正戊烷冷凝器的設(shè)計目錄第一章前言 1第二章概述 22.1列管式換熱器的概述 22.2列管式換熱器的結(jié)構(gòu)組成 2第三章正戊烷立式列管式換熱器的設(shè)計和計算 33.1設(shè)計方案的論述 33.1.1列管式換熱器形式的選擇 33.1.2流體流動通道的選擇 43.1.3換熱器的安裝方式 43.1.4流體流速的選擇 43.2工藝計算和設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 63.2.1計算冷、熱載體的定性溫度 63.2.2計算熱負(fù)荷 63.2.3選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值 63.2.4初選換熱器的規(guī)格 73.2.5核算總傳熱系數(shù)KO 83.2.6計算壓降 10第四章?lián)Q熱器材料和主要參數(shù) 114.1換熱器材料選用 11第五章設(shè)計總結(jié) 125.1本設(shè)計的優(yōu)點及存在問題 125.2設(shè)計過程中的體會 12附錄 13參考文獻(xiàn) 14第一章前言課程設(shè)計是本課程的一個重要組成部分，它是學(xué)生理論聯(lián)系實際，鞏固和綜合運用所學(xué)知識的學(xué)習(xí)過程，是培養(yǎng)學(xué)生掌握典型的化工設(shè)備的設(shè)計程序和計算方法，查閱各種技術(shù)資料，編寫技術(shù)文件及進(jìn)一步提高繪圖能力的一種教學(xué)方法；也是培養(yǎng)學(xué)生深入掌握和靈活運用所學(xué)知識，特別是較全面地運用該課程知識的一次鍛煉；同時又培養(yǎng)學(xué)生的獨立工作能力和分析問題的一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)化工原理課程設(shè)計要求，同時注意理論，聯(lián)系實際，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)計一臺多程列管式換熱器，包括設(shè)計方安論述、工藝計算和主要結(jié)構(gòu)尺寸的計算或選擇。換熱器是進(jìn)行熱量傳遞的通用工藝設(shè)備，它在煉油、輕化工及其一般化工業(yè)中廣泛應(yīng)用著，例如冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等。隨著化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，各種換熱器發(fā)展很快，新型結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，以滿足各工業(yè)部門的需要。列管式換熱器是目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的一種傳熱設(shè)備，由于不斷的改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)也教完善。換熱器的設(shè)計即是通過傳熱過程計算確定經(jīng)濟(jì)合理的傳熱面積以及換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸，以完成生產(chǎn)工藝中所要求的傳熱任務(wù)。換熱器的選用也是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計算所需的傳熱面積，選擇合適的換熱器。由于參與換熱流體特性的不同，換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)特點的差異，因此為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝的實際需要，設(shè)計或選用換熱器時需要考慮多方面的因素，進(jìn)行一系列的選擇，并通過比較才能設(shè)計或選用出經(jīng)濟(jì)上合理和技術(shù)上可行的換熱器。第二章概述2.1換熱器的概述換熱器是進(jìn)行熱量傳遞的通用工藝設(shè)備，它在煉油、輕化工及其他一般化學(xué)工業(yè)中廣泛應(yīng)用著，例如冷卻、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等。隨著化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，各種換熱器發(fā)展很快，新型結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，以滿足各工業(yè)部門的需要。列管式換熱器是目前生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的一種傳熱設(shè)備，由于不斷的改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)也較完善。在本書中講述的換熱器也是列管式的黑液加熱器，其它類型在此書不作概述。2.2列管式換熱器的結(jié)構(gòu)組成列管式換熱器主要由管束、管極、折流極、殼體和封頭（或稱殼蓋）等部分組成。管束由許多平列的管子組成并緊緊地固定在管極上，而管極和外殼連接在一起。