课程设计论文
列管式换热器（热水冷却器）
Tube heat exchanger(hot water cooler)
学院：生命科学学院
班级：化工092
姓名：白秋媛
学号：2009033201
目录
摘要 . 2
一、设计题目：热水冷却器的设计... 3
二、操作条件... 3
三、设计方案... 3
3.1换热器概述... 3
3.2、列管式换热器的分类... 4
3.3换热器材质的选择... 5
3.4管板式换热器的优点... 6
3.5列管式换热器最终选型... 6
四、传热过程计算... 7
4.1基本物性值... 7
4.2换热器的壳程数及流程... 7
4.3估算传热面积... 8
五、总结... 14
5.1设计心得... 14
5.2对这次设计过程总结... 14
六、参考文献... 15
摘要
换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。
本设计就是利用相关知识，设计出达到工艺所规定的要求，同时强度、结构可靠，便于制造、安装和检修，以及经济上合理的列管式换热器，满足生产需要。本设计以循环水和热水为介质，按实际设计步骤进行计算、核算和结构设计。主要研究内容如下：
1、对换热器的分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。
2、通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对固定管板式换热器的进行设计，具体分为换热器的传热计算，核算和结构设计。
3、换热器的外部设计包括它的管板的设计、封头的设计、管箱和折流挡板的设计。
4、换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。
关键词：换热器、设计计算、固定管板式
一、设计题目：热水冷却器的设计
二、操作条件
处理能力：
吨/年热水（每年按300天计算，每天24小时连续运行）
1、 操作条件：热水：入口温度80℃，出口温度60℃
冷却介质：循环水，入口温度25℃，出口温度35℃
允许压强：＜105Pa
2、 设备类型：列管式换热器
3、 建厂地址：大连地区
三、设计方案
3.1换热器概述
1、换热器简介
换热器是将热流体的部分能量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称交换器。换热器是实现化工生产中热量交换和传递不可缺少的设备。在换热器中，至少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。而在工程实践中，也会存在两种以上的流体参加换热。换热器可应用于化工、石油、制冷、食品等行业中，因此，是十分重要的设备。
2、换热器类型
管壳式换热器的突出优点是单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果较好。管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳式换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；另一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
3.2、列管式换热器的分类
根据列管式换热器的结构特点，常将其分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器、釜式换热器、填料函式换热器等。
1、固定管板换热器 这种换热器的两端管板和壳体是连在一起的。主要特点是结构简单，制造成本低，但由于壳程不易清理或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。适于处理两流体温差不大的情况。若两流体温差过大，可在壳体壁上安装膨胀节。
2、浮头式换热器 这种换热器中两端的管板，有一端不与壳体相连，可以沿管长方向自由移动，故称浮头。主要特点是整个管束可以由壳体中拆卸下来，便于清洗和检修。但结构比较复杂，金属耗量多，造价较高。
3、U形管换热器 这种换热器每根管子都弯成U形，进出口分别安装在同一管板两侧。每根管子都可以自由收缩，且与其他管子和外壳无关。但管程不易清洗，适用于洁净而不易结垢的流体。
4、釜式换热器 这种换热器的结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间。釜式换热器清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。适用于液-汽式换热。
5、填料函式换热器 这种换热器的结构特点是管板只有一端与壳体固定相连，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材小，造价低，管束可以自由从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。缺点是耐压不高。适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清洗且压力不高的场合。
由于，本次设计冷热流体温差不大，且该换热器用循环水冷却，热流体为热水，为不易结垢和清洁的流体，故可采用固定管板的结构。该种换热器管板和壳体连在一起，结构简单，在同样的壳体直径内，排管较多。同时管板式换热器制造简单，造价低，传热效率大，换热表面清洗方便，适用于本次任务的热水冷却。
