循環(huán)水冷卻器設(shè)計(jì)

1、循環(huán)水冷卻器設(shè)計(jì)摘要:傳熱過(guò)程是化工生產(chǎn)過(guò)程中存在的及其普遍的過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的換 熱設(shè)備種類(lèi)繁多，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。由于使用條件不同，換熱設(shè)備可 以有各種各樣的型式和結(jié)構(gòu)。其中以管殼式換熱器應(yīng)用更為廣泛。 現(xiàn)在，它被當(dāng) 作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門(mén)中大量使用， 尤其在化工、石油、能 源設(shè)備等部門(mén)所使用的換熱設(shè)備中仍處于主導(dǎo)地位。循環(huán)水冷卻器是換熱設(shè)備中的一種， 是企業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備。它的作用是 通過(guò)溫度相對(duì)較低的水來(lái)把其他設(shè)備所產(chǎn)生的熱量帶走，從而使設(shè)備部分的溫度 保持在一個(gè)生產(chǎn)所需要的水平，使設(shè)備正常工作。因此，循環(huán)水冷卻器的設(shè)計(jì)對(duì) 企業(yè)的生產(chǎn)是很重要的，它很可能影

2、響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)其的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的 實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)是對(duì)管殼式換熱器中固定管板式換熱器的研究。固定管板式換熱器屬 于管殼式換熱器的一種，是利用間壁使高溫流體和低溫流體進(jìn)行對(duì)流傳熱從而實(shí) 現(xiàn)物料間的熱量傳遞。在本設(shè)計(jì)中以GB150-2011壓力容器、GB151-1999管 殼式換熱器等標(biāo)準(zhǔn)和固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 為依據(jù)，并參考換 熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，首先通過(guò)方案的論證，確定物料的物性參數(shù)，再結(jié)合工作條件， 選定換熱器的形式。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，完成對(duì)換熱面積、總換熱系數(shù)等工藝參數(shù)的 確定，同時(shí)進(jìn)行換熱面積、壁溫和壓力降的核算。再根據(jù)工藝參數(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)， 機(jī)械設(shè)計(jì)主要包括對(duì)筒體、管箱、管板、折

3、流板、封頭、換熱管、鞍座及其它零 部件，如拉桿、定距管等的計(jì)算和選型等，并進(jìn)行必要的強(qiáng)度核算，最后運(yùn)用 AutoCA港制固定管板式換熱器的裝配圖及零部件圖，并編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。關(guān)鍵詞:換熱器、換熱面積、管板、換熱管。Circulating water cooler designAbstract： The heat transfer process is the chemical production process of existence and its general process, heat equipment for this process is various, is one of t

4、he indispensable process equipment. Due to the use of different conditions, heat exchange equipment can have various types and structure. The tubular heat exchanger applied more widely. Now, it is regarded as a kind of traditional standard heat exchange equipment widely used in many industrial depar

5、tments, especially used in chemical, petroleum, energy equipment department.Heat transfer equipment is still in a dominant position.Circulating water cooler is a change of thermal equipment, is the important equipment in the production. It is the role of the relatively low temperature water to take

6、away the heat generated by the other device, so as to make part of the temperature is maintained at the required a production level, so that the normal operation of the equipment. Therefore, the production design of circulating water cooler of enterprise is very important, it is likely to affect the

7、 economic losses of enterprises, which is of great practical significance to the design.This design is for the study of fixed tube plate heat exchanger on the tube shell type. A fixed tube plate heat exchanger, belonging to the shell and tube heat exchanger, is the use of the high temperature fluid

8、and wall temperature fluid of convective heat transfer and heat transfer between the material. In this design, the GB 150-2011 "," GB 151-1999 "pressure vessel shell and tube type heat exchanger" standards and "fixed pressure vessel safety technology supervision regulation&q

