一、设计题目：
石油裂解制汽油冷凝器的设计
二、设计任务及操作条件
1、处理能力：10万吨/年汽油
2、设备形式：列管式换热器
3、操作条件
（1）汽油：入口温度303℃，出口温度40℃。
（2）冷却介质：自来水，入口温度25℃。
（3）允许压强降：不大于100 kPa。
（4）每年按300天计，每天24小时连续运行。
（5）所有用到的物性数据必须标明出处。
三、选择适宜的列管式换热器并进行核算
3.1 设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。
3.2 U形膨胀节计算
3.3 管壳式换热器零部件结构
3.4 成本核算
四、绘制换热器装配图（A4图纸）
五. 设计日期：2017年12月10日之前
1. 确定流体的定性温度、物性数据
冷却介质为自来水，取入口温度为：25℃，按照10℃温升计算，出口温度为：35℃。则
汽油定性温度：2/)40303(m +=T =171.5℃ 自来水定性温度：=+=2/)5525(t m 30℃ 则=m m t -T 141.5℃
根据定性温度，查取壳程和管程流体的有关物性数据
2.计算热负荷
==24/300/100000000*1s m 1388.89KG/h
=-=?=3600/)40303(*1000*24.2*89.13888m T c Q p s 2251234.748W
=-----=-----=
?))
2540/()35303ln(()
2540()35303())/()ln(()()(12211221t T t T t T t T t m 87.87℃
据化工原理上册（谭天恩版）P147表5-6得K 取800-1800
1*2m */--K W K 。即K ≈10001*2m */--K W K 。换热面积为：
==?=
87
.87*1000748
.2251234tm K Q F 25.622m 3.计算管子数n
因为：==∏=
3
*0225.0*14.362
.25d l F n 均121（根） 所以选Ф25*2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长3米。 4. 管子排列方式，管间距的确定
根据《化工设备机械基础》（第七版、俞建良版）P210表7-5、7-6查得：层数为6层，管间距a=32mm 。 5. 换热器壳体直径的确定
l b a D 2)1(i +-=
Di ：换热器内径，mm ；
b ：正六角形对角线上的管子数，查表7-4，b=13； L:最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d 。 故 25*2*2113*322)1(i +-=+-=）（l b a D =484mm 圆整后取壳体内径Di=500mm 。 6. 换热器壳体壁厚的计算
材料选用Q245R 钢板，计算壁厚为：Pc
PcDi
t
-Φ=)(2σσ 试中：
Pc:计算压力，取pc =1.0MPa Di=500mm ；φ=0.85；
t )(σ=108MPa （设壳壁温度为300℃）
则：Pc
PcDi
t -Φ=
)(2σσ=2.73mm,取C2=1.2mm ；则C1=0.3mm 。圆整后
取换热器壳体壁厚5mm 。 7.热器封头的选择
上下封头均选用标准椭圆形封头，根据GB/T 25198《压力容器封头》，封头为DN500×5，曲面高度h1=150mm，直边高度h2=20mm，，材料选用Q245R。
8.容器法兰的选择
材料选用Q345R。根据NB/T47023-2012标准，选用DN1000，PN1.6MPa的榫槽密封面长颈对焊法兰。
9.管板尺寸的确定
选用固定式换热器管板，并兼作法兰，查相关标准得
pt=ps=1.6MPa（取管板的公称压力为1.6MPa）的碳钢管板尺寸。10.管子拉托力的计算
计算数据按下表选取
操作压力/MPa 0.7 0.68 材质20钢Q245R
α:线膨胀系数/（1/℃）13.24×6
10-
10-13.24×6 E:弹性模量/MPa 0.178×6
10
100.178×6许用应力/MPa 98 98 尺寸/mm φ25×2.5×3000 φ1200×8
管子根数778
管间距/mm 32
管壳壁温差/℃Δt=141.5
管子与管板的连接方式开槽胀接
胀接长度/mm
L=50
（1）在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力
l
d pf
q p 0∏=
，计算得： f=3962mm , p=0.7MPa, l=50mm, =p q 0.07MPa （2）温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力
l
d d d q i t t 02204)
(-=
σ，其中s
t s t A A t t E +-=
1)
(t ασ；n s δ中D A ∏==π*505*5=7928.52mm ；
=-∏=
n d d At i )(4
22
021371.625； 则：s t A A t E +?=1)
(t ασ=90.22MPa ； =t q （90.22*（25*25-20*20））
/4/25/50=4.1MPa;
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，则管子的拉脱力：即q p +q t <1.6MPa,因此，拉脱力在许用范围内。 11.计算是否安装膨胀节
管壳壁温差所产生的轴向力F1： F 1=
αE t t ?t s
A s +A t
A s A t =1928517.95 力作用于壳体上的轴向力F2： F 2=
QA s A s +A t
,其中Q =
π4
[ D i
2?nd 02
p s +n(d 0?2δt )2p t =152455N F 2=
QA s A s +A t
=41253.7N
则：压力作用于管子上的轴向力F3：=+=
s
t A A QA F t
3111201N
则：S A F F 21s +=
σ=248.4MPa,t
A F F 3