3.3换热器材质的选择
1、换热器
考虑到设备的操作压力、温度、流体的腐蚀性和经济合理性等因素，换热器一般采用的材料有碳钢和不锈钢两种。由于碳钢的价格低，强度高，且本次设计对材料的抗腐蚀行要求不高，所以换热器材料选用碳钢。
2、管板
管板的作用是将管束连接在一起，是管程和壳程分开。管板和管子的连接方式一般为胀接和焊接。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢且压力和温度都不太高的情况。
3、封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，作用是控制和分配管程流体。壳径较小时采用封头，封头与壳体之间用螺纹连接，方便拆卸；壳径较大时采用管箱，其结构大多是方便拆卸的。
3.4管板式换热器的优点
1、传热系数大
由于流体在板片间流动湍动程度高，而且板片厚度又薄，所以，传热系数K大。
2、结构紧凑
单位体积设备提供的传热面积大，每立方米体积可具有250m2以上的传热面积。
3、操作灵活性大
只需要在适当位置安排中间挡板，便可以进行多段操作；还可以通过增减板片数以增减传热面积。
4、板片加工制造容易，金属消耗量低。
但管板式换热器也存在一定的缺点，比如允许操作压力、温度和处理量都较低。
3.5列管式换热器最终选型
1、合理安排流程，由于，循环水较易结垢，为方便清洗，循环水走管程，热水走壳程。
2、换热器的管子是传热元件，管子尺寸大小对传热有很大的影响。小直径的管子能使换热器的传热面积大些，但管径小也会导致费用高，不易清洗等问题。根据本次设计条件，选用
规格的钢管。
3、管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列两种。由于，三角形排列布管数多，能够获得较高的对流传热系数，并且适合于清洁的壳程介质。因此，选择正三角形排列。
(a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列 (d) 三角形错列
4、流速的选择
列管式换热器内常用流速范围
可选流速为0.5m/s
5、折流挡板的选用 安装折流挡板的目的是为了提高管外表面传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当。因为，间距太大，不能保证流体垂直通过管束，是管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。
四、传热过程计算
4.1基本物性值
水进主换热器的温度：80 ℃
水出主换热器的温度：60 ℃
循环水进主换热器的温度：25 ℃
循环水进主换热器的温度：35 ℃
热水的定性温度tm=(80+60)/2℃=70℃
查表得70℃下水的物性值为：ρh=997.8kg/m3
冷水的定性温度tm=(35+25)/2℃=30℃
查表得30℃下水的物性值为：ρc=995.7kg/m3
4.2换热器的壳程数及流程
1、换热器的壳程数Ns的确定
初选换热器的壳程数为1，管程数
为4。
2、流程确定
由于冷热流体的物性及流量均相近，且循环冷却水比较容易结垢，同时为增加热损失，选择热流体走壳程，冷流体走管程。选用选用
规格钢管，设管内的流速
。
4.3估算传热面积
1、平均温差：
在列管式换热器中由于加折流挡板或多管程，冷热两流体并非纯逆流，以上
应加以校正，其校正系数
按一下步骤求得：
P=
由R，P，查下图可得：
，于是得传热温度差的校正值为
2、传热面积
由于壳层走热水，管层走冷水，根据下图可取经验值K=860 KJ/(m2×h×℃)
列管式换热器中K值大致范围
传热面积：
根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢、清洗要求等条件选择适宜的换热器，为保证传热时流体适宜流动状态。
管层冷流体体积流量
选用规格钢管，设管内的流速，则单管程所需管子根数n
应选管束长
根据以上确定的条件，按列管式换热器的标准系列，初选固定板式换热器的主要性能参数如下：
壳体内径 450mm
公称直径 450mm
管程数 4
管长 3000mm
管子规格
排列方式 
管间距 32mm
管数 NT 106
中心排管数 13
3、换热器核算
管程：流通截面积Si=0.0083m2
换热器的核算 按以上数据可以分别求出管程和壳程流体流速及雷诺数
管内流速：
式中 
——管程流速，m/s；
——管内流体的质量流量，kg/s；
——管内流体的密度,kg/m3；
=
=41061.59
式中，
——管内径，m；
——管内流体的粘度，
。
壳程：挡板的间距对壳程的流动有重要的影响。间距太大不能保证流体垂直通过管束，使管外表面传热系数下降，间距太小，不便于制造和检修，阻力损失也大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2~1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有：100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm7种，因此选折流挡板间距B=200mm
壳程流通截面积
式中，
——壳体内径，m；
——管外径，m；
t——管间距，m。
流速
式中，
———壳体流速，m/s；
———壳程流体的质量流量，kg/s；
———壳程流体的密度,kg/m3.