9、uot; as the basis, and with reference to "Design Handbook" heat exchanger, the scheme is demonstrated, to determine the physical material parameters, combined with the working conditions, select the type of heat exchanger. According to the design task, determine the process parameters on t

10、he heat transfer area, the total heat transfer coefficient, and heat transfer area, wall temperature and pressure drop calculation. Then the mechanical design based on process parameters, mechanical design including the tube, tube box, tube plate, baffle, head, tube heat exchanger, saddle and other

11、parts, such as the bar, fixed pitch pipe calculation and selection, and calculated the strength necessary, finally using AutoCAD drawing fixed tube plate heat exchanger the assembly diagram and parts diagram, and writing a specification.keyword: heat exchanger,the heat transfer area,tube sheet,heat

12、exchange tube.1概述11.1 選題的根據(jù)和意義11.2 本設(shè)計(jì)的目的和要求 21.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 22管殼式換熱器的分類(lèi)和選型 32.1 分類(lèi)32.2 選型63換熱器的工藝設(shè)計(jì)73.1 工藝計(jì)算73.1.1 流徑選擇73.1.2 確定物性參數(shù)73.1.3 熱負(fù)荷及冷卻水用量計(jì)算 83.1.4 傳熱平均溫度差的計(jì)算 83.1.5 計(jì)算傳熱面積93.1.6 計(jì)算工藝結(jié)構(gòu)尺寸 93.2 換熱器核算 153.2.1 傳熱能力核算 153.2.2 壁溫核算183.2.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 193.3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 224換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì) 234.1 計(jì)算筒體

13、厚度234.1.1 筒體材料的選擇 234.1.2 筒體厚度234.2 計(jì)算管箱短節(jié)、封頭厚度244.2.1 管箱的結(jié)構(gòu)形式 254.2.2 管箱結(jié)構(gòu)尺寸254.2.3 管箱短節(jié)及封頭厚度 264.3 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 294.3.1 管箱短節(jié)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 294.3.2 筒體節(jié)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 314.3.3 排氣口、排液口開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 334.4 管板設(shè)計(jì)334.4.1 換熱管與管板的連接 344.4.2 管板與殼體的連接 354.4.3 管板與管箱的連接 374.4.4 管板材料374.4.5 管板計(jì)算的相關(guān)參數(shù)的確定 384.4.6 計(jì)算法蘭力矩404.4.7 管板計(jì)算的另一些相關(guān)參數(shù)

14、的確定 454.4.8 校核設(shè)計(jì)條件不同的組合工況 474.5 換熱管594.5.1 換熱管的型式594.5.2 換熱管的材料與質(zhì)量等級(jí) 604.5.3 管孔604.6 折流板604.6.1 材料的選取604.6.2 折流板的間隙604.6.3 折流板的厚度614.7 拉桿、定距管614.7.1 拉桿的結(jié)構(gòu)形式 614.7.2 拉桿直徑、數(shù)量和尺寸614.7.3 拉桿與管板的連接結(jié)構(gòu) 624.8 防沖板和導(dǎo)流筒 634.9 支座634.9.1 鞍式支座的結(jié)構(gòu)特征 634.9.2 支座反力的計(jì)算644.9.3 鞍座的型號(hào)及尺寸 654.9.4 鞍座的布置654.10 接管664.10.1 接管的

15、要求 664.10.2 接管高度（伸出的高度）的確定 664.10.3 接管位置最小尺寸 674.10.4 接管尺寸684.10.5 管法蘭的選擇 684.11 膨脹節(jié)704.11.1 膨脹節(jié)的作用 714.11.2 設(shè)置膨脹節(jié)的條件 715換熱器的制造與檢驗(yàn)要求 715.1 圓筒725.2 管箱735.3 換熱管735.4 管板735.5 換熱管與管板的連接 735.6 折流板746總結(jié)747主要參考文獻(xiàn)75致謝語(yǔ)76循環(huán)水冷卻器設(shè)計(jì)1概述使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備稱(chēng)為換熱器。它是化工、煉油、動(dòng)力、 食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門(mén)廣泛使用的一種通用設(shè)備。 在化工廠中，