1t +-=σ=-85MPa 根据GB 151—1999《管壳式换热器》件成立，故本换热器不必安装膨胀节。 12.折流板设计
折流板为弓形，i D 4/3h ==375mm ，折流板间距取150mm ，由表7-7查得折流板最小厚度为3mm ，由表7-9查得折流板外径为496.5mm ，材料为Q235 –A 钢。 14.开孔补强
换热器壳体和封头上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壁材料和壁厚都相同，即8mm 厚的Q245R 钢板。 15.支座
采用裙座，裙座厚度为8mm ，基础环厚度为14mm 。
换热器计算公式与比热容 5 术语和定义 5.1 热侧 废气通道，又称气侧。 5.2 冷侧 冷却液通道，又称水侧。 5.3 气阻 气侧压力降，又称气侧压差。 5.4 水阻 水侧压力降，又称水侧压差。 5.5 换热面积A h 热侧总表面积，单位m2。 5.6 热侧通道面积S h 热侧总横截面积，单位m2。 5.7 放热量Q h 热侧空气放热量，指EGR冷却器稳定工作状态下，热侧空气所放出的热量，单位为kW。其计算公式如下： Q h=G h×Cp h（t hi-t ho）/1000………………………………………………(5-1)式中： G h——空气质量流量，kg/s； Cp h——增压空气比热，kJ/kg℃； t hi——热侧空气进口温度，℃；
t ho——热侧空气出口温度，℃。 5.8 吸热量Q w 冷侧冷却液吸热量，单位kW。其计算公式如下： Q w=G w×Cp w×（t wo-t wi）/1000 ………………………………………(5-2) 式中： G w——水质量流量，kg/s； Cp w——水比热，kJ/kg℃； t wi——冷却水进口温度，℃； t wo——冷却水出口温度，℃。 5.9 热平衡误差δ 计算公式： δ=[( Q h - Q w)÷Q h]×100 % …………………………………………(5-3a) 或 δ=[( Q w - Q h)÷Q w]×100% ………………………………………(5-3b) 式中： δ——热平衡误差，%； 当热平衡误差δ大于±5%，试验参数应重新测量，直到δ不大于±5%。 5.10 散热能力Q 指在规定的工作条件下，空气通过EGR冷却器散发掉的理论散热量，单位为Kw(或W)，其计算公式如下： Q＝K×A h×△t m ………………………………………………………(5-4) 式中：
第2章工艺计算 2.1设计原始数据 表2—1 2.2管壳式换热器传热设计基本步骤 （1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能 （2）由热平衡计算的传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。 （3）确定流体进入的空间 （4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据 （5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核 （6）选取管径和管流速 （7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核 （8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍 l （9）选取管长 （10）计算管数 N T （11）校核管流速，确定管程数 （12）画出排管图，确定壳径 D和壳程挡板形式及数量等 i （13）校核壳程对流传热系数 （14）校核平均温度差 （15）校核传热面积 （16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。
2.3 确定物性数据 2.3.1定性温度 由《饱和水蒸气表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃情况下为蒸汽，所以在不考虑开工温度、压力不稳定的情况下，壳程物料应为蒸汽，故壳程不存在相变。 对于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其壳程混合气体的平均温度为： t=420295 357.5 2 + =℃（2-1） 管程流体的定性温度： T=310330 320 2 + =℃ 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 2.3.2 物性参数 管程水在320℃下的有关物性数据如下：【参考物性数据无机表1.10.1】 表2—2 壳程蒸气在357.5下的物性数据[1]：【锅炉手册饱和水蒸气表】 表2—3
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板式换热器选型与计算方法 板式换热器的选型与计算方法 板式换热器的计算方法 板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。 以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的： 总传热量(单位:kW). 一次侧、二次侧的进出口温度 一次侧、二次侧的允许压力降 最高工作温度 最大工作压力 如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。 温度 T1 = 热侧进口温度 T2 = 热侧出口温度 t1 = 冷侧进口温度 t2= 冷侧出口温度 热负荷 热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为： （热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）