在管外安裝的許多折流極是為了增加流體在管外空間的流速，并是流體能多次錯流流國管束以改善給熱情況，而折流極的安裝固定則通過拉桿和定距管束實現(xiàn)。在換熱器的外殼和封頭裝有流體的出入口，封頭與管極之間構(gòu)成流體的分配室（亦稱管箱），有時在殼體和封頭還裝有檢查孔，為安裝測量儀表用的接口管以及排液孔和排氣孔。此外，還有封頭與殼體的連接附件法蘭，承托設(shè)備重量并固定的位置的支座等。進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連接管處進(jìn)入，在管內(nèi)流動，從另一端封頭的出口管流出，稱為管程；另一種流體由殼體的接管進(jìn)入，在殼與管間流動，從殼體上的另一接管處流動，稱為殼程。在列管換熱器中，管束的表面積就是傳熱面積，即當(dāng)列管式換熱器在進(jìn)行熱交換時，一種流體由管程接管處進(jìn)入換熱器內(nèi)，另一種流體從殼程接管進(jìn)入管束和筒體之間的空隙內(nèi)流動，依靠兩種流體的溫度差，通過管壁進(jìn)行換熱。當(dāng)傳熱面積較大，管子數(shù)目較多時，為了提高管內(nèi)流體的流速，增大管內(nèi)一側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)，常將全部管子平均分成若干組，流體每次只流經(jīng)一組管子，然后折回進(jìn)入另一組管子，如是依次往返流過各組管子，最后由出口處流出，成為多管程結(jié)構(gòu)。第三章正戊烷立式列管式換熱器的設(shè)計和計算3.1設(shè)計方案的論述3.1.1列管式換熱器形式的選擇列管式換熱器易于制造,生產(chǎn)成本較低,選用的材料范圍廣,換熱表面清洗性較方便適應(yīng)性強(qiáng),處理能力大,高溫高壓場合下也能應(yīng)用.現(xiàn)在,列管式換熱器種類很多,目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分,主要有以下幾種:（一）固定管板式換熱器如圖1a所示,這種換熱器是列管換熱器中構(gòu)造最簡單,使用較普通的一種.它是借脹接,焊接法成脹接—焊接法等,將管束的兩端固定在殼體兩端的固定板上構(gòu)成的.由于管板是與外殼固定在一起的,所以稱之為固定管板式列管換熱器.這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單/緊湊,重量輕,造價便宜,在相同的殼程情況下,可較其它型式的列管換熱器多排一些傳熱管子,但管外不能機(jī)械清洗.為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。圖1-b為具有溫差補(bǔ)償圈的固定管極換熱器依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力，但這種裝置只能用在殼壁與管壁溫差低與和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6時，由于補(bǔ)償圈過厚難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。（二）浮頭式換熱器換熱器的一塊管極用法蘭與外殼相連接，另一塊管極不與外殼連接，以便管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管極上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。如圖1-c所示，這種換熱器的優(yōu)點為管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不收殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱介質(zhì)的溫差較大時，不會因管束也殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。對于列管式換熱器，一般要根據(jù)換熱流體的腐蝕性及其他特性來選擇結(jié)構(gòu)與材料，根據(jù)材料的加工性能，流體的壓力與溫度，本次課程設(shè)計的是黑液由62加熱到83；采用蒸汽加熱，溫差等于47，再根據(jù)上述（一）、（二）的兩種類型換熱器，所以選固定極管式換熱器，因為其結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、重量輕、造價低廉等優(yōu)點。3.1.2流體流動通道的選擇由于用固定管極式換熱器，它要求不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，以便清洗管子；腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管子同時受腐蝕；飽和水蒸汽宜走殼程，以便于及時排除冷凝水；被冷卻的流體宜走殼程，以便與散熱。所以，黑液走管程通道，飽和水蒸汽走殼程通道，這是最合理的選擇方式。3.1.3換熱器的安裝方式有立式、臥式兩種。立式立式的安裝方式有其自身的優(yōu)缺點。其優(yōu)點是占地面積小，不用支承極，結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，清洗方便。其缺點是重心不穩(wěn)，冷凝時，傳熱效果差。臥式臥式的安裝方式也有其優(yōu)缺點。重心穩(wěn)，維修方便，冷凝時，傳熱效果好，但其占地面積大，需要支承極。