16、換熱設(shè)備的投資約占總投資的10%20%;在煉油廠中，約占總投 資的 35% 40%。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的 流體，使流體溫度達(dá)到工藝過(guò)程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝過(guò)程上的需要。止匕外， 換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，煙道氣（約 200300C）、高爐爐氣（約15002）、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣 （30010002）等的余熱，通過(guò)余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、 發(fā)電和動(dòng)力的輔助資源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高 工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益9。1.1 選題的依據(jù)和意義換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備

17、，是在石油、化工、石油化 工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在日常生活中隨 處可見(jiàn)，因此換熱器的研究備受世界各國(guó)政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視，在全世界第一次能源危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，各國(guó)都在下大力量尋找新的能源及在節(jié)約能源上研究 新的途徑。隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開(kāi)發(fā)和能源問(wèn)題的日趨嚴(yán)重， 世界各國(guó)已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的 經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用，有時(shí)甚至是決定性的作用。在繼續(xù)提高設(shè)備熱 效率的同時(shí)，促進(jìn)換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專(zhuān)業(yè)化，并朝

18、大型化的方向發(fā)展是非常重要的。循環(huán)水冷卻器作為換熱設(shè)備中的一種， 是企業(yè)生產(chǎn)中非常重要的設(shè)備。它的 作用是通過(guò)溫度相對(duì)較低的水來(lái)把其他設(shè)備所產(chǎn)生的熱量帶走， 從而使設(shè)備部分 的溫度保持在一個(gè)生產(chǎn)所需要的水平， 使設(shè)備正常工作。因此，循環(huán)水冷卻器的 設(shè)計(jì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)是很重要的。特別是在水資源缺乏的今天，循環(huán)水冷卻器可以 節(jié)約大量寶貴的水資源，同時(shí)，也可以影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。 所以對(duì)循環(huán)水冷卻 器的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)是有關(guān)管殼式換熱器類(lèi)型中的一種，管殼式換熱器具有可靠性高、適 用性廣等優(yōu)點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛應(yīng)用。 近年來(lái)，盡管受到了其他新 型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過(guò)來(lái)也促進(jìn)了其自

19、身的發(fā)展。 在換熱器向高參數(shù)、大型化 發(fā)展的今天，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位，其可靠性和可能性已被充分證明， 也 更顯示其獨(dú)有的長(zhǎng)處。1.2 本設(shè)計(jì)的目的和要求在化工、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，并占有十分重要的地位。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，幫助我們復(fù) 習(xí)和鞏固了以往學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，提高了綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的 能力，并對(duì)換熱器有了一個(gè)深入的了解。 這次設(shè)計(jì)主要有工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 強(qiáng)度設(shè)計(jì)，以及最后完成裝配圖和零部件圖， 通過(guò)這些部分，對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)和 結(jié)構(gòu)有了充分的了解，可以整體把握對(duì)化工設(shè)備的設(shè)計(jì)，提高畫(huà)圖能力。在這次的設(shè)計(jì)中，要

20、求有：（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件，應(yīng)根據(jù)熱力 學(xué)參數(shù)和物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算， 經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，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；（2）安全可靠，在進(jìn)行強(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(guó) GB151-1999管殼式 換熱器等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)；（3）有利于安裝、操作與維修，設(shè)備與部件應(yīng)便于 運(yùn)輸與拆裝，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)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(jì)合理，以整個(gè)系統(tǒng)中各種設(shè)備為對(duì)象 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。1.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)換熱器是一個(gè)量大而品種繁多的產(chǎn)品，由于國(guó)防工業(yè)技術(shù)