在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。 （1）无相变化传热过程 式中 Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W； mh,mc-----热、冷流体的质量流量，kg/s； Cph,Cpc------热、冷流体的比定压热容，kJ/(kg·K)； T1,t1 ------热、冷流体的进口温度，K； T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。 （2）有相变化传热过程 两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为： 一侧有相变化 两侧物流均发生相变化，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程 式中 r,r1,r2--------物流相变热，J/kg； D,D1,D2--------相变物流量，kg/s。 对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。 对数平均温差(LMTD) 对数平均温差是换热器传热的动力，对数平均温差的大小直接关系到换热器传热难易程度.在某些特殊情况下无法计算对数平均温差,此时用算术平均温差代替对数平均温差，介质在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差的计算方式是不同的。在一些特殊情况下，用算术平均温差代替对数平均温差。 逆流时： 并流时：
第1章换热器设计软件介绍与入门 孙兰义 2014-11-2
主要内容 1 ASPEN EDR软件 1.1 Aspen EDR简介 1.2 Aspen EDR图形界面 1.3 Aspen EDR功能特点 1.4 Aspen EDR主要输入页面 1.5 Aspen EDR简单示例应用 2 HTRI软件 2.1 HTRI简介 2.2 HTRI图形界面 2.3 HTRI功能特点 2.4 HTRI主要输入页面 2.5 HTRI简单示例应用
Aspen Exchanger Design and Rating（Aspen EDR）是美国AspenTech 公司推出的一款传热计算工程软件套件，包含在AspenONE产品之中。 Aspen EDR能够为用户用户提供较优的换热器设计方案，AspenTech 将工艺流程模拟软件和综合工具进行整合，最大限度地保证了数据的一致性，提高了计算结果的可信度，有效地减少了错误操作。 Aspen7.0以后的版本已经实现了Aspen Plus、Aspen HYSYS和Aspen EDR的对接，即Aspen Plus可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成转入换热器的设计计算，使Aspen Plus、Aspen HYSYS流程计算与换热器详细设计一体化，不必单独地将Aspen Plus计算的数据导出再导入给换热器计算软件，用户可以很方便地进行数据传递并对换热器详细尺寸在流程中带来的影响进行分析。
Aspen EDR的主要设计程序有： ①Aspen Shell & Tube Exchanger：能够设计、校核和模拟管壳式换热器的传热过程 ②Aspen Shell & Tube Mechanical：能够为管壳式换热器和基础压力容器提供完整的机械设计和校核 ③HTFS Research Network：用于在线访问HTFS的设计报告、研究报告、用户手册和数据库 ④Aspen Air Cooled Exchanger ：能够设计、校核和模拟空气冷却器 ⑤Aspen Fired Heater：能够模拟和校核包括辐射和对流的完整加热系统，排除操作故障，最大限度的提高效率或者找出潜在的炉管烧毁或过度焦化 ⑥Aspen Plate Exchanger ：能够设计、校核和模拟板式换热器； ⑦Aspen Plate Fin Exchanger：能够设计、校核和模拟多股流板翅式换热器
换热器计算的设计型和操作型问题--传热过程计算 与换热器 日期:2005-12-28 18:04:55 来源:来自网络查看:[大中小] 作者：椴木杉热度： 944 在工程应用上，对换热器的计算可分为两种类型：一类是设计型计算（或称为设计计算），即根据生产要求的传热速率和工艺条件，确定其所需换热器的传热面积及其他有关尺寸，进而设计或选用换热器；另一类是操作型计算（或称为校核计算），即根据给定换热器的结构参数及冷、热流体进入换热器的初始条件，通过计算判断一个换热器是否能满足生产要求或预测生产过程中某些参数（如流体的流量、初温等）的变化对换热器传热能力的影响。两类计算所依据的基本方程都是热量衡算方程和传热速率方程，计算方法有对数平均温差（LMTD）法和传热效率-传热单元数（e-NTU）法两种。 一、设计型计算 设计型计算一般是指根据给定的换热任务，通常已知冷、热流体的流量以及冷、热流体进出口端四个温度中的任意三个。当选定换热表面几何情况及流体的流动排布型式后计算传热面积，并进一步作结构设计，或者合理地选择换热器的型号。 对于设计型计算，既可以采用对数平均温差法，也可以采用传热效率-传热单元数法，其计算一般步骤如表5-2所示。 表5-2 设计型计算的计算步骤
体进出口温度计算参数P 、R ； 4． 由计算的P 、R 值以及流动排布型式，由j-P 、R 曲线确定温度修正系数j ；5．由热量衡算方程计算传热速率Q ，由端部温度计算逆流时的对数平均温差Δtm ； 6．由传热速率方程计算传热面积 。 体进出口温度计算参数e 、CR ； 4．由计算的e 、 CR 值确定NTU 。由选定的流动排布型式查取 e-NTU 算图。可能需由e-NTU 关系反复计算 NTU ；5．计算所需的传热面积 。 例5-4 一列管式换热器中，苯在换热器的管内流动，流量为 kg/s ，由80℃冷却至30℃；冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温度为20℃，出口温度不超过50℃。若已知换热器的传热系数为470 W/（m2·℃），苯的平均比热为1900 J/（kg·℃）。若忽略换热器的散热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效率-传热单元数法计算所需要的传热面积。 解 （1）对数平均温差法 由热量衡算方程，换热器的传热速率为 苯与冷却水之间的平均传热温差为 由传热速率方程，换热器的传热面积为 A = Q/KΔt m = = m 3 （2）传热效率-传热单元数法 苯侧 (m C ph ) = *1900 = 2375 W/℃ 冷却水侧 (m c C pc ) =(m h C ph )(t h1-t h2)/(t c1-t c2) =2375*(80-30)/(50-20)= W/℃ 因此， (m C p )min=(m h C ph )=2375 W/℃ 由式（5-29），可得
