1、化工原理課程設(shè)計(jì)題 目:列管式換熱器的設(shè)備工藝設(shè)計(jì) 成 績:目 錄1前 言31.1換熱器的簡單介紹31.2換熱器的類型31.3設(shè)計(jì)的目的及意義32設(shè)計(jì)部分42.1確定設(shè)計(jì)方案42.1.1 選定換熱器類型42.1.2 選定流體流動(dòng)空間及流速42.2 確定物性數(shù)據(jù)42.3 估算傳熱面積42.3.1計(jì)算熱負(fù)荷（熱流量或傳熱速率）42.3.2計(jì)算冷卻水用量42.3.3計(jì)算逆流平均溫度差42.3.4初選總傳熱系數(shù)K52.3.5估算傳熱面積52.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸52.4.1管徑和管內(nèi)流速52.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)52.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)52.4.4傳熱管排列和分程方法62.4.5殼體內(nèi)徑62.

2、4.6折流板62.4.7其他附件62.4.8接管62.4.8.1殼程流體(煤油)進(jìn)出口接管62.4.8.2管程流體（冷卻水）進(jìn)出口接管62.5換熱器核算72.5.1傳熱能力核算72.5.1.1殼程對流給熱系數(shù)72.5.1.2管程給熱系數(shù)72.5.1.3污垢熱阻與管壁熱阻82.5.1.4總傳熱系數(shù)82.5.1.5傳熱面積82.5.2核算壁溫82.5.3傳熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力92.5.3.1管程流動(dòng)阻力92.5.3.2殼程流動(dòng)阻力92.6換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果一覽表10參考文獻(xiàn)10 1前 言1.1換熱器的簡單介紹換熱器（heatexchanges），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備

3、，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。隨著人類社會生活的發(fā)展，換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。近年來，由于科技的快速發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。換熱器既可是一種

4、單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。1.2換熱器的類型換熱器根據(jù)不同的方式分類也不同。按傳熱原理分為表面式換熱器、蓄熱式換熱器、流體連接間接式換熱器、直接接觸式換熱器；按用途分為加熱器、預(yù)熱器、過熱器、蒸發(fā)器；按結(jié)構(gòu)分為浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。接下來著重介紹浮頭式換熱器和管板式換熱器。1.2.1浮頭式換熱器的簡介新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺

5、桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個(gè)以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通。浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 1.2.2管板式換熱器的簡介 板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進(jìn)行熱量交換。板式換熱器是液液、液汽進(jìn)行熱交換的理想設(shè)備。在相同壓力損失情況下，其傳熱系數(shù)比管式換熱器高3-5倍，占地面積為管式換熱器的三分之一，熱回收率可

6、高達(dá)90%以上。板式換熱器主要由板式換熱器板片和板式換熱器密封墊片、固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板、夾緊螺栓、上導(dǎo)桿、下導(dǎo)桿、后立柱七部分組成；具有傳熱系數(shù)高對數(shù)平均溫差大、末端溫差小、容易改變換熱面積或流程組合、重量輕、價(jià)格低、制作方便、容易清洗、單位長度的壓力損失大、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中是用的比較多的一種換熱器。 1.3設(shè)計(jì)的目的及意義 換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換器的噸位約占整個(gè)工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。通過本次設(shè)計(jì)，對本學(xué)期所學(xué)的化學(xué)工程基礎(chǔ)進(jìn)行整體的回顧，查漏補(bǔ)缺，擴(kuò)寬知識面，了解換熱器的類型及用途，熟悉換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備結(jié)構(gòu)

7、設(shè)計(jì)計(jì)算和換熱器的核算，知道換熱器在日常生活中扮演著非常重要角色，掌握課程設(shè)計(jì)的一般步驟。在工業(yè)設(shè)計(jì)中，根據(jù)處理量的不同，選擇合適的換熱器，為換熱系統(tǒng)的節(jié)能、低耗和高效益打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過設(shè)計(jì)，使同學(xué)們樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)設(shè)備工藝設(shè)計(jì)計(jì)算如下兩流體均為無相變，本設(shè)計(jì)安非標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的一般設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。2設(shè)計(jì)部分2.1確定設(shè)計(jì)方案2.1.1 選定換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體（煤油）入口溫度為200，出口溫度為40，冷流體（冷卻水）入口溫度為30，出口溫度為50。兩流體的定性溫度如下：煤油的定

8、性溫度Tm=(200+40)/2=160冷卻水定性溫度tm=(30+50)/2=40兩流體的溫差Tm-tm=160-40=120可選用列管式換熱器。2.1.2 選定流體流動(dòng)空間及流速因冷卻水較易結(jié)垢，為便于污垢清洗，故選定冷卻水走管程，煤油走殼程。同時(shí)選用25mm2.5mm的較高級冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.6m/s。2.2 確定物性數(shù)據(jù)查化工原理附表，兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下流體物性定性溫度/密度/(kg/m2)黏度/Pas比熱容/kJ/(kg)熱導(dǎo)率/W/(m)煤油1207510.0007527.250.141冷卻水40992.20.0006564.1740.63382.3 估

9、算傳熱面積2.3.1計(jì)算熱負(fù)荷（熱流量或傳熱速率）接管間煤油計(jì)算，即Q=m1CP1(T1-T2)=3.21077.251000(200-40)/(330243600)=1301.9kW2.3.2計(jì)算冷卻水用量忽略熱損失，則水的用量為=15.6kg/s2.3.3計(jì)算逆流平均溫度差逆流溫差 tm,逆=51.72.3.4初選總傳熱系數(shù)K查傳熱手冊，參照總傳熱系數(shù)的大致范圍，選定大致的傳熱系數(shù)，現(xiàn)假設(shè)K=500W/(m2)2.3.5估算傳熱面積A=50.36m2考慮到15的面積裕度， A=1.15A=1.1550.36=57.9m22.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.4.1管徑和管內(nèi)流速前已選定，管徑為25mm2.

