列管式換熱器的設(shè)計(化工原理課程設(shè)計)

1、寸錄亠.任務書1.1. 化工原理課程設(shè)計的重要性1.2. 課程設(shè)計的基本內(nèi)容和程序1.3. 列管式換熱器設(shè)計內(nèi)容14設(shè)計任務和操作條件1.5. 主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖二.概述及設(shè)計要求2.1. 換熱器概述2.2. 固定管板式換熱器2.3. 設(shè)計要求三.設(shè)計條件及主要物理參數(shù)3.1.初選換熱器的類型3.2. 確定物性參數(shù)3.3. 計算熱流量及平均溫差3.4. 管程安排（流動空間的選擇）及流速確定3.5. 計算傳熱系數(shù)k3.6. 計算傳熱面積四.設(shè)計結(jié)果匯總五.設(shè)計評述六.工藝流程圖七.符號說明一化工原理課程設(shè)計任務書1.1.化工原理課程設(shè)計的重要性化工原理課程設(shè)計是學生學完基礎(chǔ)課程以及化工原理課程以后，

2、進一步學習工程設(shè)計的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學生工程設(shè)計能力的重要教學環(huán)節(jié)， 也是學生綜合運用化工原理和相關(guān) 選修課程的知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，完成以單元操作為主的一次工程設(shè)計的實踐。 通過這一 環(huán)節(jié)，使學生掌握單元操作設(shè)計的基本程序和方法，熟悉查閱技術(shù)資料、國家技術(shù)標準， 正確選用公式和數(shù)據(jù)，運用簡潔文字和工程語言正確表述設(shè)計思想和結(jié)果； 并在此過程中 使學生養(yǎng)成尊重實際問題向?qū)嵺`學習，實事求是的科學態(tài)度，逐步樹立正確的設(shè)計思想、 經(jīng)濟觀點和嚴謹、認真的工作作風，提高學生綜合運用所學的知識，獨立解決實際問題的 能力。12課程設(shè)計的基本內(nèi)容和程序化工原理課程設(shè)計的基本內(nèi)容有：1設(shè)計方案簡介：對給定或選定的工

3、藝流程、主要設(shè)備的型式進行簡要的論述。2、主要設(shè)備的工藝計算：物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計 和工藝尺寸的設(shè)計計算。3、輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備規(guī)格型號的選定。4、工藝流程圖：以單線圖的形式描繪，標出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向、物流 量、主要測量點。5、主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。6、編寫設(shè)計說明書：可按照以下幾步進行：1. 課程設(shè)計準備工作 有關(guān)生產(chǎn)過程的資料； 設(shè)計所涉及物料的物性參數(shù)； 在設(shè)計中所涉及工藝設(shè)計計算的數(shù)學模型及計算方法； 設(shè)備設(shè)計的規(guī)范及實際參考圖等。2. 確定設(shè)計方案3. 工藝設(shè)

4、計計算4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計5. 工藝設(shè)計說明書封面：課程設(shè)計題目、學生班級及姓名、指導教師、時間。目錄設(shè)計任務書概述與設(shè)計方案的簡介設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表工藝設(shè)計計算輔助設(shè)備的計算及選型設(shè)計結(jié)果匯總表設(shè)計評述工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖（11）參考資料（12）主要符號說明以上即為我們在課程設(shè)計中所涉及的主要內(nèi)容。1.3. 列管式換熱器設(shè)計內(nèi)容131、確定設(shè)計方案（1）選擇換熱器的類型；（2流程安排132、確定物性參數(shù)（1）定性溫度；（2）定性溫度下的物性參數(shù)133、估算傳熱面積（1）熱負荷；（2）平均傳熱溫度差；（3）傳熱面積；（4）冷卻水用量1.3.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速；（2）管程

5、數(shù)；（3）平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)；（4）傳熱管排 列和分程方法；（5）殼體內(nèi)徑；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管1.3.5、換熱器核算（1）傳熱能力核算；（2）壁溫核算；（3）換熱器內(nèi)流體的流動阻力14.設(shè)計任務和操作條件某廠用井水冷卻從反應器出來的循環(huán)使用的有機液。欲將6000kg/h的植物油從140C冷卻到40C，井水進、出口溫度分別為20C和40C。若要求換熱器的管程和殼程壓強降 均不大于35kPa,試選擇合適型號的列管式換熱器。 定性溫度下有機液的物性參數(shù)列于附 表中附表項密度，比熱，粘度，Pas熱導率，目kg/m3KJ/(kgC)kJ/(mC)植物 油9502.2610.