姓名：杜鑫鑫学号：0903032038 合肥学院 材 料 工 程 基 础 姓名： 班级：09无机非二班 学号：\ 课题名称：换热器及其基本计算 指导教师：胡坤宏
换热器及其基本计算 一、换热器基础知识 （1）换热器的定义： 换热器是指在两种温度不同的流体中进行换热的设备。 （2）换热器的分类： 由于应用场合不同，工程上应用的换热器种类很多，这些换热器照工作原理、结构和流体流程分类。 二、几个不同的换热器 （1）管壳式换热器 管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点，应用最为广泛，在换热设备中占据主导地位。 管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程。一种流体在管内流动，而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过，为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。 而壳管式换热器又可根据不同分为U形管式换热器、固定管板换热器、浮头式换热器、填料函式换热器几类。 (2) 套管式换热器 套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接而成同心圆套管，外面的叫壳程，内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动(或同向)以达到换热的效果。 套管式换热器以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U形肘管，而外管用短管依次连接成排，固定于支架上。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体由上部引入,而冷流体则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4～7米。这种换热器传热面积最高达18平方米，故适用于小容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封，以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成，若选材得当，它可用于腐蚀性介质的换热。这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油化工等工业部门。
板式换热器由一组金属波纹板构成，其上带有开孔，开孔形成液体流动的通道，热量将在两种液体之间传递。这组波纹板装配在一块固定的固定板和一块可移动的压紧板之间，并通过夹紧螺栓压紧。这些板片上都装有密封垫，密封垫对板间通道起密封作用并使液体交替流入相邻通道。板片数由流量、液体的物理属性、压降和温度变化确定。板片波纹引起液体紊流并支撑板片承受差压。波纹板片和压板固定在上、下杆之间，而后两者又固定在支撑架上。接口在固定板上，或者，如果一种或两种液体在设备中形成多条通道，则接口在固定板和压紧板上。型号：M3 典型容量：液体流量 最高4kg/s(60gpm)，取决于介质、允许 的压降和温度变化。 通过蒸汽对水进行加热：50至250kW 板片型式：M3和M3-X，其中M3允许平行 流而M3D和M3G允许双板片结构。 框架型式：FG 标准材料 固定板：经环氧涂料涂装的低碳钢 喷嘴：碳钢管：Alloy316，钛 板片：不锈钢：AISI316或钛 密封垫： M3丁腈橡胶，EPDM，HeatSealF M3D丁腈橡胶，EPDM 技术参数 压力容器标准，PED，ASME，pvcALS机械设计压力(g)/温度 FGPED,pvcALS1.6MPa/180°C FGASME150psig/350°F 最大传热表面：3.9m2(40sq.ft) 接口：FGPED管径11/4"管，螺纹ISO-R11/4" FGpvcALS管径11/4"管，螺纹ISO-G11/4"或螺纹ISO-R11/4"
FGpvcALS管径11/4"内螺纹ISO-G11/4"，碳钢 FGASME管径11/4"管，螺纹NPT11/4" ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司拥有世界上最先进的设计和生产技术以及最全面的换热器专业知识，一直以来ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司致力于为全球50多个国家和地区的石油、化工、工业、食品饮料、电力、冶金、造船业、暖通空调等行业的客户提供高品质的板式换热器，目前已有超过50，000台的板式换热器良好地运行于各行业，ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司已发展成为可拆式板式换热器领域的全球领导者。 ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司同时也是板式换热器配件（换热器板片和换热器密封垫）领域全球排名第一的供应商和维护商。能够提供世界知名品牌（包括：阿法拉伐/AlfaLaval、斯必克/SPX、安培威/APV、基伊埃/GEA、传特/TRANTER、舒瑞普/SWEP、桑德斯/SONDEX、艾普尔.斯密特/API.Schmidt、日阪/HISAKA、风凯/FUNKE、萨莫威孚/Thermowave、维卡勃Vicarb、东和恩泰 /DONGHWA、艾克森ACCESSEN、MULLER、FISCHER、REHEAT等）的所有型号的板式换热器板片和垫片。全球约有1/5的板式换热器正在使用ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司提供的换热器配件或接受ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司的维护服务（包括定期清洗、维修及更换配件等维护服务）。 无论您身在何处，无论您有什么特殊要求，ARD艾瑞德板式换热器（江阴）有限公司都能为您提供板式换热器领域的系统解决方案。
