煤油換熱器的設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì) 課題名稱 煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱 化學(xué)化工學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 1.1設(shè)計(jì)題目：煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1.2.1 處理才能： 12萬噸/年煤油1.2.2 設(shè)備形式：列管式換熱器1.2.3 操作條件： 煤油：入口溫度140，出口溫度40 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度26，出口溫度40 允許壓強(qiáng)降：不大于100KPa 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 1.3 選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)展核算 1傳熱計(jì)算 2管、殼程確實(shí)定及管、殼程流體的阻力計(jì)算 3管板厚度的計(jì)算 4U型膨脹節(jié)計(jì)算浮頭式換熱器除外 5管束振動(dòng) 6管殼式換熱

2、器零部件構(gòu)造 1.4 繪制換熱器裝配圖A1圖紙1.1課程設(shè)計(jì)的目的和要求課程設(shè)計(jì)是?化工原理?課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)絡(luò)實(shí)際的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的根本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練，有較強(qiáng)的綜合性和理論性。它要求綜合運(yùn)用本課程和前修課程的根底知識(shí)，進(jìn)展融會(huì)貫穿的獨(dú)立考慮，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成制定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。在整個(gè)教學(xué)方案中，它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作才能的重要作用。課程設(shè)計(jì)，可以讓我們樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度責(zé)任感的工作作風(fēng)。課程設(shè)計(jì)不同于平實(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要自己做出決策，即自己確定方案、選擇流

3、程、查取資料、進(jìn)展過程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇作出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比擬，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以課程設(shè)計(jì)是增強(qiáng)工程觀念、培養(yǎng)進(jìn)步獨(dú)立工作才能的有益理論。通過課程設(shè)計(jì)，可以訓(xùn)練進(jìn)步如下幾個(gè)方面的才能：1、熟悉查閱文獻(xiàn)資料、搜集有關(guān)數(shù)據(jù)、正確選用公式、當(dāng)缺乏必要數(shù)據(jù)時(shí)，自己通過試驗(yàn)測定或產(chǎn)生現(xiàn)場進(jìn)展實(shí)際查定的才能；2、在兼顧技術(shù)上先進(jìn)性、可行性，經(jīng)濟(jì)上合理性的前提下，綜合分析設(shè)計(jì)任務(wù)要求，確定化工工藝流程，進(jìn)展設(shè)備選型，并提出保證過程正常、平安運(yùn)行所需的檢驗(yàn)和計(jì)量參數(shù)，同時(shí)還要考慮改善勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的有效措施的才能；3、準(zhǔn)確而迅速地進(jìn)展工程計(jì)算的才能；4、. 用簡潔

4、的文字，明晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的才能。1.2 化工原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟一課程設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容 1. 設(shè)計(jì)方案簡介 對(duì)給定或選定的工藝流程，主要的設(shè)備型式進(jìn)展簡要的闡述； 2. 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 包括工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算及構(gòu)造設(shè)計(jì)；3. 典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算 包括典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號(hào)規(guī)格的選定；4. 主體設(shè)備工藝條件圖 圖面上應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接收表；完好的課程設(shè)計(jì)由說明書和圖紙兩局部組成。說明書是設(shè)計(jì)的書面總結(jié)，也是后續(xù)設(shè)計(jì)工作的主要根據(jù)，應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：1封面課程設(shè)計(jì)題目、班級(jí)、姓名、指導(dǎo)老師、時(shí)間 ；2目錄；3設(shè)計(jì)

5、任務(wù)書；4設(shè)計(jì)方案簡介；5設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表；6工藝設(shè)計(jì)計(jì)算；7輔助設(shè)備的計(jì)算及選型；8設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表；9設(shè)計(jì)評(píng)述及設(shè)計(jì)者對(duì)本設(shè)計(jì)有關(guān)問題的討論；10工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖；11參考資料。二課程設(shè)計(jì)的步驟 1. 發(fā)動(dòng)和布置任務(wù)； 2. 閱讀指導(dǎo)書和查閱資料；3. 設(shè)計(jì)計(jì)算,繪圖和編寫說明書；4. 考核和辯論。整個(gè)設(shè)計(jì)是由闡述、計(jì)算和繪圖三局部組成。闡述應(yīng)該條理明晰，觀點(diǎn)明確；計(jì)算要求方法正確，誤差小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式和所用數(shù)據(jù)必須注明出處；圖表應(yīng)能簡要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果。三 、概述3.1 換熱器的開展及分類 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各換熱器，且它們是這些行業(yè)的通用

