化工原理課程設(shè)計(jì)之列管式換熱器

1、設(shè)計(jì)者：班級生物0902姓名鄭勇廖祥兵學(xué)號 20093503 20093509指導(dǎo)教師：陸愛霞設(shè)計(jì)成績：進(jìn)度說明書圖紙總分日 期：2011-11-19西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院目錄1 .綜述 31.1 換熱器較 2 .課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 43 設(shè)計(jì)計(jì)算 53. 1確定設(shè)計(jì)案 3. 2流動空間以及流速的確定 53 . 3確定流體流動及進(jìn)出口溫度 53. 4計(jì)算兩流體的平均溫度差 83 . 5 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量4 換熱器主要附件的確定及工藝結(jié)構(gòu)尺寸 84.1 污垢熱阻 94.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 94.3 平均溫度校正和殼程數(shù) 104.4換熱管排列和分程法 104.5 折流板和接管 115 核

2、算總傳熱系數(shù) 115.1殼程對流傳熱系數(shù) 115.2管程對流傳熱系數(shù) 125.3 總傳熱系數(shù) 135.4 設(shè)計(jì)裕度 136 .核算壓強(qiáng)降 136.1 管程壓強(qiáng)降 136.2 殼程壓強(qiáng)降 147換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果158換熱器的安裝與維修 166 參考文獻(xiàn) 161.綜述換熱器的分類與比較，根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式，換熱器基本上可分為 三大類即間壁式混合式和蓄熱式，其中間壁式換熱器應(yīng)用最多，所以主要討論此類換熱器。1.1換熱器的分類與比較(一)管式換熱器管式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束管束兩端固定于管板上。在管式換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩

3、種流體，一種在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系 數(shù),通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路，增加流體速度,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種，前者應(yīng)用更為廣泛。流體在管內(nèi)每通過管束一次稱為一個(gè)管程，每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體的速度，可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板，將全部管子平均分隔成若干組。這樣，流體可每次只通過部分管子而往返管束多次，稱為多管程。同樣，為提高管外流速，可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間，稱多殼程。在管式換熱

4、器內(nèi)，由于管內(nèi)外流體溫度不同，殼體和管束的溫度也不同。管式換熱器根據(jù)生產(chǎn)需要的不同還可分為蛇管換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器。(1) .蛇管換熱器這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器想適應(yīng)的形狀并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕性材料制造；其缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍流程度 低，管外對流傳熱系數(shù)小。(2) .套管式換熱器套管式換熱器是用兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接稱為同心圓的套管，外面的叫殼程內(nèi)部的叫管程。兩種不同介質(zhì)可在殼程和管程內(nèi)逆向流動(或同向)以達(dá)到換熱的效果。(3) .列管式換熱器列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管

5、板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì)，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這 稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。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：固定管板式換熱器：這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械 清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋 和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同

6、溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同， 產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力， 以至管子扭彎或使管子從管板上松脫， 甚至毀壞換熱器。浮頭式換熱器：換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為浮頭”所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體 約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。 U型管式換熱器：U形管式換熱器，每根管子都彎成 U形，兩端固定在同一塊管板上， 每根管子皆可自由伸縮，從而解決

7、熱補(bǔ)償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子 可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。（二）板式換熱器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。它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多， 在適用的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢。2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2.1設(shè)計(jì)題目：煤油換熱器的設(shè)計(jì)2.2設(shè)計(jì)條件：51、 處理能力1.188 X 10噸/年煤油2、 設(shè)備型式列管式換熱器3、操作條件a. 煤油

8、：入口溫度 120C，出口溫度 40 Cb. 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度 1030C，出口溫度 5060Cc. 允許壓強(qiáng)降：不大于 1.5 X 105Pad .每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。3設(shè)計(jì)計(jì)算3.1確定設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)條件，由于被冷卻流體煤油不夠清潔，因此不能選用U形管式換熱器；另外，由于被冷卻流體煤油與熱流體自來水的溫差相對來說比較高，所以排除了選固定管板式換熱器的可能性。然而浮頭式換熱器，它的兩端管板的有一端可以沿軸向自由浮動，這種結(jié)構(gòu)不但完全清楚了熱應(yīng)力，而卻整個(gè)管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修。因此，此次設(shè)計(jì) 應(yīng)選擇浮頭式的列管式換熱器。根據(jù)設(shè)備的使用合理性原則，

9、3.2流動空間以及流速的確定從增加兩物流的傳熱膜系數(shù)看，應(yīng)使煤油走管程，冷卻水走殼程。但由于冷卻水較易結(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；又被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。所以從總體考慮，應(yīng)使冷卻水走管程，煤油走殼程。選用25 X 2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取0.8m/s 。3.2計(jì)算總傳熱系數(shù)3.2.1確定流體流動及進(jìn)出口溫度定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程煤油的定性溫度為12040T=80 (C)2管程流體的定性溫度為取進(jìn)口溫度 25C，出口溫度 55Ct=Zfc）2根據(jù)定性溫度分別查取流體的有關(guān)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)查工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊可得煤油在80

10、C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度匸0 = 781kg/m2導(dǎo)熱系數(shù)，o =0.144W/(mC )粘度% =0.664 X 10-Pa s冷卻水在40 C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度幾=992.2g/m3定壓比熱容cp1 =4.17kJ/(kg C)導(dǎo)熱系數(shù)=0.6338w(m C)粘度3叫=0.656 10 Pa s322計(jì)算兩流體的平均溫度差兀_覽21n / ：t2=34.625 C(120-56) - (40 - 24)I 120 56 In40-243.2.3計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量熱流量qm1 =1.188 105 103 /330 24 =15000kg/hQ=qmi Cp1 (T1 -T2

11、)/3600=15000 2280 80/3600二 760000w冷卻水用量qm2 二760000Cp2 & 弋)4174 (53 - 27)-20483.948kg/h324總傳熱系數(shù)假設(shè)總傳熱系數(shù)K = 400w/( m2 -C)3.3換熱器主要附件的確定及工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.3.1 污垢熱Rsi =0.00034394 m2 C /WRS0 =0.00017197 m C /W3.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)3.3.2.1計(jì)算傳熱面積QK Atm760000400 34.625=54.874 m4考慮 15%勺面積裕度S =1.15 S =1.15 54.874 = 63.105m?3.3.2.