标准换热站及二次网建设方案 换热站作为供热配套设施使用的永久性建筑物，关系着供热企业的长期安全运行管理及百姓的宜居生活。为提高供热管网设计的经济可行性，便于建设施工与供热运行管理，结合供热发展现状，根据相关文件要求，对供热换热站的标准化建设制定以下统一要求： 一、换热站建设标准 1.换热站站房建设标准 1.1 换热站标准化建设的施工与验收必须严格执行CJJ28-2014城镇供热管网工程施工及验收规范 1.2根据建设项目供热面积，换热站位置选择以有利于供热管网合理布置为原则，尽量设在小区的中部位置。单套换热机组供热面积不超过10万平方米为最佳。高层建筑室内采暖系统分区需按现场地形和实际供热参数综合考虑，通常按10层划分，各区配套独立设备及管网进行供热。 1.3换热站的面积、净高度及相关尺寸情况需满足使用要求，分设设备间、控制间和供热服务间。设备间内单套换热机组按使用面积不小于50平方米考虑，设备间内必须干净整洁，进、出通道畅通。地面为混凝土地面，地面刷浅蓝色油漆，内墙面刷内墙涂料，机组设备悬挂功能牌，门口设置挡鼠板。控制间按使用面积不小于12平方米考虑，配电室门刷防火涂料，要张贴配电室警示标志：禁止入内（粘贴在配电室门口处，不可贴在门上）；当心触电（粘贴在配电
室内配电柜下方）；配电室标识（粘贴在配电室门上方）。供热服务间主要为供热管理和服务准备，根据客户服务标准要求设办公室，面积不小于80平方米，内设独立卫生间。换热站净高度不低于3.3米，站内安置两套及以上机组的净高度不低于3.6米。 1.4 换热站的建设尽量采用独立基础，框架结构。应合理预留管道基础孔洞。 1.5 换热站的供水、供电须满足负荷要求。换热站的供水（自来水）、供电接至换热站内相应位置，在换热站外两米内设水表，在箱变内设供电专用装置。换热站主电缆为三相五线铜芯国标型号，并有可靠接地。高层建筑小区必须将二次加压自来水管道接入换热站内，并预留水表。 1.6 换热站应具备完善的排水设施，排水管道与小区雨、污水管网相连，应排水畅通，保证外部积水无法进入站内。 1.7换热站应具有良好的通风和采光。距离居民建筑较近的，外部应采取隔音措施，设备基础按《工业企业噪声控制设计规范》采取隔声减振措施。 1.8 换热站应具备方便适用的交通通道，便于整体式换热机组的安装及检修，换热器侧面离墙不小于 0.8m，周围留有宽度不小于 0.7米的通道。 1.9 换热站应设置照明设施，生活服务间、服务办公室预设电器插座。设备间照明设施应符合安全生产要求，采用防水防尘节能灯，同时应设置应急照明。
化工原理课程设计 学院: 化学化工学院 班级： | 姓名学号： 指导教师： $
目录§一.列管式换热器 ！ .列管式换热器简介 设计任务 .列管式换热器设计内容 .操作条件 .主要设备结构图 §二.概述及设计要求 .换热器概述 .设计要求 ~ §三.设计条件及主要物理参数 . 初选换热器的类型 . 确定物性参数 .计算热流量及平均温差 壳程结构与相关计算公式 管程安排(流动空间的选择)及流速确定 计算传热系数k 计算传热面积 ^ §四.工艺设计计算 §五.换热器核算 §六.设计结果汇总 §七.设计评述 §八.工艺流程图 §九.主要符号说明 §十.参考资料
： §一 .列管式换热器 . 列管式换热器简介 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 设计任务 ￥ 1.任务 处理能力：3×105t/年煤油（每年按300天计算，每天24小时运行） 设备形式：列管式换热器 2．操作条件 (1)煤油：入口温度150℃，出口温度50℃ (2)冷却介质：循环水，入口温度20℃，出口温度30℃ (3)允许压强降：不大于一个大气压。 备注：此设计任务书（包括纸板和电子版）1月15日前由学委统一收齐上交，两人一组，自由组合。延迟上交的同学将没有成绩。 [ .列管式换热器设计内容 1.3.1、确定设计方案 （1）选择换热器的类型；（2）流程安排 1.3.2、确定物性参数 （1）定性温度；（2）定性温度下的物性参数 1.3.3、估算传热面积 （1）热负荷；（2）平均传热温度差；（3）传热面积；（4）冷却水用量 % 1.3.4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速；（2）管程数；（3）平均传热温度差校正及壳程数；（4）
换热器设计计算步骤 1. 管外自然对流换热 2. 管外强制对流换热 3. 管外凝结换热 已知：管程油水混合物流量 G ( m 3/d)，管程管道长度 L (m)，管子外径do (m)， 管子内径di (m)，热水温度 t ℃， 油水混合物进口温度 t 1’, 油水混合物出口温度 t 2” ℃。 1. 管外自然对流换热 1.1 壁面温度设定 首先设定壁面温度，一般取热水温度和油水混合物出口温度的平均值，t w ℃， 热水温度为t ℃，油水混合进口温度为'1t ℃，油水混合物出口温度为"1t ℃。 "w 11 t ()2 t t =+ 1.2 定性温度和物性参数计算 管程外为水，其定性温度为1()K -℃ 21 ()2 w t t t =+ 管程外为油水混合物，定性温度为'2t ℃ ''"2111 ()2t t t =+ 根据表1油水物性参数表，可以查得对应温度下的油水物性参数值 一般需要查出的为密度ρ (3/kg m ),导热系数λ(/())W m K ?，运动粘度2(/)m s ，体积膨胀系数a 1()K -，普朗特数Pr 。