6、設(shè)備，并占有非常重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷開展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷進(jìn)步，因此對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、構(gòu)造改良及傳熱機(jī)理的研究非?；顫?，一些新型高效換熱器相繼問世。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。它是將熱流體的局部熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。 換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成局部，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。由于制造工藝和科學(xué)程度的限制，早期的換熱器只能采用簡單的構(gòu)造，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的開展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積

7、具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)消費(fèi)中成為一種典型的換熱器。 二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，構(gòu)造緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)開展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為理解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開場注意。 60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速開展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的開展，換熱器制造工藝得到進(jìn)

8、一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃開展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開場，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的開展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和開展熱管的根底上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金那么用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開場用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。換熱器按用處不同可分為加熱器、冷卻

9、器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。 換熱器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，按照傳熱面的形狀和構(gòu)造特點(diǎn)又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展外表式換熱器板翅式、管翅式等3.2列管式換熱器的分類換熱器種類繁多，形式各異，如列管式、釜式、板式、板翅式、螺旋板式、空冷器、套管式、蛇管式等。由于列管式換熱器亦稱管殼式易于制造、適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大、本錢較低可供選用的材料范圍廣泛，仍是當(dāng)前應(yīng)用最廣約占70%，理論研究和設(shè)計(jì)技術(shù)最完善，運(yùn)行可靠性良好的一類換熱器。熱管換熱器是由殼體、熱管和隔板組成的。熱管作為主要的傳熱元件，是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱裝

10、置。熱管的傳熱特點(diǎn)是熱管中的熱量傳遞通過沸騰汽化、蒸汽流動(dòng)和蒸汽冷凝三步進(jìn)展。由于沸騰和冷凝的對(duì)流傳熱程度都很大，而蒸汽流動(dòng)阻力損失又較小，因此熱管兩端溫度差可以很小，即能在很小的溫差下傳遞很大的熱流量。因此特別適用于低溫差傳熱及某些等溫性要求較高的場合。熱管換熱器具有構(gòu)造簡單、使用壽命長、工作可靠、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于氣-氣、氣-液和液-液之間的傳熱過程。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體那么溫度較低，吸收熱量。在工程理論中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的原理與前一種情形并

11、無本質(zhì)上的差異。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償構(gòu)造來分，主要有以下幾種：1 固定管板式換熱器固定板式式換熱器是用焊接的方式將連接收束的管板固定在殼體兩端。它的主要特點(diǎn)是制造方便、緊湊，造價(jià)較低。但由于管板和殼體間的構(gòu)造原因，使得管外側(cè)不能進(jìn)展機(jī)械清洗。另外當(dāng)管壁與殼體壁溫之差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)毀壞換熱器。固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，或膨脹節(jié)。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。特點(diǎn)：構(gòu)造簡單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是干凈不易結(jié)垢

12、的物料。 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的構(gòu)造特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了假設(shè)干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器構(gòu)造簡單，制造本錢低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫

13、差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。固定管板式換熱器的特點(diǎn)是：1、旁路滲流較??；2、造價(jià)低；3、無內(nèi)漏；4、固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場合。為了克制溫差應(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(shí)，為平安起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置膨脹節(jié)只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他構(gòu)造。其構(gòu)造如以下圖所示：2 浮頭式換熱器浮頭式換熱器是用法蘭把管束一端的管板固定到殼體上，另一端可

14、以在殼體內(nèi)自由伸縮，并在該端管板上一頂蓋后稱為浮頭。這類換熱器的應(yīng)用范圍廣，能在較高的壓力下工作，適用于殼體壁溫與管壁溫差較大或殼程易結(jié)垢的場合。浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)，殼體和管束對(duì)膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆構(gòu)造，使管束能容易的插入或抽出殼體。也可設(shè)計(jì)成不可拆的。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器構(gòu)造較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端小蓋在操作時(shí)無法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。 浮頭換熱器的浮頭局部構(gòu)造，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由挪動(dòng)外，還必須考慮到浮頭局

15、部的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑Di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙b1=35mm。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈撤除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)展檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)展裝配，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時(shí)的必要空間。 鉤圈對(duì)保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的開展，以及長期以來使用經(jīng)歷的積累，鉤圈的構(gòu)造形式也得到了不段的改良和完善。 鉤圈一般都為對(duì)開式構(gòu)造，要求密封可靠，構(gòu)造簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。 浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累

