《材料工程基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)列管式換熱器—煤油處理能力20×104噸年換熱器設(shè)計(jì)

1、南 京 工 業(yè) 大 學(xué)材料工程基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 列管式換熱器煤油處理能力 20104 噸/年 專 業(yè)： 高分子材料 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 日 期： 2011/06/20-2011/07/01 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)成績(jī)： 列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書（一）設(shè)計(jì)題目 列管式換熱器設(shè)計(jì)煤油處理能力20103噸/年（二）設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、處理能力 列管式換熱器設(shè)計(jì)煤油處理能力噸20103/年2、設(shè)備型式 列管式換熱器3、操作條件（1）釜?dú)堃海好河?，入口溫?02，出口溫度40（2）冷卻介質(zhì)：井水，入口溫度18，出口溫度32（3）換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降：不大于105 pa（4）煤油平均溫度下的

2、物性參數(shù)：名 稱（kg/m3）cp (kj/.)（pa.s） (w/m.)煤 油9864. 190.5410-30.662 表11（5）每年按300天計(jì)算，每天24h連續(xù)運(yùn)行（三）設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 （1）根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確認(rèn)設(shè)計(jì)方案（2）初步確認(rèn)換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸（3）核算換熱器的傳熱面積和管,殼程流體阻力（4）確認(rèn)換熱器的工藝結(jié)構(gòu)（5）繪制列管式換熱器的工藝流程圖及主體設(shè)備工藝圖目 錄一.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介. 41.1.換熱器概述1.2 列管式換熱器二.熱量設(shè)計(jì) 72.1.初選換熱器的類型 2.2.確定物性數(shù)據(jù)2.3.計(jì)算總傳熱系數(shù)2.4.計(jì)算傳熱面積三.、的校核.83.1.初選換熱器的型號(hào)和

3、基本參數(shù)3.2.換熱器實(shí)際面積和要求換熱系數(shù)3.3.核算總的傳熱系數(shù)四. 壁溫核算.114.1.壁溫核算五壓降差的校核125.1.壓降校核六工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)146.1.折流板6.2.拉桿和定距管結(jié)構(gòu)6.3.其他附件七. 輔助設(shè)備的計(jì)算擇.167.1接管計(jì)算7.2泵的選擇八. 設(shè)計(jì)結(jié)果表匯.18九主要符號(hào)說明.19十小結(jié)20十一工藝流程圖與設(shè)備圖.21十二.參考文獻(xiàn).22注：（工藝流程圖和設(shè)備圖見附圖）一 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.1換熱器的概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡(jiǎn)稱換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器廣泛應(yīng)用于機(jī)械、動(dòng)力、運(yùn)輸、空調(diào)、制冷、低溫、熱量回收、替代

4、燃料和制造領(lǐng)域中，其性能的每一點(diǎn)提高都意味巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。換熱器設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而艱辛的過程，它不僅僅是確定一個(gè)或者多個(gè)可行的解決方案，還要求確定最可能的或接近最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本書詳細(xì)介紹和應(yīng)用傳熱學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)和微積分學(xué)基礎(chǔ)課程的基本概念，以拓展換熱器理論基礎(chǔ)。介紹和應(yīng)用換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)，以解決工業(yè)實(shí)踐中遇到的換熱器實(shí)際問題。本書可作為熱工基礎(chǔ)理論知識(shí)與工業(yè)熱工設(shè)計(jì)實(shí)踐之間的紐帶，適用于在職工程師和在校大學(xué)生研究生學(xué)習(xí)及工程應(yīng)用。 換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛。 間壁式換熱器的類型也是多種多樣的，從其結(jié)構(gòu)上大致可以分為管式換熱

5、器和板式換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式換熱器主要包括型板式、螺旋板式和板殼式換熱器。1.2列管式換熱器 列管式換熱器又稱管殼式換熱器，在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容易，處理能力大，適應(yīng)性能，操作彈性較大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中使用更為普遍。u形管式每根管子都彎成u形，兩端固定在同一個(gè)管板上，因此，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。這種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。其缺點(diǎn)是管內(nèi)不易清洗，并且因?yàn)楣茏右幸欢ǖ膹澢霃剑涔馨謇寐瘦^低。圖1-1u形管式換熱器的示意圖浮頭式 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