表1 油水物性参数表 水 t ρ λ v a Pr 10 999.7 0.574 0.000001306 0.000087 9.52 20 998.2 0.599 0.000001006 0.000209 7.02 30 995.6 0.618 0.000000805 0.000305 5.42 40 992.2 0.635 0.000000659 0.000386 4.31 50 998 0.648 0.000000556 0.000457 3.54 60 983.2 0.659 0.000000478 0.000522 2.99 70 997.7 0.668 0.000000415 0.000583 2.55 80 971.8 0.674 0.000000365 0.00064 2.21 90 965.3 0.68 0.000000326 0.000696 1.95 100 958.4 0.683 0.000000295 0.00075 1.75 油 t ρ λ v a Pr 10 898.8 0.1441 0.000564 6591 20 892.7 0.1432 0.00028 0.00069 3335 30 886.6 0.1423 0.000153 1859 40 880.6 0.1414 9.07E-05 1121 50 874.6 0.1405 5.74E-05 723 60 868.8 0.1396 3.84E-05 493 70 863.1 0.1387 0.000027 354 80 857.4 0.1379 1.97E-05 263 90 851.8 0.137 1.49E-05 203 100 846.2 0.1361 1.15E-05 160 1.3 设计总传热量和实际换热量计算 0m v Q Cq t Cq t ρ=?=?v v C q t C q t αρβρ=?+?油油水水 C 为比热容/()j kg K ?，v q 为总体积流量3 /m s ，αβ分别为在油水混合物中 油和水所占的百分比，t ?油水混合物温差，m q 为总的质量流量/kg s 。 实际换热量Q 0Q Q *1.1/0.9= 0.9为换热器效率，1.1为换热余量。 1.4 逆流平均温差计算
换热 12万吨/年二甲苯从90℃冷却到50℃，冷却介质水从30℃到40℃。 一·确定设计方案 1．选择换热器的类型 两流体温度变化情况：二甲苯进口温度90℃，出口温度50℃；循环水进口温度30℃，出口温度40℃。考虑到流体温差不是太大，但冬季水温低，温差稍大。壳程压力也不是很大，所以选用带膨胀节的固定管板式换热器。 2．流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，应使其走管程，二甲苯走壳程。选φ25?2.5的碳钢管，管内流速取1.5m/s 。 物性数据的确定 定性温度：可取流体进出口的平均值。 壳程油的定性温度为：702 5090=+=T ℃ 管程流体的定性温度为：352 4030=+=T ℃ 二甲苯在70℃下相关的物性数据如下： 密度 ：ρO =825.7㎏/3m 定压比热容 ： po c =1.896kJ/（㎏·℃） 导热系数：λO =1.22W/（m ·℃） 粘度：μO =0.00037pa.s 循环冷却水在35℃下的物性数据： 密度 ：ρO =994㎏/3m 定压比热容 ： po c =4.08kJ/（㎏·℃） 导热系数：λO =0.626W/（m ·℃） 粘度：μO =0.0007225pa.s 二·热量衡算 1. 热流量 Q O =m O c PO t O =71012?/（300×24）×1.896×（90-50）=1.624×610KJ/h=351.1KW 2. 平均传热温差 Δ2 1 21,ln t t t t t m ???-?==7.3230504090ln )3050()4090(=-----℃ 3. 冷却水用量 h Kg t c Q w i pi i /9.39803) 3040(08.416240000=-?=?= 4. 总传热系数K 管程传热系数 41131000725 .09945.102.0=??==i i i i e u d R μρ
阿法拉伐板式换热器设计参数 用户: 型号: M10-MFM 项目: 日期: 2008-12-8子项: _________________________________________________________________ 热侧冷侧 流体Water Water 密度kg/m3 971.1 984.8 比热kJ/(kg*K) 4.19 4.17 导热系数W/(m*K) 0.670 0.647 进口粘度cP 0.297 0.546 出口粘度cP 0.403 0.465 流量m3/h 35.74 87.42 进口温度??C95.0 50.0 出口温度??C70.0 60.0 压力降kPa 8.16 49.4 热负荷kW 1000 对数温差K 26.8 传热系数(设计) W/(m2*K) 5672 传热系数(运行) W/(m2*K) 3619 换热面积m2 10.3 污垢系数 * 10000 m2*K/W 1.0 设计余量% 56.7 流动形式Countercurrent 板片数49 有效片数47 流程 1 1 板型组合1*（7H+17MH）1*（7H+17ML） 板片材质/厚度AISI 316 / 0.50 mm 密封垫材质NBRB CLIP-ON NBRB CLIP-ON 接口尺寸mm 100 100 接口方向S1 -> S2 S4 <- S3 压力容器标准PED 法兰标准DIN 设计压力barg 10.0 10.0 试验压力barg 13.0 13.0 设计温度??C95.0/70.0 60.0/50.0 长度 x 宽度 x 高度mm 1095 x 470 x 1084 液体容积dm3 24.0 24.0 净重，空重 / 运行时kg 351 / 397 _________________________________________________________________ Performance is conditioned on the accuracy of customer's data and customer's ability to supply equipment and products in conformity therewith.