21、的不斷發(fā)展，換熱 器操作條件日趨苛刻，迫切需要新的耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度材料。近年來(lái)國(guó)內(nèi) 在節(jié)能增效等方面改進(jìn)換熱器性能， 提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提 高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績(jī)。 換熱器的大量使用有效的提高了能 源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。鋼鐵行業(yè)和化工行業(yè)的發(fā)展都將為換 熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。 未來(lái)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：對(duì)產(chǎn) 品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)； 要求 產(chǎn)品性?xún)r(jià)比提高；對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化的需求趨勢(shì)強(qiáng)烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品 的選用；大工程項(xiàng)目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團(tuán)產(chǎn)品。隨著動(dòng)力、石油化工工業(yè)的發(fā)

22、展，其設(shè)備也繼續(xù)向著高溫、高壓、大型化方 向發(fā)展。而換熱器在結(jié)構(gòu)方面也有不少新的發(fā)展。螺旋折流板換熱器是最新發(fā)展 起來(lái)的一種管殼式換熱器是由美國(guó) ABB公司提出的。具基本原理為：將圓截面的 特制板安裝在“擬螺旋折流系統(tǒng)”中每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的四分之 一具傾角朝向換熱器的軸線即與換熱器軸線保持一定傾斜度。相鄰折流板的周邊 相接與外圓處成連續(xù)螺旋狀。每個(gè)折流板與殼程流體的流動(dòng)方向成一定的角度使 殼程流體做螺旋運(yùn)動(dòng)能減少管板與殼體之間易結(jié)垢的死角從而提高了換熱效率。 在氣一水換熱的情況下傳遞相同熱量時(shí)該換熱器可減少 30% 40%的傳熱面積 節(jié)省材料20% 30% o相對(duì)于弓形折流板螺旋

23、折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn) 象、卡門(mén)渦街從而提高有效傳熱溫差防止流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)；在相同流速時(shí)殼程流動(dòng) 壓降??；基本不存在震動(dòng)與傳熱死區(qū)不易結(jié)垢。對(duì)于低雷諾數(shù)下（Re <1000）的傳熱螺旋折流板效果更為突出。2管殼式換熱器的分類(lèi)及選型2.1分類(lèi)根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五類(lèi)。（1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖 2-1所示，管束連接在管板上，管板與殼 體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便， 管子損壞時(shí)易于堵管或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相 差較大時(shí)，殼體和管

24、束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。 這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔 且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的 場(chǎng)合。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓 性管板等），來(lái)吸收熱膨脹差。圖2-1固定管板式換熱器(2)浮頭式換熱器浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，兩管板中只有一端與殼體固定，另 一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)，稱(chēng)為浮頭。浮頭有浮動(dòng)管板、鉤圈和浮頭端蓋組成， 是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會(huì)產(chǎn) 生熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的特點(diǎn)是管間和管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重

25、，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操 作中無(wú)法檢查，制造時(shí)對(duì)密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼 程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。圖2-2浮頭式換熱器(3) U形管式換熱器U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有 一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自 由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于受彎管曲率半徑的限制，具換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大， 管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時(shí)，只 有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)

26、廢率較高。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管 內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。圖2-3 U形管式換熱器(4)填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖2-4、2-5所示，這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭 式換熱器相類(lèi)似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動(dòng)接觸面處采用填 料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封 結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由 伸縮，不會(huì)產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。 其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn) 單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價(jià)比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出，管內(nèi)、

27、 管間都能進(jìn)行清洗，維修方便。因填料處易產(chǎn)生泄漏，填料函式換熱器一般適用于 4MPa以下的工作環(huán)境， 且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用圖2-4填料函雙殼程換熱器圖2-5填料函分流式換熱器（5）釜式重沸器釜式重沸器的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，這種換熱器的管束可以為浮頭式、U形管 式和固定管板式結(jié)構(gòu)，所以它具有浮頭式、U形管式換熱器的特性。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設(shè)置一個(gè)蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸氣品質(zhì)所決定。產(chǎn)氣量大、蒸氣品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大，否則可 以小些。此換熱器與浮頭式、U形管式換熱器一樣，

