化工原理课程设计列管换热器.docxVIP

PAGE

1-

化工原理课程设计列管换热器

一、项目背景及目的

(1)化工生产过程中，热量传递是一个至关重要的环节，它涉及到反应速率、产品质量以及能源消耗等多个方面。随着化工行业的快速发展，对高效、节能的热交换设备需求日益增长。列管换热器作为化工生产中广泛应用的传热设备，其性能直接影响到整个生产线的稳定运行和经济效益。因此，本项目旨在通过课程设计，使学生深入了解列管换热器的工作原理、设计方法和性能评价，提高学生在实际工程中的应用能力。

(2)列管换热器的设计不仅需要掌握传热学、流体力学和材料力学等基础理论，还需要考虑实际生产中的各种因素，如换热面积、管程和壳程的流速、温差以及材料选择等。通过本次课程设计，学生可以系统地学习列管换热器的设计流程，掌握相关设计软件的使用，培养解决实际工程问题的能力。此外，项目设计过程中还需关注环保和节能，使学生在实践中树立可持续发展的理念。

(3)在当前全球能源紧张和环保要求日益严格的背景下，研究高效、节能的列管换热器设计具有十分重要的意义。本项目通过设计一个具体的列管换热器，使学生能够将理论知识与实际工程相结合，提高设计水平和创新能力。同时，通过项目实践，学生可以增强团队协作能力，为将来从事化工设计工作打下坚实基础。

二、列管换热器设计原理与计算方法

(1)列管换热器设计原理基于传热学的基本定律，主要包括对流传热、辐射传热和导热三种传热方式。在设计过程中，通常以对流传热为主，其计算公式为Q=hm(A-Tm)，其中Q代表传热量，h为传热系数，m为温差，A为传热面积。以某化工企业为例，某列管换热器设计要求传热量为1000kW，两流体温差为30℃，通过查阅相关资料，选取合适的传热系数，计算得出所需的换热面积为25.5平方米。

(2)列管换热器的设计计算方法包括壳程和管程的设计。壳程设计主要包括壳体尺寸、壳体结构以及壳体材料的选择。以某项目为例，壳体直径为1.2米，壳体高度为3米，壳体材料为碳钢。管程设计则涉及管子直径、管子长度、管子数量以及管子排列方式。例如，某列管换热器管子直径为25毫米，管子长度为6米，管子数量为100根，管子排列方式为三角形。

(3)在列管换热器的设计中，还需考虑流体流动的阻力损失和泵送功耗。流体流动阻力损失可用Darcy-Weisbach方程计算，即hf=fL/D，其中hf为摩擦损失系数，L为管道长度，D为管道直径。以某项目为例，壳程流体流速为1.5米/秒，管程流体流速为1.2米/秒，计算得到的壳程摩擦损失系数为0.023，管程摩擦损失系数为0.018。泵送功耗则根据泵的特性曲线和流体特性计算得出，以某项目为例，泵送功耗为3.5千瓦。

三、列管换热器设计参数确定

(1)在确定列管换热器的设计参数时，首先需要根据工艺要求确定换热器的传热量。以某炼油厂为例，某换热器需将原油加热至特定温度，经计算，该换热器所需传热量为1200kW。接着，根据传热系数、温差和传热面积的关系，选取合适的传热系数，例如取0.15kW/(m2·K)，再根据工艺提供的流体参数，确定流体在换热器中的温差，从而计算出换热器的传热面积。

(2)列管换热器的管程和壳程设计参数也是设计过程中的关键。以某项目为例，管程流体流速要求控制在1.5m/s以内，管径选为25mm，管长为6m，管子数量为100根，采用三角形排列。壳程方面，壳体直径为1.2m，壳体高度为3m，壳体材料为碳钢。此外，还需考虑壳体法兰、接管等辅助设备的尺寸，以确保整个换热器系统的密封性和耐压性。

(3)设计过程中还需考虑换热器材料的耐腐蚀性、耐热性和力学性能。以某项目为例，管子材料选为不锈钢，壳体材料选为碳钢。管子材料的不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐热性，适用于高温、高压和腐蚀性较强的工况；壳体材料碳钢具有良好的耐压性和力学性能，能够满足换热器运行过程中的压力要求。在设计时，还需根据相关标准和规范，对材料进行力学性能和耐腐蚀性测试，确保换热器安全可靠运行。

四、列管换热器性能分析

(1)列管换热器的性能分析是评估其热交换效率的关键步骤。以某化工厂的冷却水换热器为例，该换热器用于将高温反应液冷却至工艺要求的温度。在性能分析中，首先通过实验测量了换热器的实际传热系数，发现其实际传热系数为0.12kW/(m2·K)，略低于设计值0.15kW/(m2·K)。进一步分析发现，管程和壳程的流体流速分别为1.8m/s和1.2m/s，均高于设计值，这可能是由于实际运行中泵的功率高于设计值，导致流速增加。通过调整泵的运行参数，将流速降至设计值，可以进一步提高换热器的传热效率。

(2)在列管换热器的性能分析中，还必须考虑流体流动的阻力损失对能耗的影响。以某项目中的列管换热器为例，通过测量和计算，发现壳程的摩擦损失系数为0.025，管程的摩擦损失系数为0.020。