插法（公式为()/()bababavgbyyyytttt ）,可得壳程和管程流体的有关物性数据。

空气在95℃，下的有关物性数据如下：

物性 密度ρi

（kg/m3） 定压比热容cpi

[kJ/(kg℃)] 粘度μi

（Pa·s） 导热系数λi

（W·m-1·℃-1）

空气 ×10-5

水在29℃的物性数据如下：

物性 密度ρo

（kg/m3） 定压比热容cpo

[kJ/(kg℃)] 粘度μo

（Pa·s） 导热系数λo

（W·m-1·℃-1）

水 ×10-4

注：空气的物性受压力影响较大，而水的物性受压力影响不大。空气密度校正，由《化工原理实验》P31，公式2-36得：

ρi＝T273273'PP＝××273/(273+95)＝ kg·m-3

四、传热过程工艺计算

估算传热面积

4.1.1热流量

空气的质量流量为 m i = 60 Vi’ Ai(0℃,1atm)=60×83×= kg/h

根据《流体力学（上）》P177，公式（4-109），热流量为

Q i = mi Cpi (T1－T2) =××（148－42）

=×105 kJ/h = ×105 W

4.1.2平均传热温差

根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-11，

mt=

12211221ln)()(tTtTtTtT= Ai(0℃,1atm)=51.26℃

4.1.3传热面积 由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设Ki‘=200

W·m-2·℃-1。根据《传热传质过程设备设计》P14，公式1-2，则估算的传热面积为

66.1826.51200191300tm'iiKQS m2

4.1.4冷却水用量

根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-8

mo =206202533175.4106.887)(512）（ttcQpoi kg/h

主体构件的工艺结构尺寸

4.2.1管径和管内流速

选用φ25×的传热管(碳钢管)；由《传热传质过程设备设计》P7表1－3得管壳式换热器中常用的流速范围的数据，可设空气流速ui＝8m/s，用u i

计算传热膜系数，然后进行校核。

4.2.2管程数和传热管数

依《化工单元过程及设备课程设计》P62，公式3-9可依据传热管内径和流速确定单程传热管数

226439.14/(11.363600630.7850.02084isiiVndu）(根)

按单程管计算，所需的传热管长度为

72.463020.014.366.18sindSLm

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= 3 m ，则该换热器管程数为

Np=L / l=3≈2（管程）

传热管总根数 N = 63×2= 126 （根）。

单根传热管质量0mld钢＝7850×3×××=

4.2.3 平均传热温差校正及壳程数

依《化工单元过程及设备课程设计》P63，公式3-13a和3-13b，

平均传热温差校正系数

R＝1221ttTT＝＝

P＝1112tTtt＝332514825＝

依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-13，

温度校正系数为 t112RR×)11(2)11(2ln11ln22RRPRRPPRP

＝213.25113.251×2210.065ln10.06513.2520.065(113.2513.251)ln20.065(113.2513.251)≈

依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-14，

平均传热温差校正为

△tm=t×△tm’ =×=( ℃ )

由于平均传热温差校正系数大于，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

4.2.4 传热管的排列和分程方法

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。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，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，相同的壳程内可排列更多的管子。查《热交换器原理与设计》P46，表2-3 管间距，取管间距：t ＝32 mm 。

由《化工原理上册》P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为

1.1enn=×126≈13根

由《化工单元过程及设备课程设计》P67，公式3-16，

隔板中心到离其最近一排管中心距离

S=t/2+6=32/2+6=22 mm

取各程相邻管的管心距为44mm。

4.2.5 壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η=，由《流体力学与传热》P206，公式4-115，得壳体内径为

Di =/n=×32×126/0.7=450.8 mm ,

查阅《化工原理（上）》P275，附录二十三：热交换器，取Di =450mm。

4.2.6折流板

采用弓形折流板，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h=×450= mm ，故可取h=110 mm。

取折流板间距B=，则B=×450=180 mm。

取板间距H＝150mm，则：

折流板数 NB=折流板间距传热管长－1=3000150－1=19 块

折流板圆缺面水平装配。

换热器主要传热参数核算 4.3.1热量核算

(1)壳程对流传热系数

对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由《流体力学与传热》P164，公式4-60、4-61，得

ho = 14.03/155.0)(PrRe36.0woeodμμλ

其中：

①当水做冷却剂时，粘度校正为14.0)(woμμ=

②当量直径，管子为正三角形排列时，依《化工单元过程及设备课程设计》P72，公式3-22得

de＝2234()24ootddππ

＝2234(0.0320.025)243.140.025π＝ m

③壳程流通截面积，由《流体力学与传热》P164，公式4-62，得

So = BD(1－tdo)=××（1－0.0250.032）＝0.0148 m2

④壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为

uo＝ooSV =20620/(3600996.0)0.0148＝0.389 m/s

Reo＝oeooduμρ＝996.00.3890.02020.000821＝

⑤普朗特准数（P26，公式1-43）

Pr＝oopoc =41750.0008210.0601=

因此，壳程水的传热膜系数ho为

ho = 0.551/30.140.6010.369532.7357.031.050.0202

= W/(m2·℃)