28、清洗維修方便，可處理不清潔、 易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。圖2-6釜式重沸器2.2選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度：55C,出口溫度40C；冷流體（冷卻水）進(jìn)口溫度：10 C,出口溫度35C；對(duì)于黏度較低的流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。熱流體的定性溫度Tm =55上40 =47.5 C,2冷流體的定性溫度tm =10土竺=22.5 C ;2由于兩流體溫差小于509,不必考慮熱補(bǔ)償。因此初步確定選擇用固定管 板式換熱器。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上， 它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，由于這種結(jié)構(gòu)使殼

29、 側(cè)清洗困難，所以殼程易用于不易結(jié)垢和清潔的流體。3換熱器的工藝設(shè)計(jì)3.1 工藝計(jì)算3.1.1 流徑選擇(1)選擇原則 不清潔或易結(jié)垢的流體宜走容易清洗的一側(cè)。 對(duì)于直管管束，宜走管程；對(duì) 于U形管管束，宜走殼程。 腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時(shí)被腐蝕。 壓力高的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。為增大對(duì)流傳熱系數(shù)，需要提高流速的流體宜走管程，因管程流通截面積一 般比殼程小，且做成多管程也較容易。兩流體溫差較大時(shí)，對(duì)于固定管板式換熱器，宜將對(duì)流傳熱系數(shù)大的流體走 殼程，以減少管壁與殼體的溫差，減小熱應(yīng)力。蒸氣冷凝宜走殼程，以利于排出冷凝液。 需要冷卻的流體直選殼程，便于散熱，以減少冷

30、卻劑用量。但溫度很高的流 體，其熱能可以利用，直選管程，以減少熱損失。黏度大或流量較小的流體宜走殼程，因有折流擋板的作用，在低R下(Re >100)即可達(dá)到湍流。(2)選擇流徑循環(huán)水相對(duì)比較潔凈，選擇循環(huán)水走殼程，冷卻水走管程，既有利于冷卻水 冷卻效率高，也可借助外界溫度加速循環(huán)水冷卻。3.1.2 確定物性參數(shù)由前面計(jì)算可知，循環(huán)水的定性溫度為47.5七，冷卻水的定性溫度為22.5X.根據(jù)定性溫度，分別查取循環(huán)水和冷卻水的有關(guān)物性參數(shù)，列表 3-1如下：表3-1物性參數(shù)表物性殼程(循環(huán)水)管程(冷卻水)符號(hào)數(shù)據(jù)符號(hào)數(shù)據(jù)密度kg / m3外989.15Pc997.75比熱容kj/（kg 七

31、）Cfh4.1805Cp4.181粘度Pa S%-6570.75x10 6兒949.25M10-6導(dǎo)熱系數(shù)W/m C'-h640.25父 10-3，-c-3607.5X10進(jìn)口溫度CT155t110出口溫度CT140t2353.1.3熱負(fù)荷及冷卻水用量計(jì)算（1）熱負(fù)荷的計(jì)算由于是冷卻過(guò)程，故熱負(fù)荷按熱流體循環(huán)水計(jì)算。80000Qh =mh C.h (T1 -T2)4,1805 (55-40) -1393.5KW3600(2)熱負(fù)荷：Q=Qh -Qi =(1-5%)Qh =(1-5%) 1393.5 = 1323.8KW 冷卻水用量的計(jì)算由 Q = (1-5%) mh Cfh (T1 T