6、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。圖1-2浮頭式換熱器的示意圖固定管板式 固定管板式即兩端管板和殼體連結(jié)成一體，因此它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。但是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較為潔凈且不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償。有具有補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)

7、部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束的熱膨脹程度不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性形變，以適應(yīng)外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種熱補(bǔ)償方法簡(jiǎn)便，但不宜用于兩流體溫度差太大和殼方流體壓強(qiáng)過高的場(chǎng)合。圖1-3固定管板式換熱器的示意圖二 熱量衡算2.1.初選換熱器類型 兩流體的溫度變化情況如下：（1）煤油：入口溫度102，出口溫度40；（2）冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度18，出口溫度32（自定）； 該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進(jìn)行冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考略到這一因素， 估計(jì)所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應(yīng)地進(jìn)行熱膨脹的補(bǔ)償，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。2.2確定

8、物性參數(shù)定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程流體（煤油）的定性溫度為：管程流體（硬水）的定性溫度為：根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。密度/ （/m3）比熱容/（kj/kg）粘度/（pas）導(dǎo)熱系數(shù)/（w/m）煤油9864.190.662水(25)9974.180.609表2.2-12.3計(jì)算總傳熱系數(shù)(1).煤油的流量已知要求處理能力為噸煤油每年（每年按300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行），則煤油的流量為：-熱流體的流量，kg/h；(2).熱負(fù)荷由以上的計(jì)算結(jié)果以及題目已知，代入下面的式子，有：q=cph(t1-t2)=27750

9、kg/h4.19kj/kg.（102-40）=w(3).平均傳熱溫差 計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差 ，暫時(shí)按單殼程、多管程計(jì)算。 逆流時(shí)，我們有 煤油： 10240 水： 3020 從而 = 此時(shí)p= r=由圖4-25（參見化學(xué)工業(yè)出版社的化工原理（第四版）147頁，可查得：=0.930.8，所以，故可選用單殼程的列管換熱器。(4).冷卻水用量 由以上的計(jì)算結(jié)果以及已知條件，很容易算得：q=kg/h(5).總傳熱面積的估算 初選傳熱系數(shù)的值范圍是290698,假設(shè)=530 傳熱面積： 三 以及的校核3.1.初選換熱器的型號(hào)和基本參數(shù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)殼徑d(dn)800mm管尺寸25mm2 mm管程

10、數(shù)np（n）6管長(zhǎng)（l）3000mm管數(shù)n322管排列方式三角形排列傳熱面積 92.7m表3-13.2.換熱器實(shí)際面積和要求換熱系數(shù)3.2.1換熱器面積 = =97.9m23.2.2換熱器要求的傳熱系數(shù) =464w/m23.3.核算總的傳熱系數(shù)3.3.1管程傳熱系數(shù)i： =0.0348 =（）（）=0.0248 =1.4m/s re1= pr1= i=0.023 =0.023 =5617.8w/m2k3.3.2殼程傳熱系數(shù)o 換熱器中心附近管排列中流體流通截面積為： =0.0525 煤油的流量為 流速為： =0.1491 m/s 正三角形排列可知： 當(dāng)量直徑： =0.0202m re2= pr

11、1= re2在2000-1000000范圍內(nèi)，故用以下公式： =0.95（由于液體被冷卻） =0.36 =0.36 =1945 w/m2k3.3.3確定污垢熱阻 污垢熱阻： rsi=0.00058m2/w rso=0.000172 m2/w3.3.4總傳熱系數(shù)計(jì)算管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2/w管壁厚度： b=0.002內(nèi)外平均厚度： dm=0.023 =612.7 w/m2k選用換熱器時(shí)，要求過程的換熱系數(shù)為492.4w/m2，在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出總的傳熱系數(shù)為612.7 w/m2k，故裕量為： h=24.4%表明該換熱器負(fù)荷要求。四 壁溫核算4.1壁溫核算 核算壁溫時(shí)，一