根據(jù)本設(shè)計的要求，再綜合立式、臥式的優(yōu)缺點，認(rèn)為立式安裝方式最為適合本設(shè)計的要求。3.1.4提高流體在換熱器中的流速，可增大對流傳熱系數(shù)；減少污垢在管壁上沉積的可能性，即減少污垢熱阻；使傳熱系數(shù)k值提高，從而減少換熱器的傳熱面積。但是，流速增加，又會使流體阻力增大，動力消耗增多。所以，適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)核算才能定出。在選擇流速時，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)；管子太長不易清洗，且一般管子的長度都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑逃謺蛊骄鶞囟炔钕陆?。此外，?dāng)提高流速能使對整個傳熱有決定性影響的增大時，才能提高k值，否則對傳熱將無多大改善，這些都是選擇流速時應(yīng)予以考慮的。表3－1列出了常用的流速。表1－1流體在管路中常用流速范圍流體性質(zhì)及情況常用流速的范圍m/s一般液體（水及μ低于水液體）1.5～3.0粘性液體0.5～1.0飽和水蒸氣20～30冷凝水0.3～0.53.2工藝計算和設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算3.2入口溫度為，出口溫度為(3-1)式中(3-2)(3-3)水的定性溫度為(3-4)兩流體的溫差，故選固定管板式換熱器(3-5)物性流體溫度℃密度kg/m3粘度mPa·s比熱容kJ/(kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)正戊烷51.75960.182.340.13地下水28.99995.70.80074.1740.61763.21、計算熱負(fù)荷Q,按正戊烷計算：(3-6)Wc=(3-7)2、有效平均溫差：Δt1=51.7-18=33.7℃Δt2=51.7-42=逆流溫差(3-8)3.2在設(shè)計計算中,往往參照工藝條件相仿,設(shè)備類似而又比較成熟的經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為設(shè)計的依據(jù),表3-2列出了列管換熱器中k的經(jīng)驗值,供使用參考.表2-2列管換熱器中k的經(jīng)驗值冷流體熱流體傳熱系數(shù)水水850～1700水氣體17～280水輕有機(jī)溶劑470～810粘性膠體水蒸汽冷凝280～850水水蒸汽冷凝1420～4250氣體水蒸汽冷凝30～300糖液水蒸汽冷凝580～1400有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑115～340根據(jù)管道走水，殼程走正戊烷，根據(jù)經(jīng)驗值總傳熱系數(shù)K=470～815W/（m2.℃），取K0=550W/(m2.℃)傳熱面積計算：S'=(3-9)考慮20%的面積裕度，則S=1.20S=1.221.34=25.63.21、管徑及管內(nèi)流速：選用Ф25×2.5的傳熱鋼管，取管內(nèi)流速0.6m/s。2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)：依據(jù)熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱系數(shù)：(3-10)按單程管計算，所需的傳熱管長度為(3-11)按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長l=3m，則該換熱器管程數(shù)為(3-12)傳熱管總根數(shù)：N=453=135根3、換熱器實際換熱面積：S0=nd0(L-0.1)=1353.140.025(3-0.1)=30.73m2(3-13)實際總傳熱系數(shù)：K0=W/(m2.℃)(3-14)4、傳熱管排列和分程方法：采用正三角形排列，取管心距t=1.25d,則T=1.2525=31.2532(mm)(3-15)橫過管數(shù)中心線的管數(shù)：n=1.1(3-16)5、殼體內(nèi)徑：采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率則殼體內(nèi)徑為：D=1.05t(3-17)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=0.25500=125mm，取折流板間距B=0.3500=150折流板數(shù)Nb==-1=19塊7、接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u=1.0m/s則接管內(nèi)徑為d==0.122m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為120mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為d==0.088m去標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm3.2.計算管程對流傳熱系數(shù)因為Wc=8.33kg/s,Vc=m3/s(3-18)Ai=(3-19)ui=m/s(3-20)Rei=(湍流)(3-21)Pri=(3-22)(3-23)=(3-24)2、計算殼程對流傳熱系αo（1）因為是立式換熱器，殼程為正戊烷的飽和冷凝液，為飽和液體后離開換熱器?