设计任务和设计条件 某生产过程的流程如图所示。反应器的混合气体经与进料物流℃之后，进入60换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至为量的流 知混合气体组吸塔收其中的可溶性分。已吸收237301，压力为6.9，循环冷却水的压力为0.4，循环MPaMPa hkg水的入口温度为29℃，出口的温度为39℃，试设计一列管式换热器，完成生产任务。
物性特征：混和气体在35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度3?mkg/?901定压 比热容 =3.297kj/kg℃c1p热导率 =0.0279w/m ?1粘度5??Pas51?.?1011 下的物性数据：34℃循环水在3/m=994.3 密度㎏?1℃ =4.174kj/kg定压比热容c1p =0.624w/m℃热导率 ?1粘度3??Pas10742?0.?1确定设计方案 1．选择换热器的类型 两流体温的变化情况：热流体进口温度110℃出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2．管程安排 从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。
浮头式换热器介绍 浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固2 定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。 确定物性数据
板式换热器的计算方法 板式换热器的计算是一个比较复杂的过程，目前比较流行的方法是对数平均温差法和NTU法。在计算机没有普及的时候，各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法。目前，越来越多的厂家采用计算机计算，这样，板式换热器的工艺计算变得快捷、方便、准确。以下简要说明无相变时板式换热器的一般计算方法，该方法是以传热和压降准则关联式为基础的设计计算方法。 以下五个参数在板式换热器的选型计算中是必须的： ?总传热量(单位:kW). ?一次侧、二次侧的进出口温度 ?一次侧、二次侧的允许压力降 ?最高工作温度 ?最大工作压力 如果已知传热介质的流量，比热容以及进出口的温度差，总传热量即可计算得出。 温度 T1 = 热侧进口温度 T2 = 热侧出口温度 t1 = 冷侧进口温度 t2= 冷侧出口温度 热负荷 热流量衡算式反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系，在换热器保温良好，无热损失的情况下，对于稳态传热过程，其热流量衡算关系为： （热流体放出的热流量）=（冷流体吸收的热流量）
在进行热衡算时，对有、无相变化的传热过程其表达式又有所区别。 （1）无相变化传热过程 式中 Q----冷流体吸收或热流体放出的热流量，W； m h,m c-----热、冷流体的质量流量，kg/s； C ph,C pc------热、冷流体的比定压热容，kJ/(kg·K)； T1,t1 ------热、冷流体的进口温度，K； T2,t2------热、冷流体的出口温度，K。 （2）有相变化传热过程 两物流在换热过程中，其中一侧物流发生相变化，如蒸汽冷凝或液体沸腾，其热流量衡算式为： 一侧有相变化 两侧物流均发生相变化，如一侧冷凝另一侧沸腾的传热过程 式中 r,r1,r2--------物流相变热，J/kg； D,D1,D2--------相变物流量，kg/s。 对于过冷或过热物流发生相变时的热流量衡算，则应按以上方法分段进行加和计算。
1、确定设计方案 a、选择换热器的类型 两流体的温度变化：热流体的进口温度110出口温度60 冷流体的进口温度29出口温度39 根据设计要求，该换热器用循环冷却水冷却，考虑到冬天作业时，其进口 的温度会降低，估计该换热器壁温和壳体的温度相差很大，因此初步确定选用浮头式换热器。 b、管路安排 从两流体的操作压力来看，混合气体的应走管程，循环冷却水应走壳程， 但由于冷却水易结垢若流速太小，会增加污垢的增长速度，时换热器的热流量下降，所以总体考虑： 循环冷却水管走程，混合气体走壳程。 2、确定物性数据 定性温度：可取进出口地平均温度故壳程混合气体的定性温度 T=(110+60)/2=85 管程循环冷却水的定性温度 T，=(19+39)/2=34 根据T 和T，查表，冷却水和混合物体的物性数据如下表3、估算传热面积 a、传热温差 T1——热流体的进口温度T2——热流体的出口温度t1——冷流体的进口温度t2——冷流体的出口温度 在换热器中由于加折流板或多管程，冷、热两流体并非纯逆流，以上应加以校正，其校正系数 按以下步骤求得 124.029 11029 391112=??=??= t T t t p 529 3960 1101221=??=??= t t T T R 物质粘度μ（cp）热导率λ（W/m）密度ρ（kg/m3）比热容Cp （kJ/kg℃）混合气体冷却水 0.0150.742 0.002790.624 90994.3 3.297 4.174