(2)管程对流传热系数

由《流体力学与传热》P158，公式4-52a、4-52b，得

hi =

iid其中： ①管程流通截面积

Si =242idn•=23.140.0212642=0.0198 m2

②管程空气的流速及其雷诺数分别为

ui＝iiSV =6439.14/(360011.36)0.0198＝7.95 m/s

Re＝iiiiduμρ＝511.367.950.022.1710＝8.

③普兰特准数

Pr＝iipic =510092.17100.0317=

因此，管程空气的传热膜系数hi为

hi=×0.03170.02 W/(m2·℃)

(3)基于管内表面积的总传热系数Ki

查阅《化工原理（上）》P365，附录22，得

冷却水侧的热阻Rso＝·℃·W-1

热空气侧的热阻Rsi＝·℃·W-1

钢的导热系数λ＝45W·m-1·℃-1

因此，依《化工单元过程及设备课程设计》P71，公式3-21

iK1＝ih1＋Rsi＋midbd＋ooidhd＋oisoddR

＝1281.74 ＋＋0.00250.02450.0225＋0.026408.1 0.025

＋×0.020.025

解得：iK＝ W/ (m2·℃)

此计算值与前面的初设值Ki‘=200 W/ (m2·℃)的关系：

'iiKK=237.80200=

满足换热器设计所要求的iK/Ki‘=~的范围，初选的换热器合适。

(4) 传热面积

依《化工单元过程及设备课程设计》P75，公式3-35：Qi＝iKSi△tm得：

Si＝Qi/(iK△tm)＝191300/（×）＝15.69 m2

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1化工原理课程设计(换热器).

1化工原理课程设计(换热器).

化工原理课程设计

1

一、 设计题目：

设计一台换热器

二、 操作条件：

1、 煤油：入口温度140℃，出口温度40℃。

2、 冷却介质：循环水，入口温度35℃。

3、 允许压强降：不大于1×105Pa。

4、 每年按330天计，每天24小时连续运行。

三、 设备型式：

管壳式换热器

四、 处理能力：

114000吨/年煤油

五、 设计要求：

1、 选定管壳式换热器的种类和工艺流程。

2、 管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸设计。

3、 设计结果概要或设计结果一览表。

4、 设备简图（要求按比例画出主要结构及尺寸）。

5、 对本设计的评述及有关问题的讨论。

化工原理课程设计

2

第1章 设计概述

1、1热量传递的概念与意义[1](205)

1、1、1 传热的概念

所谓的传热（又称热传递）就是间壁两侧两种流体之间的热量传递问题。由热力学第二定律可知，凡是有温差存在时，就必然发生热量从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技领域中极普遍的一种传递现象。

1、1、2 传热的意义

化工生产中的很多过程和单元操作，都需要进行加热和冷却，如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量，又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。所以传热是最常见的重要单元操作之一。无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。归纳起来化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况：①强化传热过程，如各种换热设备中的传热。

②削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。

1、2 换热器的概念与意义[2]

1、2、1 换热器的概念

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交设备，简称为换热器。在换热器中至少要有两种不同的流体，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。

化工原理课程设计说明书(换热器的设计)

化工原理课程设计说明书(换热器的设计)