32、2)=mcxCpx(t211)有,mc0.95 mh C h (T1 -T2)Cc(tzT)0.95 80000 4.1805 (55-40)4.181 (35-10)=45594.5kg / h3.1.4 傳熱平均溫度差的計(jì)算根據(jù)間壁兩側(cè)流體溫度沿傳熱面是否有變化，即是否有升高或降低，可將傳熱分為恒溫傳熱和變溫傳熱兩類(lèi)。若問(wèn)壁的一側(cè)或兩側(cè)流體沿傳熱面的不同位置 溫度不同，即流體從進(jìn)口到出口，溫度有了變化，或是升高或是降低，這種情況 的傳熱稱(chēng)為變溫傳熱。在變溫傳熱中，沿傳熱面溫度差是變化的，所以在傳熱計(jì) 算中需要求出傳熱過(guò)程的平均溫度差 &m。本設(shè)計(jì)就屬于變溫傳熱中兩側(cè)變溫傳 熱的情況

33、。根據(jù)兩側(cè)流體變溫下的溫度差變化情況，可分為逆流、并流、錯(cuò)流和折流。 在逆流（即冷、熱兩流體在傳熱面兩側(cè)流向相反）操作時(shí)，熱流體和冷流體用可 以比并流操作時(shí)少，所以工程上多采用逆流操作，在本設(shè)計(jì)中先按逆流計(jì)算，再 校正。先求逆流時(shí)的傳熱平均溫度差:tl =T1 -t2-t2 =丁2。tl .；：tm. ：t1 - ：t255-35 - 40-10ln %狙2ln55-3540-10= 24.66 C3.1.5 計(jì)算傳熱面積根據(jù)熱流體為循環(huán)水，冷流體為冷卻水，根據(jù)化工原理課程設(shè)計(jì)12有表2=59.65m則有估算的傳熱面積:K 計(jì) dtm900 24.663-2取傳熱系數(shù)K計(jì)=900W/（m2 P

34、）,熱流體冷流體傳熱系數(shù)KW/（m2戶C）水水850 1700輕油水340910重油水60 280氣體水17 280水蒸汽冷凝水14204250水蒸汽冷凝氣體30 300低沸點(diǎn)爛類(lèi)蒸汽冷凝（常壓）水4551140高沸點(diǎn)爛類(lèi)蒸汽冷凝（常壓）水60170水蒸汽冷凝水沸騰2000 4250水蒸汽冷凝輕油沸騰455 1020水蒸汽冷凝重油沸騰140425表3-2管殼式換熱器中K值的大致范圍Q1323.8 10003.1.6 計(jì)算工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速管徑選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過(guò)規(guī)定的流速范圍。我國(guó)目前適用的管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有換熱管規(guī)格為：©19mmM2

35、mm、*25mmx2.5mm 0采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大、 結(jié)構(gòu)緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數(shù)提高。據(jù)估算，將同直徑換熱器的換熱管由125mm改為刺9mm,其傳熱面積可增加40%左右，節(jié)約金屬20%以上，但小管 徑流體阻力大，不便清洗，易結(jié)構(gòu)堵塞。一般大管徑管子用于粘性大或污濁的流 體，小直徑管子用于較清潔的流體。所以本設(shè)計(jì)選用Hgmmx2mm規(guī)格。管內(nèi)流速流體在殼程或管程中的流速增大，不僅對(duì)流傳熱系數(shù)增大，也可減少雜質(zhì)沉 積或結(jié)垢，但流體阻力也相應(yīng)增大。故應(yīng)選擇適宜的流速，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。 根據(jù)化工原理P174有，管殼式換熱器常用流速的范圍如表 3-3和不同黏度 液體在列管換熱

36、器中的流速(在鋼管中)如表3-4 ,由于冷卻水黏度小于1mPa，s, 最大流速為2.4m/s ,取管內(nèi)流速u(mài)i =0.8m/s10。表3-3管殼式換熱器常用流速的范圍流體的種類(lèi)一般液體易結(jié)垢液體氣體流速m/s0.5 3>1530殼程0.21.5>0.5315表3-4不同黏度液體在列管換熱器中的流速(在鋼管中)液體黏度/mPa s最大流速/(m/s)液體黏度/ mPa s最大流速/(m/s)>50000.6100 351.510005000.7535 11.85001001.1<12.4(2)管程數(shù)和換熱管數(shù)流體從換熱管的一端流到另一端，稱(chēng)為一個(gè)流程。在換熱管長(zhǎng)度和數(shù)量一