12、2管徑和管內(nèi)流速選用25X 2.5伽的傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速為 5=0.8 m/S3.3.2.3管程數(shù)和傳熱管數(shù)ns23根V =20483.948/3600/992.2 一 2 冗人 20.785 0.020.8d u1按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為n dns63.1053.14 0.025 23= 34.95imL=9米管，4管程該換熱器管按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在取 程數(shù)為Np = 23 X 4 =92 根3.3.2平均溫度校正和殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)120-4056 -24= 2.556 -24= 0.3332120 -24按雙殼程，四管程，溫差校正系數(shù)應(yīng)

13、查有關(guān)圖表，可得。 =0.89:tm 二 t 二 34.625 0.89 =30.816C3.3.3熱流量的校正IQ = K A Atm = 400 漢 63.105 漢 30.816 = 777900 w3.3.4換熱管排列和分程法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角排列，隔板兩惻采用正方形排列.取管心距t 25d。,則t =1.25 25 = 31.25 32mm橫過管束中心線的管數(shù)nc =1.19 N =1.19.92 =11.41（根）：12（根）采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.7,則殼體內(nèi)徑為D = 1.05t N =1.05 32 92 0.7 = 385.198mm取 400mm3

14、.3.5折流板和接管3.3.5.1 折流板（按單殼程計(jì)算）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 =0.25 400 = 100mm故可取100 mm取折流板間距B=0.4D，則 B =0.4 400 = 160mm可取B為180mm折流板數(shù)Nb傳熱管長折流板間距9000 -仁 49（塊）180折流板圓缺面水平裝配。335.2接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為 u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為4 15000 36003.14 1.0二 0.082（ m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u =1.0m/s，則接管內(nèi)徑為g415

15、00TT0 992.f085（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm。3.4核算總傳熱系數(shù)3.4.1殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用克恩公式/、0.14：o =0.36ReO.55Pr13 豐de比丿當(dāng)量直徑，由正方形排列得de二d40.0322 -0.785 0.02523.14 0.025= 0.020(m)殼程流通截面積S。J BD 1 -2dol = 0.5x 0.18漢 0.4 1 - t丿哎5 =0.00788(m)0.032殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為U015000 3600 781 j.677(m/s)0.007880.00066415925-813cpPr :0228 103 0.6

16、664 10 .10.7370.141粘度校正2144 )rdeuP00.02x0.677x781Re。=普蘭特準(zhǔn)數(shù)36 需 159925.8130.55 10.73宀 1146.239W/m2 342管程對流傳熱系數(shù)九 0 80 4：1 = 0.023 Re Prdi管程流通截面積S1 = 0.785 0.02223 = 0.00722(m2)管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為20483.948/(3600 992.2) =0.794(m/s)0.00722Re02 O794 9922 = 24018.50.000656普蘭特準(zhǔn)數(shù)33pr/.17410O.65610=4.320.6338% =0.

17、023 漢 06338漢 240180.8 漢 4.320.4 =4181.001w/(m2/C J0.02343總傳熱系數(shù)_：1 dir dobd。f 1Rs1- Rs。d1 d1：-0.02541801.001 0.0200.0003440.025.0025 .250.0001720.02045 0.022511146.239.2= 544.955W/m C3.4.4 設(shè)計(jì)裕度傳熱面積777900544.955 30.8162-46.322m該換熱器的實(shí)際傳熱面積 SpSp 二：doL N -nc= 3.14 0.025 (9-0.06)92-12= 56.1 4?m2)該換熱器的面積裕度

18、為H100%S56.143 -46.32246.322100% = 21.202%傳熱面積裕度適宜，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)3.5核算壓強(qiáng)降3.5.1 管程壓強(qiáng)降DR 二加R電 FtNsNpN s =2, Np =4 , Ft -1.43.5.2-Pi = iI h2d 2：P22由Re二24018，傳熱管相對粗糙度 0.005,查圖一一摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系得 二=0.034W/m :C，流速 5 = 0.794m/s, ? = 992.2kg/m3 ,所以P190.794992.2=0.034 -0.02 2- 2 2U1c 992.2 0.794lP23 -2 2= 478

19、5.217Pa= 938.277 PaDR =出 巳 RNsNp5=4785.217 938.277 2 1.4 4 = 64103.133Pa ： 1.5 10 Pa 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程壓強(qiáng)降MP=3PPP2FtNsNs =2 , Ft =1 .15流體流經(jīng)管束的阻力心 p =Ff?！癱(Nb +n2F =0.4fo =5 15925.813 228 = 0.5995nc =12u0 =0.677P =0.4 漢 0.595 匯 12 漢(49+1/7810.67722= 25525.314Pa流體流過折流板缺口的阻力2B九23.5 -ID 2B =0.18m. D =0.4mP2 =49 疋 3.5二 22801.173Pa2 0.18781 0.6772快0.42總阻力Z =P0 -(25525.31422801.173) 1.15 2 =1.112 105Pa ： 1.5 105Pa殼程流動阻力也合適3.3.3換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 （見下表）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式：浮頭式換熱器換熱面積（m2