16、了豐富的經(jīng)歷。盡管近年來受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也不斷促進(jìn)了自身的開展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。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，因此當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)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)為構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)高。其構(gòu)造如下：3 填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，構(gòu)造比浮頭式簡單，造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。其構(gòu)造如下：4 U型管式換熱器這類換熱器只有一個(gè)管板，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

17、困難，管板上排列的管子少。其構(gòu)造如下所示：3.3 設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)要求在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體那么溫度較低，吸收熱量。在工程理論中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的根本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的差異。 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有非常重要的地位。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的1020，在煉油廠約占總費(fèi)用的3540。隨著我國工業(yè)的不斷開展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷進(jìn)步，因此對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、構(gòu)造改良及傳熱機(jī)理的研究非?；顫?，

18、一些新型高效換熱器相繼問世。 隨著換熱器在工業(yè)消費(fèi)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的構(gòu)造尺寸。 完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)根本要求： 1合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)溫度、壓力、流量、相態(tài)等與物理化學(xué)性質(zhì)密度、粘度、腐蝕性等是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)展熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比擬，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其詳細(xì)做法如下。 增大傳熱系數(shù) 在綜合考慮流

19、體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的前提下，盡量選擇高的流速。 進(jìn)步平均溫差 對(duì)于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可進(jìn)步平均溫差，還有助于減少構(gòu)造中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時(shí)，可進(jìn)步熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。 妥善布置傳熱面 例如在管殼式換熱器中，采用適宜的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束的好。假如換熱器中的一側(cè)有相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 2平安可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)展強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國?鋼制

20、石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定?與?鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定?等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的平安可靠起著重要的作用。 3有利于安裝、操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于程度或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房挪動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的阻礙，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(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)通常為1年固定費(fèi)用設(shè)備的購置費(fèi)、安裝費(fèi)等與操作費(fèi)動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，假如有幾種換熱器都能完成消費(fèi)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。 動(dòng)力消耗與流速的平方成正比，而流速的進(jìn)步又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。 傳熱面上

21、垢層的產(chǎn)生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停頓操作進(jìn)展清洗。在清洗時(shí)不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費(fèi)，這局部費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償，因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。 嚴(yán)格地講，假如孤立地僅從換熱器本身來進(jìn)展經(jīng)濟(jì)核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對(duì)象進(jìn)展經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。但要解決這樣的問題難度很大，當(dāng)影響換熱器的各項(xiàng)因素改變后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)，按照上述觀點(diǎn)單獨(dú)地對(duì)換熱器進(jìn)展經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。四、 換熱器型式及流體流動(dòng)空間的選擇4.1一般設(shè)計(jì)步驟：4.11理解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能。 4.12

22、由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。 4.13決定流體通入的空間。 4.14計(jì)算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。4.15初算有效平均溫差。一般先按逆流計(jì)算，然后再校核。4.16選取管徑和管內(nèi)流速。4.17計(jì)算傳熱系數(shù)K值，包括管程對(duì)流傳熱系數(shù)和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等構(gòu)造有關(guān)，因此一般先假定一個(gè)殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，以計(jì)算K值，然后再作校核。4.18初估傳熱面積?？紤]平安系數(shù)和初估性質(zhì)，常取實(shí)際傳熱面積是計(jì)算值的1.151.25倍。4.19選擇管長L。4.110計(jì)算管數(shù)N.4.111校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。4.112畫出排管圖，確定殼徑

23、K和殼程擋板形式及數(shù)量等。4.113校核殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。4.114校核有效平均溫差4.115校核傳熱面積，應(yīng)有一定平安系數(shù)，否那么需要重新設(shè)計(jì)。4.116計(jì)算流體流動(dòng)阻力。如阻力超過允許范圍，需調(diào)整設(shè)計(jì)，直至滿意為止。4.2一般調(diào)整方案通常情況下，像溫度、壓降和傳熱系數(shù)等設(shè)計(jì)計(jì)算控制要素很少彼此較好地相配合，經(jīng)常是某一設(shè)計(jì)要素為為設(shè)計(jì)計(jì)算的控制因素，由于一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)變得更能帶來設(shè)備尺寸的減小，因此我們找出控制因素能盡快有效的幫你解決問題。（1） 傳熱系數(shù)為控制因素時(shí)總傳熱阻力的大小主要是由殼測、管側(cè)、污垢和管子的金屬阻力來決定的，為了進(jìn)步總傳熱系數(shù)的大小，應(yīng)分析是哪一側(cè)的傳熱系數(shù)影響了它，

