熱水冷卻器的設(shè)計(jì)[教學(xué)相關(guān)]

1、化工原理課程設(shè)計(jì)熱水冷卻器的設(shè)計(jì)姓名：李響學(xué)號(hào)：2011033216班級(jí)：化學(xué)工程與工藝112班試題yu教育一、 設(shè)計(jì)題目：2二、設(shè)計(jì)目的：2三、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 ：2四、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ：3五、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容3四、參考書(shū)目：3前 言4一、 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：51.1換熱器的選擇：5一、方案簡(jiǎn)介6二、方案設(shè)計(jì)71確定設(shè)計(jì)方案72、確定物性數(shù)據(jù)73初選換熱器規(guī)格8(2)冷卻水用量85.工藝結(jié)構(gòu)尺寸85.1管徑和管內(nèi)流速及管長(zhǎng)85.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)85.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)95.4傳熱管排列和分程方法95.5殼體內(nèi)徑105.6折流板105.7接管106換熱器核算116.1熱量核算116.

2、2換熱器內(nèi)流體的壓力降13三、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽15任務(wù)書(shū)1、 設(shè)計(jì)題目： 熱水冷卻器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的： 通過(guò)對(duì)熱水冷卻的列管式換熱器設(shè)計(jì)，達(dá)到讓學(xué)生了解該換熱器的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念?lèi)型，同時(shí)還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。3、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 ：1.處理量噸/年熱水2.設(shè)備型式列管換熱器 3. 操作條件 ：（1） 熱水：入口溫度 80 ，出口溫度 60 （2） 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 25 ，出口溫度 35 （3） 允許壓降：10Pa （4） 水在定性溫度70下的物性數(shù)據(jù)： （5）水在定性溫度70下的物性數(shù)據(jù)： （

3、4）每年按300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 4.建廠地址：大連地區(qū) 4、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ： （1）設(shè)計(jì)計(jì)算列管換熱器的熱負(fù)荷、傳熱面積、換熱管、殼體、管板、封頭、隔板及接管等。） （2）繪制列管式換熱器的裝配圖。 （3）編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。五、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中應(yīng)包括所有論述、原始數(shù)據(jù)、計(jì)算、表格等，編排順序如下： （1） 標(biāo)題頁(yè)； （2）設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)； （3）目錄； （2） 設(shè)計(jì)方案 1.選擇換熱器的類(lèi)型 2.管程安排 （5）確定物性數(shù)據(jù) （6）主要工藝參數(shù)計(jì)算（熱負(fù)荷，平均溫差、總換熱系數(shù)、換熱面積等）； （7）壓降計(jì)算； （8）設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表 （9）附圖（工藝流程簡(jiǎn)

4、圖、主體設(shè)備工藝條件圖）（10）參考文獻(xiàn)四、參考書(shū)目：1.陳敏恒等，化工原理. 上下冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.2.賈紹義，柴誠(chéng)敬等，化工原理課程設(shè)計(jì)，天津大學(xué)出版社，1994. 3.匡國(guó)柱，史啟才等化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2002. 前 言 換熱器是化學(xué)，石油化學(xué)及石油煉制工業(yè)以及其它一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備。 它不僅可以單獨(dú)作為加熱器，冷凝器使用而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備。 因此在化工生產(chǎn)中占有重要的地位。 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(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱(chēng)之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接

5、管處流出，這稱(chēng)為殼程 。主要的換熱器有： 1 固定管板式換熱器： 2 浮頭式換熱器： 3 U型管式換熱器： 4. 填料函式換熱器： 這次的化工原理課程設(shè)計(jì)，熱水冷卻器的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)熱水冷卻的列管式換熱器設(shè)計(jì)，了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念?lèi)型，同時(shí)還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，養(yǎng)成科學(xué)探索精神，細(xì)心鉆研，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)，理論聯(lián)系實(shí)際，并進(jìn)一步熟練相關(guān)的軟件，Microsoft office，ChemBioOffice，Origin85，AutoCAD2008等。1、 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：1.1換熱器的選擇：

6、 列管式換熱器是目前化工上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、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(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱(chēng)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(chēng)為殼程。 列管式換熱器種類(lèi)很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要有以下幾種：1 固定管板式換熱器： 這類(lèi)換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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

7、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。 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(shí)，為安全起見(jiàn)，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(guò)0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。2 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，

8、但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱(chēng)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(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)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。3 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，從而解決熱補(bǔ)償問(wèn)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(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。4. 填料函式換熱器： 這類(lèi)換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也