10、5mm，管內(nèi)流速為ui=1.0m/s。2.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)nsns=50(根) 按單管程計(jì)算所需換熱管的長度LL=14.75(m)按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，根據(jù)本題實(shí)際情況，取傳熱管長l=4.5m，則該換熱管的管程數(shù)為Np=4(管程)傳熱管的總根數(shù)NT=504=200(根)2.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 首先計(jì)算P和R參數(shù)：P=0.125R=8查圖或按公式獲取并求取tm 單殼程雙管程屬于1-6折流，現(xiàn)用1-6折流的公式計(jì)算溫差校正系數(shù)和傳熱平均溫度差。=0.97tm=26.87因，選用單殼程的列管式換熱器。2.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列，

11、即每層內(nèi)正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列。取管心距t=1.25d0,則即t=1.252532mm隔板中心到最近一排管中心的距離S：按凈空不小于6mm的原則確定，亦可按下式求?。?S=32/2+6=22mm分程隔板兩側(cè)相鄰排管之間的關(guān)心距=222=44mm管中心距t與分程隔板槽兩側(cè)相鄰管排中心距ta的計(jì)算結(jié)果與給出的數(shù)據(jù)完全一致，證明可用。2.4.5殼體內(nèi)徑采用六管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.6，則殼體內(nèi)徑=613mm 取D=700mm2.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25700=175mm 取h=175mm取折流板間距為B=0.3

12、D=0.3700=210mm 取B=210mm 則折流板數(shù)為=27.57 取NB=27(塊)折流板圓缺水平安裝。2.4.7其他附件拉桿直徑為12mm，其數(shù)量不少于26根。殼程入口應(yīng)該設(shè)置防沖擋板。2.4.8接管2.4.8.1殼程流體(煤油)進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)煤油流速為0.5m/s,則接管內(nèi)徑=0.0617m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為641.0mm2.4.8.2管程流體（冷卻水）進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)冷卻水的流速為2.5m/s，則接管內(nèi)徑=0.0895m 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為903.5mm其余接管內(nèi)徑忽略。2.5換熱器核算2.5.1傳熱能力核算2.5.1.1殼程對流給熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用克恩（ken）公式

13、當(dāng)量直徑由正三角形排列得=0.020m殼程流通截面積=0.32m2課程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為u0=0.047m/sRe0=940=430=113w/(m2)2.5.1.2管程給熱系數(shù) 管程流通面積Si=0.7850.0202200/4=m2管程流體、雷諾數(shù)及普朗特常數(shù)分別為=1.014m/s=2711810000(湍流)=4.963由上可知，Re10000,Pr0.7,根據(jù)Dittus和Boelter關(guān)聯(lián)式，冷流體加熱，n=0.4=4795W/(m2)2.5.1.3污垢熱阻與管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取RS0=0.0004m2/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取Rs1=0

14、.0006m2/W管壁的熱導(dǎo)率：碳鋼的熱導(dǎo)率=45W/(m)。2.5.1.4總傳熱系數(shù)=m2/WK=599W/(m2)2.5.1.5傳熱面積理論傳熱面積 =80.88m2該換熱器的實(shí)際換熱面積=3.140.025(6-0.1)200=95m2面積裕度 100%=100%=17.5%換熱面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。2.5.2核算壁溫因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁壁溫按下式計(jì)算：=（200+40）/2=120=38取兩側(cè)污垢熱阻為零，計(jì)算壁溫，得傳熱管平均壁溫：=37.42殼體平均壁溫，近似取殼程將流體的平均溫度，即120殼體平均壁溫與傳熱管平均壁溫之差：120-37.42=82.582.

15、5.3傳熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力2.5.3.1管程流動(dòng)阻力（Ft結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù)）取換熱管壁粗糙度為0.01mm，則=0.0005，而=27118，查圖得i=0.035，流速Ui=1.0m/s,密度=992.2kg/m3所以：=5209.1Pa=1488.3Pa對25mm2.5mm的管子有Ft=1.4,且Np=4，Ns=1=(5209.1+1488.3)1.441=37505.5Pa500時(shí)，f0=5.0Re0-0.288=1.05nc 橫過管束中心線的管數(shù)農(nóng)村nc=16 折流板間距B=0.21m,折流板數(shù)NB=27,uo=0.047m/s=5121Pa流體經(jīng)折流板缺口的阻力，

16、=6495Pa=(5121+6495)1.151=21716.8Pa參考表3-10，該換熱器的壓降在合理的范圍之內(nèi)，故設(shè)計(jì)的換熱器合適。2.6換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程流率/(kg/h)4040.456160溫度(進(jìn)/出)/30/50200/40壓力/MPa11物性參數(shù)定性溫度/40120密度/(kg/m3)992.2751比熱容/kJ/(kg)4.1747.52黏度/Pas0.0006560.000752熱導(dǎo)率/W/(m)0.63380.141普朗特?cái)?shù)4.96343設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm450殼程數(shù)1管子規(guī)格25mm2.5mm管心距/mm32管長/mm6000管子排列正三角形管子數(shù)目/根200折流板數(shù)/塊27傳熱面積/m295折流板距/mm210管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.0140.032傳熱膜系數(shù)/W/(m2)4795113污垢熱阻/(m2/W)0.00010.0006阻力損失/MPa0.021