，F(xiàn)設(shè)管外壁溫tw=40℃，則冷凝管液膜的平均溫度為：0.5（ts+tw）=0.5(51.7+40)=45.85℃這與飽和溫度很接近，故在平均液膜45.85℃下的物質(zhì)可沿用飽和溫度51.7℃下的數(shù)據(jù)：故可安垂直冷凝管的計算公式計算：（2-24）其中(3-25)（2）確定污垢熱阻：R1R2=（井水）(3-26)（3）核算總傳熱系數(shù)管材為碳管，導(dǎo)熱系數(shù)，所以（3-27）選用該換熱器時要求過程的總傳熱系數(shù)為381.1W/(m2.℃)，在傳熱認(rèn)為所規(guī)定的流動條件下計算出的K0=5304.36W/（m2.℃），故所選擇的換熱器的安全系數(shù)為：（4）核算壁溫及冷凝液流型核算壁溫時一般忽略管壁熱阻，根據(jù)下列近似關(guān)系核算tw值：(3-28)與假設(shè)的tw=40℃相差不多，原假設(shè)合理。核算冷凝液液膜流型時，計算代為潤濕周邊上冷凝液流率：(3-29)所以假設(shè)液膜內(nèi)的流動為滯流是正確的。3.2因為殼程為正戊烷在等溫等壓下的冷凝傳熱，壓強(qiáng)降忽略，故下面僅計算管程壓強(qiáng)降(3-30)前已算出：ui=0.592m/s,Rei=14608(湍流)取碳鋼粗糙度，(3-31)由摩擦因數(shù)圖得，(3-32)對于Ф25×2.5mm的管子，F(xiàn)t=1.4,且Np=3,Ns=1所以=（882.287+504.1）(3-33)由上面計算可知，該換熱器壓強(qiáng)降符合題設(shè)要求，故所選換熱器合適。第四章?lián)Q熱器材料和主要參數(shù)4.1換熱器材料選用列管接熱器的材料，主要根據(jù)操作溫度，壓強(qiáng)和物料的腐蝕性等選用。常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金、鋼、鉛等；非金屬材料有石墨。聚四氯乙烯。玻璃等。在本設(shè)計中多彩低合金鋼和碳鋼。列管式接熱器的主要參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)殼體尺寸528×14管子排列方式正三角形殼內(nèi)徑Di500mm管子根數(shù)N135根管外徑d025mm管子中心距t32mm管內(nèi)徑di20mm傳熱面積30.73管壁厚δ2.5mm管內(nèi)座數(shù)3管長L3m管外座數(shù)1公稱壓力管內(nèi)0.6mPa管材質(zhì)無縫鋼管管外0.6mPa殼材質(zhì)A3工作溫度管內(nèi)28.99℃折流板數(shù)19管外51.7℃折流板間距150mm管程接口管徑90mm殼程接口管徑120mm第五章設(shè)計總結(jié)5.1本設(shè)計的優(yōu)點及存在問題本設(shè)計的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,價格便宜,操作管理方便。換熱管內(nèi)清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，高溫高壓下也能應(yīng)用。但過程清洗不方便，因此，走殼程的液體必須為清潔液體。傳熱面積較少，只適應(yīng)中，小型工廠使用；傳熱低，結(jié)構(gòu)緊湊性以及單位換熱面積的金屬消耗等方面討論，本設(shè)計采用的列管式換熱器，不如“板式”換熱器。這也是本設(shè)計的一個缺點。5.2設(shè)計過程中的體會通過這次設(shè)計學(xué)習(xí)，我們需要耐心地計算好每一步，需要學(xué)會在不斷地演算中發(fā)現(xiàn)問題，并通過查閱資料和聯(lián)系實際來解決這些問題，。要能夠善于前后聯(lián)系，整體上把握好設(shè)計的方向。總的來說，這次的設(shè)計還是比較成功的。要想設(shè)計更好的，更適合工業(yè)化生產(chǎn)的換熱器，那還需要大量查閱資料，不斷積累經(jīng)驗與相關(guān)知識。通過這次設(shè)計鞏固和運用了所學(xué)的知識。它不但要求設(shè)計方案要專業(yè)，創(chuàng)造性，且計算方面也要極為精確。通過查閱各種資料，編寫技術(shù)文件，使自己各方面都有了很大的提高。主次設(shè)計使自己較全面地運用該課程的知識，培養(yǎng)了自己的獨立工作能力和分析問題。通過這次設(shè)計，使自己對自己的能力有很大的認(rèn)可，以后要更加努力，使自己更進(jìn)一步。附錄符號說明英文字母B——折流板間距，m;C——系數(shù)，無量綱；d——管徑，m；D——換熱器外殼內(nèi)徑，m；f——摩擦系數(shù)；F——系數(shù)；h——圓缺高度；K——總傳熱系數(shù)，W/（m·℃）；L——管長，m；m——程數(shù)；n——指數(shù)；管數(shù)；程數(shù)；N——管數(shù)；程數(shù)；NB——折流板數(shù)；Nu——努賽爾特準(zhǔn)數(shù)；P——壓力，Pa；因數(shù)；Pr——普蘭特準(zhǔn)數(shù)；q——熱通量，W/m2；Q——傳熱速率，W；r——半徑，m；氣化潛熱，kJ/kgR——熱阻，m2·℃/W因數(shù)；Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)；S——傳熱面積，m2；t