24、采用何種方法，可以進(jìn)步傳熱系數(shù)值。a. 進(jìn)步殼程傳熱系數(shù)的方法使用低翅管減小換熱管外徑和管間距進(jìn)步B流速度可使用密封設(shè)備或減小殼體和折流板之間的間距選用F型和或G型殼體b. 進(jìn)步管側(cè)傳熱系數(shù)的方法減小管外徑增加管長變換流動(dòng)分布，管側(cè)流動(dòng)改為殼側(cè)流動(dòng)（2） 壓力降變?yōu)榭刂埔蛩貢r(shí)a 可通過下述方法來減小殼側(cè)壓力降使用雙圓缺折流板使用TEMA J型殼體增加管間距改變流向角，可選用45或90b.可通過下述方法來減小管側(cè)壓力降增大管子外徑減小管長溫差推動(dòng)力為限制因素時(shí)為進(jìn)步溫差推動(dòng)力，最好選用純逆流型設(shè)備。增加殼程數(shù)減小E流的大小4.3 換熱器類型的選擇固定管板式：其兩端和殼體連為一體，管子側(cè)固定于管板

25、上，構(gòu)造簡單。由于管束和殼體間溫差太大會(huì)產(chǎn)生膨脹，所以外殼上通常會(huì)焊接一膨脹節(jié)，但不完全消除由于溫差而生的熱應(yīng)力。其特點(diǎn)為在一樣的殼體直徑內(nèi)，排管較多，比擬緊湊；殼側(cè)層清洗困難，加上膨脹節(jié)的方法不能照到管子的相對(duì)挪動(dòng)。比擬合適溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。本次任務(wù)中兩流體的溫度變化：己烷熱流體進(jìn)口溫度為68.7，出口溫度為40；冷卻介質(zhì)水的進(jìn)口溫度為30，出口溫度為40。該換熱器用自來水作冷卻介質(zhì)，受環(huán)境影響，進(jìn)口溫度會(huì)降低，但不會(huì)太低，由此可知該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較小，通過上一步驟中對(duì)換熱器形式及特點(diǎn)的陳述，可選用固定管板式換熱器，由于管束與殼體之間的溫差較小不會(huì)產(chǎn)生不同

26、熱膨脹，所以不必考慮加上膨脹節(jié)。4.4 流體流動(dòng)空間的選擇在管殼式換熱器的計(jì)算中，首先要決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循一些一般原那么。4.4.1宜于通入管內(nèi)空間的流體不清潔的流體：因?yàn)樵诠軆?nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間便于清洗；體積小的流體：管內(nèi)空間的流動(dòng)截面往往要比管外空間的截面要小，流體易于獲得理想的流速，而且也便于做成多程流動(dòng)。有壓力的流體：管子承壓才能強(qiáng)，而且還簡化了殼體密封要求。與外界溫差大的流體：可以減少熱量的逸散。4.4.2宜于通入管間的流體當(dāng)兩流體溫度相差較大時(shí)，值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因此也減少了管

27、束與殼體間的相對(duì)伸長，故溫差應(yīng)力可以降低。假設(shè)兩流體給熱性能相差較大時(shí)，值霄的流體走管間，此時(shí)可以用翅片管來平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之互相接近。黏度大的流體，管間的截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大。泄漏后危險(xiǎn)大的流體，可以減少泄露時(shí)機(jī)，以保平安。根據(jù)所查得的資料，不干凈或易于結(jié)垢的物料應(yīng)流經(jīng)易于清洗的一側(cè)，對(duì)于直管一般走管內(nèi)；溫度較高的物料宜走管內(nèi)一減少熱損失，但要求被冷卻的流體走殼程、黏度大的走殼程，且循環(huán)水易于結(jié)垢，所以使水走管程，煤油走殼程。根據(jù)所查得的資料，不干凈或易于結(jié)垢的物料應(yīng)流經(jīng)易于清洗的一側(cè)，對(duì)于直管一般走管內(nèi)；溫度較高的物料宜走管內(nèi)一減少熱損失