6、7420.17215.主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（示例）根據(jù)設(shè)計結(jié)果，可選擇其它形式的列管換熱器浮頭蓋浮頭管槻*一一 二.概述及設(shè)計要求2.1.換熱器概述換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠，換熱器的費用約 占總費用的10%-20%在煉油廠約占總費用35%-40%換熱器在其他部門如動力、原子 能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應用。因此，設(shè)計和選擇得到使用、 高效的換熱器對降低設(shè)備的造價和操作費用具有十分重要的作用。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡稱換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式

7、。其中間壁式換熱 器應用最廣泛，如表2-1所示。表2-1傳熱器的結(jié)構(gòu)分類類型特點間管固定管 式剛性結(jié)構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般w 50C）,管間 不能清洗列式帶膨脹節(jié)有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合殼管U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難壁填料函外填料函管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力 較咼的介質(zhì)式式內(nèi)填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場合式釜式殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮式雙套管式結(jié)構(gòu)比較復雜，主要用于高溫高壓場合和固定床 反應器中套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝 器或預熱器螺旋管式沉浸式用于

8、管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板面式板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的 液體間換熱螺旋板式可進行嚴格的逆流操作，有自潔的作用，可用做 回收低溫熱能傘板式結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流 體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太 高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過程分階段交替進行，適用于從高溫爐氣中 回收熱能的場合22固定管板式因設(shè)計需要，下面簡單介紹一下固定管板式換熱器。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)簡單造價低廉的優(yōu)點。 但 是由于殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應是較為潔凈且不易

9、結(jié)垢的物料。當兩流體的 溫度差較大時，應考慮熱補償。有具有補償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定板式換熱器，即在外 殼的適當部位焊上一個補償圈，當外殼和管束的熱膨脹程度不同時，補償圈發(fā)生彈性變形 （拉伸或壓縮），以適應外殼和管束的不同的熱膨脹程度。這種熱補償方法簡單，但不宜 用于兩流體溫度差太大（不大于 70C）和殼方流體壓強過高（一般不高于 600kPa）的場 合。1-擋板 2- 補償圈 3-放氣嘴圖2.2.1.固定管板式換熱器的示意圖2.3. 設(shè)計要求完善的換熱器在設(shè)計和選型時應滿足以下各項基本要求：(1) 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：增大傳熱系數(shù)提高平均溫差妥善布 置傳熱面等三個方面具體著手

10、。(2) 安全可靠換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵循我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定和鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標準。(3) 有利于安裝操作與維修直立設(shè)備的安裝費往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應便于運輸與拆卸，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保 溫層。(4) 經(jīng)濟合理評價換熱器的最終指標是：在一定時間內(nèi)(通常1年內(nèi)的)固定費用(設(shè)備的購置費、 安裝費等)與操作費(動力費、清洗費、維修費)等的總和為最小。在設(shè)計或選型時，如 果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務的需要，這一標準就尤為重要了。.三.設(shè)計條件

11、及主要物理參數(shù)3.1. 初選換熱器的類型兩流體的溫度變化情況如下：(1) 植物油：入口溫度140C，出口溫度40C；(2) 冷卻介質(zhì)：井水，入口溫度 20C，出口溫度40C；該換熱器用循環(huán)冷卻井水進行冷卻，由于 & -怙=14 40一40 20 =60C 50C ,所 2 2需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，故從安全、方便、經(jīng)濟考慮可以采用帶有補償圈的管板式換熱器。3.2. 確定物性參數(shù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體， 其定性溫度可取流體進出口溫度的平均 值。殼程流體(植物油)的定性溫度為：T= (140+40)/2=90 C管程流體(水)的定性溫度為：t= (40+20) /2=

12、30 C在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(冷卻水和植物油)的物性參數(shù)，見下表3-1 :密度/ (kg/m3)比熱容/ ( kJ/kg?C)粘度/ (Pa?s)導熱系數(shù)/ ( kJ/m?C)植物油9502.2617.42 X 10-40.172水995.74.1748.01 X 10-40.6183.3. 計算熱流量及平均溫差3.3.1.熱流量以熱介質(zhì)植物油為計算標準算它所需要被提走的熱量：Q=ms1Cp1 (T1-T2)=6000x2.261x(140-40)=1356.6kJ/h=376.83kw3.32平均傳熱溫差計算兩流體的平均傳熱溫差 暫時按單殼程、多管程計算 逆流時，我們有植物油

13、：140C 40C 井水：4020 C從而，,100-20小“.-：tm49.69ln 100 20而此時，我們有：t2 1140-2020P - =0.17T1 -T2140-20120T1 -T214040100R 12 =5.00t 1140-2020式中：Ti，T2 熱流體（植物油）的進出口溫度，單位C； t1, t2 冷流體（井水）的進出口溫度，單位CR2+1R-1Ini-p1-PR2-P(1+R-R2+1)2-P(1+R+ r2+i )52 11-0.16, 2-0.16(15 - .521)In In0.875 -11 -O.16 5.2-0.16(15 521)0.8符合要求則