37、定 時(shí)，為了提高管內(nèi)流速和傳熱效率，常采用管束分程的辦法，使介質(zhì)在管束內(nèi)的 流通面積減少，流程加長(zhǎng)和流速提高。我國(guó)規(guī)定有1、2、4、6、8、10、12七種分程數(shù)，最常用的是2程和4程。依據(jù)換熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) ns :由V =% M di?也 有，ns = V/4-di2ui4由 3.1.3 可知冷卻水流量 mc =45594.5kg/h = 12.67kg/s,mtmc12.673貝UV=7=0.0127m /s,%997.75cns =00127 =89.8 （根），取整數(shù) 90根。0.0152 0.84按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng)= A二 d°ns59.65二

38、 0.019 90= 11.lm45按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取換熱管長(zhǎng)l=6m,則該換熱器管程數(shù)為Np=9之2 （管 p l 6程）。傳熱管總根數(shù)N =Npxns =90父2 =180 （根）（3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)為提高傳熱效果，故需核算溫差校正系數(shù):r435 -1055 -105545.0.6.35 -10= 0.56按單殼程、雙管程結(jié)構(gòu)，由P和R的值，查化工原理10教材傳熱章中的。圖 得平白 =0.88 >0.8,即選用單殼程、雙管程較為合適。實(shí)際傳熱平均溫度差為，tm =；：tm =0.88 24.66 =22 C（4

39、）換熱管排列和分程方法在管殼式換熱器中，換熱管的空間排列方式常見(jiàn)的有同心圓、正三角形及正 方形三種。換熱管的排列應(yīng)使其在整個(gè)換熱器圓截面上均勻分布，同時(shí)還要考慮流體的性質(zhì)，管箱結(jié)構(gòu)及加工制造等方面的問(wèn)題。同心圓排布多用在小直徑換熱 管中，優(yōu)點(diǎn)是管子與換熱器殼壁間的距離較均勻，但管排數(shù)超過(guò)6排時(shí)空間利用率不及后兩種，故工業(yè)換熱器中換熱管的主要排列方式為正三角形及正方形排 列。正三角形及正方形排列按照管子相對(duì)殼程流體的流向，又可分為直列與錯(cuò)列 （又稱(chēng)轉(zhuǎn)角排列），如圖3-1所示。錯(cuò)列時(shí)殼程流體對(duì)換熱管外壁的沖刷程度優(yōu) 于直列。因此，換熱管的空間排列方式一般采用正方形錯(cuò)列或正三角形錯(cuò)列。<-&g

40、t;正三角形錯(cuò)列<*）正三曲最宜列正方形宜列<-> 正?那錯(cuò)村圖3-1排列方式正三角形排列對(duì)殼程空間的利用率優(yōu)于正方形排列，相同的殼體內(nèi)徑可排列 更多的管子，但對(duì)殼程機(jī)械清洗的便利性不如后者， 僅適用于殼程不需要清洗的 固定管板式換熱器。本換熱器流體的性質(zhì)屬于比較潔凈和不易結(jié)垢，因此采用 正三角形排列網(wǎng)。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。如圖3-2所示。布管限定圓：在設(shè)計(jì)時(shí)要將管束限制在限定圓內(nèi)。根據(jù) GB151-1999管殼 式換熱器5.6.3.3表13,對(duì)于固定管板式換熱器，布管限定圓直徑 Dl為 Dl=D-2b3 （其中，b3為固定管板式