9、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)。 熱流體進(jìn)口溫度80，出口溫度60；冷流體進(jìn)口溫度25，出口溫度35。 本任務(wù)給定列管式換熱器。一、方案簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)任務(wù)是利用循環(huán)水給熱水降溫。利用熱傳遞過(guò)程中對(duì)流傳熱原則，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。下圖（圖1）是工業(yè)生產(chǎn)中用到的列管式換熱器.選擇換熱器時(shí),要遵循經(jīng)濟(jì),傳熱效果優(yōu),方便清洗,復(fù)合實(shí)際需要等原則。換熱器分為幾大類(lèi)：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器，噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，熱管式換熱器，列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場(chǎng)合。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的

10、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容易、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。二、方案設(shè)計(jì)需將熱水液體從80冷卻到60。處理能力為2.5105噸/年。冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，入口溫度25，出口溫度35。要求換熱器的管程和殼程的壓降不大于105Pa。試設(shè)計(jì)能完成上述任務(wù)的列管式換熱器。（每年按300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）1確定設(shè)計(jì)方案 （1）選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度80，出口溫度60冷流體。冷流體進(jìn)口溫度25，出口溫度35。從兩流體溫度來(lái)看，估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會(huì)很大，因此初步確定選用固定管板

11、式換熱器。（2）流動(dòng)空間及流速的確定 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)水垢，應(yīng)使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用252.0 的不銹鋼管2、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。 殼程熱水的定性溫度為：管程循環(huán)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)。 水在定性溫度70下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 h=997.8 kg/m3定壓比熱容 cph=4.187kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) h=0.6676 W/(m)粘度 h=4.06110-4 Pas水在定性溫度30下的物性數(shù)據(jù)： 密度 c=995.7kg/m3定壓比熱容 cpc=4.147 kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù) c=0.617

12、6 W/(m)粘度 c=8.00710-4 Pas 3初選換熱器規(guī)格按照殼層熱水計(jì)算熱負(fù)荷（1）熱流量 Wh=2.510510003002434722.222kg/hQh=Whcphth=34722.2224.187(80-60)=2907638.703 kJ/h=807.7 kW(1 kW=1000W3600s=3600kJ)(2)冷卻水用量(3) 平均傳熱面積 (4)計(jì)算傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=950則估算的傳熱面積為 Ao=實(shí)際面積為估算面積的1.2（1.15-1.25）倍，則實(shí)際傳熱面積為：Ao =1.2Ao=1.1521.30=24.58 m25

13、.工藝結(jié)構(gòu)尺寸5.1管徑和管內(nèi)流速及管長(zhǎng) 選用252.5傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速u(mài)i=1.2m/s，選用管長(zhǎng)為3m5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計(jì)算其流速為按單管程設(shè)計(jì)，流速過(guò)小，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。則該換熱器管程數(shù)為 (管程)傳熱管總根數(shù) N=104(根)5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)按單殼程，兩管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表?？傻闷骄鶄鳠釡夭?.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，則 t=1.2525=31.2532(mm)橫過(guò)管束中心線的管數(shù)得到各程之間可排列11支

14、管，即正六邊形可排6層。則實(shí)際排管數(shù)設(shè)為110根，其中4根拉桿，則實(shí)際換熱器為106根.5.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.7，則殼體內(nèi)徑為 圓整可取D400 mm 5.6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h0.25400100mm，故可取h100 mm。 取折流板間距B0.5D，則B0.5400200mm，可取B為200。 折流板數(shù) NB=傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1=3000/200-1=14(塊)折流板圓缺面水平裝配。5.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水流速為 u1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為108 mm11mm。 管程流

15、體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為 取89mm3.5mm無(wú)縫鋼管。6換熱器核算6.1熱量核算6.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 殼程流通截面積 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 6.1.2管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速 普蘭特準(zhǔn)數(shù)6.1.3傳熱系數(shù)K (1)污垢熱阻和管壁熱阻： 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻：查得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45.4w/(m)。 （2） 傳熱系數(shù)有：6.1.4傳熱面積S該換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠

16、完成生產(chǎn)任務(wù)6.2換熱器內(nèi)流體的壓力降6.2.1管程流體阻力Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5由Re27126.3，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/200.001，查莫狄圖得i0.028W/m， 流速u(mài)i0.864m/s，995.7kg/m3，所以 管程壓力降在允許范圍之內(nèi)。6.2.2殼程壓力降流體流經(jīng)管束的阻力流體流過(guò)折流板缺口的阻力 殼程壓力降也比較適宜。三、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽換熱器形式：固定管板式換熱器換熱面積（m2）:20.1名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)冷卻水熱水操作壓力，Pa未知未知操作溫度，25/3580/60流量，kg/h70114.26834722.22流體密度，kg/m3995.7997.8流速，m/s0.8640.376傳熱量，kW807.7總傳熱系數(shù)，W/m2K806.57傳熱系