14、平均溫差： tm= ：tm X 書=0.87x49.69=43.23C3.3.3. 冷卻水用量由以上的計算結(jié)果以及已知條件，很容易算得冷卻水用量:Qc=Cpc(t2 - t1)=1356600/4.174x(40-20)=16250.60kg /h3.4. 管程安排（流動空間的選擇）及流速確定已知兩流體允許壓強降均不大于 35kPa；兩流體分別為植物油和水。與植物油相比， 水的對流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增 長速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應使循環(huán)自來水走管程， 而使植物油走殼程。表3-2.列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍流體種類

15、流速/ （m/s）管程殼程冷卻水13.50.51.5一般液體(黏度不咼)0.53.00.21.5低黏油0.81.80.41.0咼黏油0.51.50.30.8由上表，初步選用 25X 2.5的碳鋼管，則管內(nèi)徑di=25-2.5 X 2=20mm管內(nèi)流速取u=1.2m/s,從管內(nèi)體積流量為：Vi =n( n /4) X 0.022 X 1 X 3600=16250.60/995.7=16.32m 3/h 解得 n=15參照列管換熱器中2K=330W/n?CK值的大致范圍，根據(jù)兩流體的具體情況，初步選定總傳熱系數(shù)傳熱面積：A=nL =376.83 X 103/(330 X 43.23)=26.41

16、m2可以求得單程管長 L=26.41/(15 X 3.14 X 0.025)=22.38m若選用6m長的管，需要4管程，則一臺換熱器的總管數(shù)為4X15=60根.查化學工業(yè)出 版社第三版？化工原理？附錄十九，可以初步確定換熱器的主要參數(shù)見下表3-3 :項目數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)殼徑D(DN)400mm管尺寸 25mnX 2.5mm管程數(shù)Np(N)4管長6 m管數(shù)n76管排列方式組合式排列中心排管數(shù)ncM1管心距32mm管程流通面積Si0.0060m 2傳熱面積35.2m 2注：由于是多程，為了方便安裝分程板，采用組合式排列更方便。3.4.1.對表中的數(shù)據(jù)進行核算：每程的管數(shù) n1 =n/Np=76-4=1

17、9,管程流通面積 si =( n /4) X 0.02 2X 19= 0.005966 m與表中的數(shù)據(jù)0.0060 m很相符。=傳熱面積 A= n d0 Ln=3.14 X 0.025 X 6X 76= 35.79 m稍大于表中 35.2 m,這是由于管長的一部分需用于在管板上固定管子，應以表中的值為準。由于換熱管是組合式排列，除在分程板兩側(cè)采用正方形排列外，大部分地方采用的 是正三角形排列，故中心排管數(shù)可以按照正三角形排列的形式計算：中心排管數(shù)nc1.1 . n=1.1 X 76113.5傳熱系數(shù)K根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在(GB151-99P140-141)選取污垢熱阻：污垢熱阻：Ri

18、=0.00058mTc /W R so=0.00017 m2 C /W管壁的導熱系數(shù)： =45 m2C /W管壁厚度：b=0.0025內(nèi)外平均厚度：d n=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得K =先Rs： d:ididi僉+邑+ Rsodi so :o.250.00058 巡 .25 .253681.74 0.020.0245 0.02250.000171440.39=280.43W/m2C973.6傳熱面積S_ =88l.4i8m5m555.43 19.79J四.設(shè)計結(jié)果匯總換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表參數(shù)冷卻水植物油進、出口溫度，C20/40140/40壓力，Mpa40030

19、0密度，kg/m3995.7950定壓比熱容，kJ/ (kg?C)4.1742.261粘度，Pa?s0.0008010.000742熱導率，W/m?c0.6180.172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，mm400臺數(shù)1管徑，mm25 7.5管心距，mm32管長，mm6000管數(shù)，根76管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果熱流量，KW376.83傳熱溫差，C43.23傳熱系數(shù)，W/(m2K)280.43傳熱面積，m231.08五.設(shè)計評述在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱

20、 器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。列管式換熱器是最典 型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù) 主導地位列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用， 是目前應用最廣的類型。由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一 種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳 熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋

21、板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程 多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。 等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方 便，適用于易結(jié)垢的流體。流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內(nèi)流體 速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管 子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝 縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大， 換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼 體溫度差超過50C時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。進行換熱的冷熱兩 流體，按以下原則選擇流道：不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便；腐 蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時受腐蝕；壓力高的流體宜走管程，以免殼體承 受壓力；飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無關(guān)，且冷凝液容易排出；若兩流體溫度差較大，選用固定管板式換熱器時，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