12、般忽略管壁熱阻，按以下公式計(jì)算： m=0.4t1+0.6t2=64.8 tm=0.4t1+0.6t2=23.6=i=3454.1w/m2k， = 2502 w/m2k =40.9 =71-40=30 與假設(shè)基本一致，符合條件，不需要熱補(bǔ)償裝置。五 壓降差校核5.1.壓降校核5.11管程流動(dòng)阻力 管程壓力降的計(jì)算公式為： 其中ns=1 , np=2 , ft=1.5re=2097610000，為湍流，傳熱管相對(duì)粗糙度為查流速,所以 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。5.1.2殼程流動(dòng)阻力 殼程壓力降埃索法公式為： 式中 流體橫過管束的壓力降，pa； 流體通過折流擋板缺口的壓力降，pa； fs殼程壓力降

13、的垢層校正系數(shù)，對(duì)液體ft=1.15； ns殼程數(shù)； a.流體流經(jīng)管束的阻力 其中 ，, f管子排列方法對(duì)壓力降的校正系數(shù)，對(duì)正三角形排列，f=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45o排列，f=0.4，正方形排列，f=0.3; fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)re500時(shí)， nc橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)正三角形排列nc nb折流擋板數(shù) 代入數(shù)值得： b.流體流經(jīng)折流板缺口的阻力 其中 ,， d殼徑，m b折流擋板間距，m 代入數(shù)值得： c.總阻力 經(jīng)過以上的核算，我們發(fā)現(xiàn)，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。六 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1.折流板設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍動(dòng)，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管

14、束的作用。常用的有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板，弓形折流板又分為單弓形、雙弓形、三重弓形等幾種形式。 單弓形折流板用得最多，弓形缺口的高度h為殼體公稱直徑dg的15%45%，最好是20%，見圖1-22（a）；在臥式冷凝器中，折流板底部開一90的缺口，見圖1-22（b）。高度為1520mm，供停工排除殘液用；在某些冷凝器中需要保留一部分過冷凝液使凝液泵具有正的吸入壓頭，這時(shí)可采用堰的折流板。 在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會(huì)有一部分液體停滯起來，形成對(duì)傳熱不利的“死區(qū)”。為了消除這種弊病，宜采用雙弓形折流板或三弓形折流板。從傳熱的觀點(diǎn)考慮，有些換熱器（如

15、冷凝器）不需要設(shè)置折流板。但為了增加換熱器的剛度，防止管子振動(dòng)，實(shí)際仍然需要設(shè)置一定數(shù)量的支承板，其形狀與尺寸均按折流板一樣來處理。折流板與支承板一般均借助于長(zhǎng)拉桿通過焊接或定距管來保持板間的距離。 由于換熱器是功用不同，以及殼程介質(zhì)的流量、粘度等不同，折流板間距也不同，其系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。允許的最小折流板間距為殼體內(nèi)徑的20%或50mm，取其中較大值。允許的最大折流板間距與管徑和殼體直徑有關(guān)，當(dāng)換熱器內(nèi)流體無相變時(shí)，其最大折流板間距不得大于殼體內(nèi)徑，否則流體流向就會(huì)與管子平行而不是垂直于管子，從而使傳熱膜

16、系數(shù)降低。折流板外徑與殼體之間的間隙越小， 殼程流體介質(zhì)由此泄漏的量越少，即減少了流體的短路，使傳熱系數(shù)提高，但間隙過小，給制造安裝帶來困難，增加設(shè)備成本，故此間隙要求適宜。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表6.1-1所列數(shù)據(jù)。表6.1-1 折流板厚度/ mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616支承板厚度一般不應(yīng)小于表6.1-2(左)中所列數(shù)據(jù)。支承板允許不支承的最大間距可參考表6.1-2（右）所列數(shù)據(jù)。殼體直徑/mm4004

17、008009001200管子外徑/mm19253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm1500180025003400表6.1-2支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距 根據(jù)d=800mm，可以查的折流板厚度為8mm支撐板厚度為8mm 折流板間距b=0.3m 折流板數(shù)為 =3/0.31=9塊6.2.拉桿和定距管 在保證大于或等于所給的總截面積的前提下，拉桿的直徑和數(shù)量可以變動(dòng)，但其直徑不得小于10mm，數(shù)量不得小于4根。表6.2-1根據(jù)=25mm，所以拉桿直徑為16mm；表6.2-2 拉桿數(shù)量拉桿直徑 公稱直徑mm 400 700104612441644根據(jù)公稱直徑d=700mm，取6