当量直径：
雷诺数Re0
16855.23
式中，———壳程流速，m/s；
普朗特数 
式中，
———壳程流体定压热容，
；
———壳程流体热导率
———壳程流体的粘度，。
管程表面传热系数hi
管内雷诺数
=41061.59>10000
普朗特数 
管长与管内径比：L/di=3000/0.02=
>50
式中，
———管内流体的定压热容，；
———管内流体热导率。
管内表面传热系数 hi
管外表面传热系数 h0
污垢热阻及管壁热阻 管壁内外侧污垢热阻均取为
钢管壁热导率 λ=45
管壁热阻 
式中 
———管外污垢， 
；
———管内污垢，;
b———管壁厚，m；
———管壁平均直径，m。
传热面积A0
所选换热器的实际传热面积Ap=24.1m2
换热器传热面裕度
4、管、壳程压力降
取管壁绝对粗糙度
相对粗糙度
有前面计算已得=41061.59 ，故可查的直管壁摩擦系数
，于是得4管程压力降
回弯压降 
式中，
———阻力系数。
管程总压力降
其中，校正系数Ft=1.4
管程数Np=4
串联壳程数Ns=1
壳程的压力降
管束压降 
所以折流挡板数
三角形排列F=0.5
壳程流体的摩擦系数
折流挡板缺口压降
壳程总压力降
壳程压力降结垢校正系数对于液体可取
壳程数
<0.1Mpa
换热器操作允许压降
有校核可知，各项性能符合要求，换热能力满足生产需要，所选换热器可以采用。
五、总结
5.1设计心得
这是我第一次做课程设计，以前都是被动的学书本上的理论知识，这次做课程设计时要求将所学理论知识灵活运用。所以，受益很多。主要有：
1、 掌握了查阅资料、搜集数据和合理选用公式的能力。
2、 学会了从多方面考虑问题，比如在设计冷却器时，不仅要考虑设备本身的合理性，还要考虑到应用中的经济性和安全性等因素。
3、 我的计算能力和对一些软件的熟悉度都有明显的提高。
4、 学会了运用最简练的语言来表达问题，并且能够用图说明问题。
5.2对这次设计过程总结
换热器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（heat exchanger）。在化工生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却。本次设计主要研究的是固定管板式换热器，它是换热设备的一类。通过对换热器的分类、材料和运用等相关理论进行阐述，进而对换热器进行热工设计，结构设计以及强度设计。固定管板式换热器的设计，让我对换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。无论换热设备的设计计算或是校核计算，一般均应考虑下。
1、首先必须满足工艺要求。
2、换热设备中换热介质参数（流速、允许压降、温度等）的合理选取。在换热设备中，介质流速高，传热系数大，在热负荷一定的情况下，可使传热面积减小，设备结构紧凑，不仅节省投资，而且有利于减缓或抑制污垢的形成，但同时，介质流速高，压降增大，而且介质对传热面积的冲蚀加剧，。因此介质速度的选取应考虑压降的合理性，尽可能在允许压降范围内，提高流速，以加大传热系数。
3、合理安排流程，以便获得较大的传热系数，并使热、冷流体的流向尽可能接近逆流。
4、换热设备结构参数的合理选择主要包括结构形式、尺寸和材质等方面。
5、设计计算时，应注意定性尺寸的计算。在雷诺数等的定义式中均有定性尺寸，通常是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。
6、在达到所需工艺要求的前提下，应考虑设备费、操作费和维护费之和最低。
7考虑采用各种强化传热措施。
由传热基本方程Ｑ＝ＫＡ△t可见，增大总传热系数、传热面积和有效平均温差均可提高传热效率，强化传热。增大传热面积，不是单纯的增大换热设备的尺寸，而要增大单位体积内的传热面积，是设备紧凑、结构合理，如采用小直径管子，翅片管等。
根据以上结论，通过分析固定管板式换热器各部分性能影响，合理选择设计固定管板式换热器的结构参数，以获得具有较高抗拉强度、耐腐蚀性、耐介质性等综合性能良好的换热器设备，从而使其能更好的应用到石化、化工行业中。
六、参考文献
[1] 大连理工大学.化工原理[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2] 杨祖容.化工远离[M].北京:化学工业出版,2010.
[3] 李多民.化工过程设备机械基础[M].北京:中国石化出版社,2006.