28、，但要求被冷卻的流體走殼程、黏度大的走殼程，且循環(huán)水易于結(jié)垢，所以使水走管程，己烷走殼程。4.5 材質(zhì)的選擇列管式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼：4.51碳鋼價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)比擬穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在耐腐蝕性的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。一般用10號(hào)和20號(hào)碳鋼。4.52不銹鋼奧斯體

29、系不銹鋼以1Cr8Ni9為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧斯體系不銹鋼，有穩(wěn)定的奧斯體系組織，具有良好的內(nèi)酸堿性質(zhì)。通過綜合比擬，本次設(shè)計(jì)采用10號(hào)碳鋼3 消費(fèi)條件確實(shí)定 設(shè)計(jì)一列管式煤油換熱器，完成年冷卻12萬噸煤油的任務(wù)，詳細(xì)要求如下：煤油進(jìn)口溫度140，出口溫度40；冷流體進(jìn)口溫度26，出口溫度40；每年按330天計(jì)，24小時(shí)/天連續(xù)進(jìn)展。4換熱器的計(jì)算4.1確定設(shè)計(jì)方案1、選擇換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140，出口溫度40；冷流體進(jìn)口溫度26，出口溫度40。由于該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差，大于50，因此需要考慮熱補(bǔ)償，設(shè)煤油壓力為0.3MPa，冷卻水壓力為0.4

30、MPa。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。五 列管式換熱器的計(jì)算5.1 確定設(shè)計(jì)方案1)冷卻劑的選用：自來水1、選擇換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140，出口溫度40；冷流體進(jìn)口溫度26，出口溫度40。由于該換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差，大于50，因此需要考慮熱補(bǔ)償，設(shè)煤油壓力為0.3MPa，冷卻水壓力為0.4MPa。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2、流程

31、安排本設(shè)計(jì)中的兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)采用冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。根據(jù)定性溫度，分別插取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在90的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 0=825kg/m3定壓比熱容 Cpo=2.22kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) =0.140W/(m)粘度 =0. 71510Pas冷卻水在33的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 i=994.6kg/m3定壓比熱容 Cpi=4.174kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) i=0.625W/(m)粘度 =0. 7523X10Pas方案一：三計(jì)算總傳熱系數(shù)1、熱流量2、平均傳熱溫差，并

32、確定殼程數(shù)。 逆流溫差：由P與R可查表對(duì)數(shù)平均溫度差校正系數(shù)值圖可得：=0.89又因?yàn)?0.890.8 同時(shí)殼程流量較大，故取單殼程列管式比擬適宜。3、冷卻水用量初選換熱器規(guī)那么：根據(jù)管外為有機(jī)液體，管內(nèi)為水，K值的范圍是290700W/(m)初選K=400 W/(m)，故計(jì)算傳熱面積考慮15%的面積裕度，S=1.15*S=1.15x60.0=69.3m2工藝構(gòu)造尺寸4.1管徑和管內(nèi)流速流體流速的選取表4-1 管殼式換熱器中常用的流速范圍介質(zhì)流速循環(huán)水新穎水一般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油管程流速m/s1.0-2.00.8-1.50.5-31.00.8-1.80.5-1.5殼程流速，m/s0

33、.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.00.3-0.8表4-2 管殼式換熱器中不同黏度液體的常用流速液體黏度/15001500-500500-100100-3535-115001500-500500-100100-3535-11最大流速/(m/s)0.60.751.11.51.82.4五 列管式換熱器的計(jì)算5.1 確定設(shè)計(jì)方案1)冷卻劑的選用：自來水2)換熱器型式的選擇：浮頭式換熱器3)流體殼程的選擇：由于自來水較易結(jié)垢，為便于水垢的清洗，應(yīng)使自來水走管程，煤油走殼程。4)流體流動(dòng)方向的選擇：二管程+單殼程5.2 計(jì)算過程1計(jì)算逆流傳熱的平均溫度差校正傳熱平均溫度差 由查圖

