課程設計說明書
海水換熱器（冷凝器）的設計
院（系） 輕工與食品學院
專業食品質量與安全
班級 2012級
指導老師馬四朋
學生姓名付根迪
2023年 7 月 16日
課程設計評語：
課程設計總評成績：
課程設計答辯老師簽字：
年月日第一章化工原理課程設計任務書 4
一、題目：海水換熱器（冷凝器）的設計 5
二、任務及步驟： 5
（一）工藝設計 5
（二）結構設計 5
（三）機械設計 6
三、作業份量： 6
第二章確定設計方案 7
2.1 冷卻器的型式的選擇 7
2.2 流程的選擇 7
2.3 流速的初步選擇 8
2.4 流體進出口溫度的初步確定 8
2.5 流體物理性質 8
2.6 安裝方式 9
第三章估算傳熱面積及基本尺寸的確定 9
3.1 總傳熱量（忽略熱損失） 9
3.2冷卻海水的流量（忽略熱損失） 9
3.3平均傳熱溫差 9
3.4初算傳熱面積 10
3.5換熱管選取 10
3.6管程數和傳熱管數 10
3.7殼程數的選取 10
3.8傳熱管的排布和分程 11
第四章換熱器核算 11
4.1管程傳熱膜係數 11
4.2殼程傳熱膜係數 12
4.3總傳熱系數k 12
4.4傳熱面積校核 13
4.5壁溫核算 13
4.6管程阻力核算 13
4.7殼程阻力 13
4.8工藝設計結論 14
第五章主要構件的設計計算及選型 14
5.1 殼體 14
5.2管板 15
5.3 支撐板 16
5.4拉桿及定距管 17
5.5 分程隔板 18
5.6封頭及管箱 18
5.7接管及其法蘭 19
5.8支座 21
第六章離心幫浦的選擇 24
第七章設計計算結果彙總表 24
第八章設計總結 26
致謝： 26
參考資料： 27
某液化石油氣運輸船需設計一冷凝器，將丙烷氣（石油氣組分之一）在一定溫度和壓力下冷凝成為液體。冷卻劑用海水。設計的基礎資料如下：
1丙烷氣：
處理量：0.325kg/s；
溫度：35℃（對應的飽和氣體壓力： 1.203mpa ）
2海水（冷卻劑）：
海水初溫：25℃；
海水終溫：30℃。
1、了解換熱流體的物理化學性質和腐蝕性能。對確定的換熱器型式（管殼式？或板式？
）進行簡要論述。（如果有時間和興趣，可對液化石油氣運輸船的再液化裝置流程進行論述，以理解本設計的實際意義。）
2、由熱平衡計算傳熱量的大小，並確定第二種換熱流體（海水）的用量。
3、決定流體通入的空間。
4、計算流體的定性溫度，以確定流體的物性資料。
5、初算有效平均溫差。一般先按逆流計算，然後再校核。
6、選取管徑和管內流速。
7、計算總傳熱系數k值，包括管程對流傳熱系數和殼程對流傳熱系數的計算。由於殼程對流傳熱系數與殼徑、管束等結構有關，因此一般先假設乙個殼程對流傳熱系數，以計算k值，然後再作校核。
8、初估傳熱面積。考慮安全係數和初估性質，因而常取實際傳熱面積是計算值的1.15~1.25倍。
9、選擇管長l。
10、計算管數n。
11、校核管內流速，確定管程數。
12、畫出排管圖，確定管距，確定殼徑d和殼程擋板形式及數量等。
13、校核殼程對流傳熱系數。
14、校核有效平均溫差。
15、校核傳熱面積，應有一定安全係數，否則需重新設計。
16、計算流體流動阻力。如阻力超過允許範圍，需調整設計，直至滿意為止。
17、其他。如流體進出口管管徑的計算等。
包括：換熱管在管板上的固定方法；分程隔板與管板的連線；管板與殼體的連線；折流板與支承板等的連線；換熱器安裝方式等。
包括：確定殼體壁厚、管板尺寸；選擇換熱器封頭、法蘭、接管（流體進出口管）法蘭、支座、接管設計。管子拉脫力核算等。
1、設計說明書乙份，內容包括：
（1）目錄；
（2）設計任務書；
（3）工藝流程圖；
（4）流程方案的說明與論證；
（5）設計結果概要（包括主要裝置的特性引數、設計時規定的主要操作引數、各種物料的量和狀態等等）；
（6）設計計算與論述；
（7）對設計的評述及對有關問題的分析討論；
（8）列出參考文獻（編號、作者、文獻名稱、出版單位、和出版年份）
2、換熱器裝配圖（1號圖紙）。按照有關繪製化工裝置圖的要求進行繪製（其中區域性剖面放大圖如：封頭、管板、外殼具體連線的區域性放大圖；管子與管板連線的區域性放大圖；管子排列圖等）。