18、根拉桿，定距管依拉桿定。第七章 輔助設(shè)備的計(jì)算和選擇7.1.接管的計(jì)算7.1.1.井水接管（設(shè)計(jì)工作壓力為0.5mpa） =1.68m/s 取(1.2-1.4)u =162mm 查化工原理書可得，取的普通無縫鋼管，經(jīng)校核滿足要求。7.1.2.煤油接管（設(shè)計(jì)工作壓力為0.3mpa） =0.2m/s 取(1.2-1.4)u =223mm 同理可得的普通無縫鋼管，經(jīng)校核滿足要求。7.1.3.補(bǔ)水管道（設(shè)計(jì)工作壓力為0.4mpa） u=1m/s =99mm 取dn=100mm7.2.泵的選擇 取，均采用離心泵7.2.1.輸水泵 ， 水的實(shí)際流量 =0.0348/s （）max=1.1=0.0383/s

19、 出口流速 u=1.95m/s 揚(yáng) 程 h=44.34m 雷諾數(shù) re=取 ， 查莫迪圖知 w/m.伸長(zhǎng)管為5m，底閥全開，2個(gè)90度彎頭，計(jì)算阻力損失為：=2.64m 總的揚(yáng)程=44.34+2.64=46.98m，h=1.1=51.68m 故采用離心泵的型號(hào)為is80-65-160.7.2.2.補(bǔ)水泵 ，, u=1m/s 揚(yáng) 程 h=42.64m 取壓頭損失 2.64m 總的揚(yáng)程=42.64+2.64=45.28m， h=1.1=49.8 采用離心泵的型號(hào)為is80-50-200；7.2.3.輸油泵 u=o.2m/s 流速 =1.1u=0.22m/s 揚(yáng)程 h=42.64m 雷諾數(shù) re=取

20、 ， 查莫迪圖知 w/m.伸長(zhǎng)管為5m，底閥全開，2個(gè)90度彎頭，計(jì)算阻力損失為：=1.3m 總的揚(yáng)程=42.64+1.3 =43.94m， h=1.1=48.334 采用離心泵的型號(hào)為is80-50-200.八 設(shè)計(jì)結(jié)果表匯 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表參數(shù)管程殼程進(jìn)、出口溫度，18/32102/40壓力，pa17487993流量，kg/s0.03480.00783物性物性溫度，2571密度，kg/m3997986定壓比熱容，kj/（kg）4.184.19粘度，pas0.000902180.00054熱導(dǎo)率，w/m0.6090.662結(jié)構(gòu)參數(shù)形式管板式換熱器殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑，mm450臺(tái)數(shù)

21、1管徑，mm252 管心距，mm32管長(zhǎng)，mm3000管子排列管數(shù)，根430折流板數(shù)，個(gè)9傳熱面積，m297.9折流板間距，mm300管程數(shù)6材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速，m/s1.40.1491污垢熱阻，m2/w0.000580.000176熱流量，kw1102傳熱溫差，31傳熱系數(shù)，w/(m2k)567面積裕度/%24.4%九 主要符號(hào)說明主要參數(shù)見下表：十 小結(jié)為期10天的課程設(shè)計(jì)將要結(jié)束了。在這兩周的學(xué)習(xí)中，我學(xué)到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，獲益匪淺。 在短短的兩周里，從一開始什么都很模糊，到后來與同學(xué)的討論，再進(jìn)行整個(gè)流程的計(jì)算，其中經(jīng)過了反復(fù)的修改與訂正，再到對(duì)工業(yè)材料上的選取論證以及后期的設(shè)計(jì)報(bào)告及流程圖的繪制，我深深的感受到了理論與實(shí)際相結(jié)合中的種種困難，也體會(huì)到了利用所學(xué)的有限的理論知識(shí)去解決實(shí)際中各種問題的不易。