34、5-1得=0.82， 因?yàn)?.800.82，滿足要求。由此得： 圖5-1 關(guān)系圖0.8243.74=35.87(1) 計(jì)算定性溫度 (2) 查出物料和冷卻劑的物性參數(shù)物料名稱煤油質(zhì)量流量比熱容粘度密度導(dǎo)熱系數(shù) 查出冷卻劑的物性參數(shù)密度粘度比熱容導(dǎo)熱系數(shù)(3) 計(jì)算熱負(fù)荷 (4) 根據(jù)總傳熱系數(shù)K的大致范圍，初選總傳熱系數(shù)=300W/() (5) 初算傳熱面積 考慮15%的面積裕度，S=1.15*S=1.15x89.3=102.7m2(6) 根據(jù)工藝條件，選取公稱壓力 PN=2.5MPa(7) 根據(jù)流體物性，選定換熱管材為：碳素鋼(8) 由初算傳熱面積和選定的公稱壓力PN，根據(jù)管殼式換熱器行業(yè)標(biāo)

35、準(zhǔn)TB/T4717,4715-92，初定換熱器的工藝尺寸：1. 從行標(biāo)中直接查取計(jì)算換熱面積：S=922. 公稱直徑DN取600mm(卷制圓筒，圓筒內(nèi)徑為公稱直徑)3. 管長L=6m4.管壁壁厚： 252.5mm5.總管數(shù)： n=1986.中心排管數(shù)：7.管子排列方式：正方形斜轉(zhuǎn)45度排列8.管心距：t=32mm9.管程數(shù)：=210.殼程數(shù)：=111.折流板間距：h=150mm12.折流板型式：20圓缺形13.計(jì)算冷卻劑的流量14.實(shí)際傳熱面積 15.假設(shè)選擇該型號(hào)的換熱器，那么要求過程的總傳熱系數(shù)為 17.核算總傳熱系數(shù) 1管程對(duì)流傳熱系數(shù) 2殼程對(duì)流傳熱系數(shù)換熱器中心附近管排中流體流通截面

36、積 由正方形排列，得： 符合條件，那么可用以下公式計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 取換熱器列管之中心距t=32mm。 殼程中煤油被冷卻，取，所以 3污垢熱阻。 參考表5-3，管內(nèi)外側(cè)污垢熱阻分別取為表5-3 常見流體污垢熱阻流體Rsm2/kW流體Rsm2/kW水500.09清凈的河水0.21蒸餾水0.09優(yōu)質(zhì)不含油0.052海水0.09劣質(zhì)不含油0.09未處理的涼水0.58鹽水0.172已處理的涼水0.26有機(jī)物0.172已處理的鍋爐0.26熔鹽0.086硬水、井水0.58植物油0.52氣體0.26-0.53燃料油0.172-0.52空氣0.26-0.53重油0.86溶劑蒸汽0.172焦油0.172 4

37、總傳熱系數(shù) 管壁選取碳鋼作材料，那么其導(dǎo)熱系數(shù)為 由前邊的計(jì)算可知，選用該型號(hào)的換熱器時(shí)要求過程的總傳熱系數(shù)為294.54，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的=，應(yīng)選擇的換熱器是適宜的。平安系數(shù)為 5核算傳熱面積 根據(jù)核算后所得的總傳熱系數(shù)值計(jì)算 換熱器面積裕度為方案判斷：通過方案一和方案二比擬，由于方案一的裕度及平安系數(shù)4%15%及該方案不合理，而方案二的裕度及平安系數(shù)為18%，及滿足裕度在15%25%的范圍。所以選擇方案二。由方案二的數(shù)據(jù)可以得：16.核算壓強(qiáng)降 1管程壓強(qiáng)降 ，其中=1.4，=2。 管程流通面積 湍流 設(shè)管壁粗糙度=0.1mm，圖5-2中關(guān)系圖中查得：=0.03 圖5-2 關(guān)系

38、圖 故 2殼程壓強(qiáng)降 ，其中=1.15因?yàn)槠錇橐后w，=1 管子為正方形斜轉(zhuǎn)45度角排列，故F=0.4 取折流板間距h=0.15m 殼程流通面積 因此： 計(jì)算說明，管程和殼程壓強(qiáng)降均小于100kpa，滿足設(shè)計(jì)要求。六、列管式換熱器構(gòu)造設(shè)計(jì) 6.1 折流板6.1.1流板和支持板的形式常用的折流板和支持板的形式有弓形和圓盤一圓環(huán)形兩種。弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種，各種形式的折流板如圖6-2,根據(jù)需要也可采用其他形式的折流板與支持板。圖6-2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，那么切去圓缺高度h=0.25D=150mm.取折流板間距B=0.25D,那么B=0.25600=