本設計中海水換熱器（冷凝器）選用帶有支撐板的列管式換熱器，因為列管式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結構緊湊、堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料製造，適用性較強，操作彈性大，且適用於高溫、高壓的大型裝置中。
本設計溫差較小，殼程壓力低，因此選用固定管板式列管換熱器。
本冷卻器的管程走冷卻用海水，殼程待冷凝的丙烷氣體。丙烷氣體與海水逆向流動換熱。其原因如下：
首先，海水易結垢，為便於清潔，宜走管程；
其次，飽和蒸汽宜走殼程，以便及時排除冷凝液，且蒸汽較潔淨，以免汙染殼程。
再次，被冷卻的流體宜走殼程，以便於散熱，增強冷卻效果。
海水的流速：1.4 m/s
丙烷氣體流速為：10 m/s
管內流體（海水）：
進口溫度：t1＝25 ℃
出口溫度：t2＝30 ℃
管外流體（丙烷）：
進口溫度：t1＝29 ℃
出口溫度：t2＝29 ℃
操作壓力：pc＝1.203mpa mpa
設計壓力：pdc=1.3233 mpa
海水定性溫度為：
丙烷溫度不變，定性溫度為35℃
查《海洋手冊》得，鹽度為3.5%的海水在27℃，101.3kpa下的有關物性引數如下表：
查純物質物理性質軟體，丙烷在定性溫度35℃，1.203mpa時的物性：
其中，根據理想氣體狀態方程，且丙烷在常溫常壓下的密度為2.02kg/m3,得：
冷卻器是小型冷卻器，採用臥式較適宜。
總傳熱量
△tm =
=[(35-25)-(35-30)]/ln(35-25)/（35-30）=7.2℃
其中：查《化工原理（上）》p185圖4-43查的：校正係數為
所以，由於管程氣體壓力較高，故可選較大的總傳熱系數。初步設定設k=650w·m-2·k-1則估算的傳熱面積為
黃銅在稀硫酸、亞硫酸。中等濃度的鹽酸、醋酸、氫氟酸中抗腐蝕性良好，普遍應用與海水冷卻劑，一次選用拉製黃銅管，取管內海水流速ui=1.4m/s
選取普通黃銅h68，查的密度8500kg/m3, 導熱係數λ=116.7w/(m·k)
依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數
(根)按單程管計算，所需的傳熱管長度為
按單管程設計，傳熱管過長，宜採用多管程結構。現取傳熱管長 l=6m ，則該換熱器管程數為
np=l/l=24/6=4
傳熱管總根數 n=12×4=48（根）
由3.3，
＞0.8，所以採用單殼程
採用組合排列法，每程內均按正三角形，隔板兩側採用正方形排列：
n=4則同管程管心距為：
隔板間相鄰兩管的管心距為
管程的流通面積為
海水實際流速及其雷諾數普朗特數為
海水為高粘度液體，所以，管內傳熱膜係數hi為
對管內壁溫度tw，由,
對管外壁,由，可得
其中，定性溫度=
查的此時丙烷（液）的ρ=480.21kg/m3,λ=0.0908w/(m·k),μ=8.965*10-5pa·s
其中，r=317500j/kg，n=4
查《傳熱傳質過程裝置設計》表1-12（a）,取管內汙垢熱阻ri（海水）=9*10-5(m2·k)/w,管外汙垢熱阻r0（丙烷）=1.76*10-4(m2·k)/w
滿足換熱器設計所要求的1.1~1.25的範圍，總傳熱系數初選合適。
對計算傳熱面積，由qi＝si△tm，
si＝qi/(△tm)＝103200/(789.35*7.2)=18.16m2
實際傳熱面積為：
該換熱器的面積裕度為
=0.24
處於要求的15％~25％的範圍內，該換熱器符合實際生產要求。
本換熱器溫差較小，不需要進行溫度補償核算。
查《化工原理（上）》p47moody圖，黃銅管ε=0.03mm，ε/di=0.0015,得，
λ=0.0283 w/（m·k）
對直管壓降，
△p1==
彎管迴路中的壓降(一般情況下取3)
△p2＝=pa
總壓降：∑△pi ＝（△p1+△p2）ft ns np
＝(7797.6+2755.4)×1.4×4×1
=59097pa≈59.1kpa
冷凝器殼程流體有相變，故殼程阻力不用核算。
選取換熱器g400ⅳ-1.6-22，總換熱係數789.35 w·m-2·℃-1
總傳熱面積22.608m2,換熱管長度6m,換熱管規格φ25×2.5，普通黃銅管h68。
傳熱管總數n=48，殼體φ420×10.換熱器為單殼程四管程，海水走管程，丙烷走殼程。
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