化工原理课程设计 煤油冷却器的设计

中南大学

化工原理课程设计

2010年01月22日

题 目 设计说明书

指导老师 夏柳荫

学生姓名 徐 春 波

学 院 化学化工学院

学生学号 1503070127

专业班级 制药0701班 化工原理课程设计 煤油冷却器的设计

2 目录

一、 设计题目及原始数据（任务书）………………………………3

二、 设计要求………………………………………………………..3

三、 列环式换热器形式及特点的简述……………………………..3

四、 论述列管式换热器形式的选择及流体流动空间的选择……..8

五、 换热过程中的有关计算（热负荷、壳层数、总传热系数、传热面积、压强降等等）…………………………………………..10

① 物性数据的确定………………………………………………14

② 总传热系数的计算……………………………………………14

③ 传热面积的计算………………………………………………16

④ 工艺结构尺寸的计算…………………………………………16

⑤ 换热器的核算…………………………………………………18

六、 设计结果概要表（主要设备尺寸、衡算结果等等）…………22

七、 主体设备计算及其说明…………………………………………22

八、 主体设备装置图的绘制…………………………………………33

九、 课程设计的收获及感想…………………………………………33

十、 附表及设计过程中主要符号说明……………………………..37

十一、 参考文献…………………………………………………..40

化工原理课程设计 煤油冷却器的设计

化工原理课程设计——列管式换热器的设计

化工原理课程设计——列管式换热器的设计

1

XX大学

XX学院

化 工 原 理

课 程 设 计

班 级

姓 名

学 号

指导教师 ____

二零一X年X月X日

2

化工原理 课程设计任务书

设计题目 水冷却煤油列管式换热器的设计 指导教师 刘东

专业班级 制药工程1102班 学 生 金诚

设计的目的和要求 1、生产能力：1.5*105 吨/年煤油

2、工艺要求：列管式换热器

3、质量要求：(1) 煤油：入口温度140℃，出口温度40℃

(2) 冷却介质：自来水，入口温度20℃，出口温度40℃

(3) 允许压强降：不大于1.1*105 Pa

(4) 煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，

黏度7.15*10-4 Pa.s，比热容2.22kJ/(kg·℃)，导热系数0.14W/(m·℃)

(5) 每年按320天计，每天24小时连续运行

设计的任务 1、工艺流程的设计计算和说明

2、绘出带控制点的工艺设备流程图和主体设备图

设计工作计划与

进度安排

1、收集查阅相关文献资料

2、初步确定工艺方案

3、物料衡算、能量衡算主要设备选型

4、最终确定工艺方案，撰写设计说明书

5、绘制相应图纸

主要参考文献资料

参考文献：

【1】 《化工原理》（第四版） 王志魁、刘丽英、刘伟主编 化学工业出版社

【2】 《化工原理实验》 吴洪特主编 化学工业出版社

【3】 《化工设备》 李健主编 化工工业出版社

【4】 GB4557.1——84机械制图图纸幅面及格式

参考网站：

【1】 /view/5504526ea98271fe910ef910.html

【2】 /view/f943978302d276a200292e77.html

【3】 /view/28405e59804d2b160b4ec06a.html

化工原理课程设计 列管式换热器

化工原理课程设计 列管式换热器

化工原理课程设计 列管式换热器

设计要求：设计一个列管式换热器，实现两种不同温度的流体之间的热量传递。设计要求如下：

1. 列管式换热器采用直管式结构，热传导介质为水和油；

2. 设计流量分别为水流量 Q1 = 500 L/h，油流量 Q2 = 300 L/h；

3. 设计温度分别为水的进口温度 T1i = 80℃，油的进口温度

T2i = 120℃；

4. 确定水的出口温度 T1o 和油的出口温度 T2o；

5. 选择合适的换热器材料，确保换热效果良好；

6. 根据设计参数计算所需的换热面积 A 和换热效率 η。

设计方案：

1. 确定管径和管长：首先根据水和油的流量和温度差，计算所需的换热面积。然后确定换热器的尺寸，其中包括管径和管长。

2. 选择换热器材料：根据换热介质的性质和工作条件，选择合适的换热器材料，例如不锈钢。

3. 计算出口温度：根据热平衡原理，计算水和油的出口温度。假设换热器满足热平衡条件，即水的热量损失等于油的热量增加。

4. 计算换热面积：根据换热器的尺寸和热传导方程，计算所需的换热面积。

5. 计算换热效率：根据热平衡原理和换热器的热传导性能，计算换热效率。

实施步骤：

1. 根据设计流量和温度差，计算所需的换热面积。假设水和油的传热系数均为常数，可以使用换热传导方程进行计算。 2. 根据所需的换热面积和理论计算值，选择合适的换热器尺寸。

3. 根据所选换热器材料，计算换热器的尺寸和管径。假设管壁温度近似等于流体温度。

4. 根据热平衡原理，计算出口温度。假设热平衡条件满足，即水的热量损失等于油的热量增加。

5. 根据所选材料和尺寸，计算换热效率。假设换热器的热传导系数为常数，使用换热效率计算公式进行计算。

总结：

本课程设计主要针对列管式换热器的设计，通过选择合适的换热器材料和计算换热器的尺寸，实现了水和油之间的热量传递。根据设计要求，通过计算出口温度和换热效率，验证了设计方案的合理性。设计过程需要考虑多方面的因素，如流体性质、流量和温度差等。通过本次设计，加深了对列管式换热器原理和设计方法的理解。