39、150mm，可以取B為150mm。折流板數(shù)NB=L/B-1=6000/150-1=39折流板圓缺面程度裝配。折流板外徑尺寸應(yīng)該符合下表規(guī)定:表6-3表6-4考慮到腐蝕厚度1mm,選取折流板厚度為 8+1=9 mm,選取標(biāo)準(zhǔn)厚度10mm。6.1.2折流板分布折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口接收。臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時(shí)，折流板缺口應(yīng)程度上下布置，假設(shè)氣體中含有少量液體時(shí)，那么應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開通液口，如圖 (a)；假設(shè)液體中含有少量氣體時(shí)，那么應(yīng)在缺口朝下的折流板最高處開通氣口，如圖(b),臥式 換熱器、冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液相共存或

40、液體中含有固體物料時(shí)，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口，如圖 (c)；6.1.3 折流板間距折流板最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的五分之一，且不小于50mm，特殊情況下也可取較小的間距。6.1.4 最大無支撐跨距換熱管在其材料允許使用溫度范圍內(nèi)的最大無支撐跨距，應(yīng)按下表的規(guī)定：6.2 封頭上下兩封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4737-2002標(biāo)準(zhǔn)，封頭為：DN6002，曲面高度h1=150。如圖6-1所示，材料選用20R鋼。下封頭常與裙座焊接，h2=25mm，材料選用20R鋼。圖6-16.3 圓筒殼徑/mm600管子尺寸/mm252.5公稱壓強(qiáng)/MPa2.5管長/m60

41、公稱面積/92管子總數(shù)198管程數(shù)2管子排列方法正方形斜轉(zhuǎn)45度6.4 管材列管式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼：1. 碳鋼價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)比擬穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在耐腐蝕性的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。一般用10號(hào)和20號(hào)碳鋼。2. 不銹鋼奧斯體系不銹鋼以1Cr8Ni9為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧斯體系不銹鋼，有穩(wěn)定的奧斯體系組織，具有良好的內(nèi)

42、酸堿性質(zhì)。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，所以選擇碳鋼材料。6.5 換熱管與管板的連接管子與管板的連接方式主要有以下三種：a脹接；b焊接；c脹焊接 脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會(huì)引起不良后果的情況，特別適用于材料可焊性差如碳鋼換熱管及制造廠的工作量過大的情況。由于脹接收端處在焊接時(shí)產(chǎn)生塑性變形，存在著剩余應(yīng)力，隨著溫度的升高，剩余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用，所以脹接構(gòu)造受到壓力和溫度的限制，一般適用于設(shè)計(jì)壓力4Mpa，設(shè)計(jì)溫度300度，并且在操作中無劇烈地震動(dòng)，無過大的溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕；焊接連接具有消費(fèi)簡單、效率高、連接可靠的優(yōu)點(diǎn)。通過焊接，使

43、管子對(duì)管板有較好的增將作用；并且還有可降低管孔加工要求，節(jié)約加工工時(shí)，檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)優(yōu)先采用。此外，當(dāng)介質(zhì)毒性很大，介質(zhì)和大氣混合易發(fā)生爆炸介質(zhì)有放射性或管內(nèi)外物料混合會(huì)產(chǎn)生不良影響時(shí)，為確保接頭密封，也常采用焊 接法。焊接法雖然優(yōu)點(diǎn)甚多，因?yàn)樗⒉荒芡耆乐埂翱p隙腐蝕和焊接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力腐蝕，而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可靠的焊縫。焊接法雖然較脹接可以乃更高的溫度，但是在高溫循環(huán)應(yīng)力的作用下，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，列管與管孔存在間隙，當(dāng)受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕時(shí)，以會(huì)加速接頭的損壞。因此，就產(chǎn)生了焊接和脹接同時(shí)使用的方法。這樣不但能進(jìn)步接頭的抗疲勞性能，同時(shí)可以降低縫隙腐蝕傾向，因此其使用壽命比單用焊接時(shí)長的多。在什么場合下適宜施行焊、脹接并用的方法，目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。通常在溫度不太高而壓力很高或介質(zhì)極易滲漏時(shí)，采用強(qiáng)度脹加密封焊。當(dāng)在壓力和溫度都很高的情況下，那么采用強(qiáng)度焊加貼脹。貼脹的作用主要是消除縫隙腐蝕和進(jìn)步焊縫的抗疲勞性能。 由于本換熱器的工作壓力為低壓，且為低溫操作，綜合考慮各種連接工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍及性價(jià)比最終確定采用焊接