由R、P 及壳程数查图得：校正系数为0.96，于是得传热温差校正值为： △t m =0.96×△t m ，=0.96×48.3=46.4O C b、计算热流量 kw h KJ T C q Q h p h m T 5.10408/10737.3) 60110(297.32273107,,=×=?××=?=c、冷却水的流量 h KJ t C Q q c p T c m /89771410 174.4747 .3,,=×=?= d、初算传热面积 由于壳体气体的压力较大，故取较大的K 值，设K=320Wm-2OC-1因此估 算传热面积 2 7014 .46320103 5.10408m t K Q S m T =××=?= 估4、换热器的尺寸逐步设计 a、管径和流速的选择 选用φ25×2.5较高级的碳管，考虑到流速太慢易生垢，估选流速 μi =1.5m/s b、管程数 可根据热流量管的内径和流速确定单管程传热管数 5325 .102.0785.03.99436008977144 22 =×××= = i i v d q Ns μπ按单程计算需要的传热管长度 m Ns d S L 7.16532 025.014.3701 0=××== π估按单程计算，所需传热管过长，根据设计的实际，可选l=9m 则该换热器的管程数 2≈= l L Np 因此需要的管子数 根 10645322=×=×=Np Ns n c、传热管的排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内均按△排列，隔板两侧按□排列取管心距为Pt=1.25d0 则 mm Pt 3225.312525.1≈=×=隔板中心到离其最近的一排管子中心的距离查资料得
换热器热量及面积计算 一、热量计算 1、一般式Q=Q c=Q h Q=W h（H h,1- H h,2）= W c（H c,2- H c,1） 式中： Q为换热器的热负荷，kj/h或kw； W为流体的质量流量，kg/h； H为单位质量流体的焓，kj/kg； 下标c和h分别表示冷流体和热流体，下标1和2分别表示换热器的进口和出口。 2、无相变化 Q=W h c p,h(T1-T2)=W c c p,c(t2-t1) 式中： c p为流体平均定压比热容，kj/(kg.℃)； T为热流体的温度，℃； t为冷流体的温度，℃。 3、有相变化 a.冷凝液在饱和温度下离开换热器，Q=W h r = W c c p,c(t2-t1) 式中： W h为饱和蒸汽（即热流体）冷凝速率（即质量流量）（kg/s） r为饱和蒸汽的冷凝潜热（J/kg） b.冷凝液的温度低于饱和温度，则热流体释放热量为潜热加显热
Q=W h[r+c p,h（T s-T w）] = W c c p,c(t2-t1) 式中： c p,h为冷凝液的比热容（J/（kg/℃））；T s为饱和液体的温度（℃） 二、面积计算 1、总传热系数K 管壳式换热器中的K值如下表： 注： 1 w = 1 J/s = 3.6 kj/h = 0.86 kcal/h 1 kcal = 4.18 kj 2、温差
（1）逆流 热流体温度T：T1→T2 冷流体温度t：t2←t1 温差△t：△t1→△t2 △t m=（△t2-△t1）/㏑（△t2/△t1） （2）并流 热流体温度T：T1→T2 冷流体温度t：t1→t2 温差△t：△t2→△t1 △t m=（△t2-△t1）/㏑（△t2/△t1） 对数平均温差，两种流体在热交换器中传热过程温差的积分的平均值。( 恒温传热时△t=T-t，例如：饱和蒸汽和沸腾液体间的传热。) 对数平均温差因为在冷凝器板换一系列的换热器中温度是变化的为了我们更好的选型计算所以出来一个相对准确的数值, 当△T1/△T2>1.7时用公式： △Tm=（△T1-△T2）/㏑（△T1/△T2）. 如果△T1/△T2≤1.7时，△Tm=（△T1+△T2）/2 二种流体在热交换器中传热过程温差的积分的平均值。 逆流时△T1=T1-t2 △T2=T2-t1 顺流时△T1=T1-t1 △T2=T2-t2 其中： T1 ——热流进口温度℃ T2——热流出口温度
多壳程列管式换热器的设 计方案 一、符号说明： 二、1.1 物理量（英文字母） C p定压比热容，KJ/(kg.°C ) n管数 Q m热容量流率比 N程数 d 管径,m P 压强, Pa D 换热器壳径,m q 热通量,W/m2 f 摩擦系数 Q 传热速率或热负荷,W F 系数 r 汽化热或冷凝热KJ/k g g 重力加速度, m/s2 R 热阻，m2.oC/W B 挡板间距 S 传热面积，m2 K 总传热系数,W/(m2.oC) T 流体温度，o C I 长度,m t 流体温度，o C L 长度,m v 流速m/s 1.2 物理量（希腊字母） α对流传热系数,W/(m2.oC) μ黏度，Pa.s λ导热系数,W/(m2.oC) 密度,kg/m3 ε传热系数ψ校正系数
二、设计目的 通过课程设计进一步巩固本课程所学的容，培养学生运用所学理论知识进行化工单元过程设计的初步能力，使所学知识系统化。通过本次设计，应了解设计的容、方法及步骤，使学生有调研技术资料，自行确定设计方案，进行设计计算，并绘制设备条件图、编写设计说明书的能力。 三、参数与条件设置： 3.1 已知参数： （1）热流体（柴油）：T1=180℃，T2=130℃， W h=36000kg/h； （2）冷流体（油品）：t1=60℃，t2=110℃，压力0.4MPa； 3.2 设计条件： （1）壳程数：2； （2）压力降△p<10~100kPa（液体）；1~10kPa（气体）；雷诺数Re<5000~20000（液体）； 10000~100000（气体）； （3）流动空间管材尺寸：Φ19mm×2mm、Φ25mm×2mm、Φ25mm×2.5mm； （4）管流速，自选； （5）传热管排列方式：正三角形排列、正方形排列、正方形错列； （6）传热面积裕量S：10~25%； （7）传热管长L，3、4.5、6、9、12m； （8）折流挡板切口高度与直径之比：0.20、0.30；