41、或U形換熱器最外層換熱管外表面至殼體 內(nèi)壁的最短距離，b3=0.25do, 一般不小于8mm）,則Dl =450-2 父0.25父 19 = 440.5mm。管板上兩換熱管中心距離成為管心距。管心距取決于管板的強(qiáng)度、清洗管子 外表面時(shí)所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。取管心品E t =1.25do,則：t= 1.25 父19 = 23.75mm,根據(jù)化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)P10311 ,如表3-5 ,取t =25mm。表3-5常用換熱管中心距換熱管外徑do1012141619202225換熱管中心距S13 1416192225262832換熱管外徑do3032353845505557換熱管中

42、心距S3840444857647072根據(jù)化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)P10311 ,如表3-6 ,分程隔板槽兩側(cè)相鄰管 心距為:Sn =38mm。表3-6分程隔板槽兩側(cè)相鄰管心距Sn換熱管外徑do1012141619202225分程隔板槽兩側(cè)相鄰管心距Sn2830323538404244換熱管外徑do3032353845505557分程隔板槽兩側(cè)相鄰管心距Sn5052566068767880通過(guò)管束中心線的管數(shù)：nc =1.1%癡=1.19父J180 =16 (根)(4)殼體內(nèi)徑的確定采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑按下式估算。取管板利用率 *1=0.7,則殼體內(nèi) 徑為：D=1.05t N/ =1.05 2

43、5 . 180/0.7 = 420.9mm按照J(rèn)B/T 4712-92固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)，圓整到最接近標(biāo) 準(zhǔn)尺寸，可?。篋=450mm。(5)折流板在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過(guò)管束，增加 流體速度，以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。管殼式換熱器常用的折流板的形式有弓形和盤(pán)環(huán)形。在弓形折流板中，流體在板間錯(cuò)流沖刷管子，而流經(jīng)折流板弓形缺口時(shí)是順流經(jīng)過(guò)管子后進(jìn)入下一板 問(wèn)，改變方向，流動(dòng)中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般標(biāo)準(zhǔn)換熱器中 只采用這種。盤(pán)環(huán)形折流板制造不方便，流體在管束中為軸向流動(dòng)，效率較低。 而且要求介質(zhì)必須是清潔的

44、，否則沉淀物將會(huì)沉積在圓環(huán)后面，使傳熱面積失效， 此外，如有惰性氣體活溶解氣體放出，是不能有效地從圓環(huán)上部排出，所以一般 用于壓力比較高而又清潔的介質(zhì)。因此，本設(shè)計(jì)采用單弓形折流板。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h為h =0.25x450 =112.5mm ,故可取 h=110mm。取折流板間距 B=0.3D, WJB= 0.3x450 = 135mm,可取 B = 150mm。根據(jù)GB151-1999管殼式換熱器5.9.5.3表42可知，換熱管最大無(wú)支撐 跨距為1500 mm,取第一塊折流板距管子左端300mm,最后一塊折流板距管子右 端300mm，則折流板數(shù)Nb

45、= 6000-2乂300 +1 = 37塊,且折流板圓缺面水平裝配。150最低處留排出液口，避免了液體在殼體上部集聚和停滯，其結(jié)構(gòu)如圖 3-3所示(7)接管殼程流體進(jìn)、出口接管按定性溫度計(jì)算，使進(jìn)出口接管內(nèi)徑相等，取接管內(nèi)循環(huán)水流速為:u=2.0m/s,則接管內(nèi)徑：4V _ 4 80000/(3600 989.15 U 1JU. I 4ml.二 u.二 2取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 633mmM 4mm。管程流體進(jìn)、出口接管按定性溫度計(jì)算，使進(jìn)出口接管內(nèi)徑相等，取接管內(nèi)冷卻水流速為:u=2.0m/s,則接管內(nèi)徑：, 甌14M 45594.5/(3600M 997.75)八2d0.09m.二 u.二 2取標(biāo)準(zhǔn)

46、管徑為,108mm 4mm3.2換熱器核算3.2.1 傳熱能力核算(1)管程對(duì)流傳熱系數(shù):i由管程流通截面積A=±di2NT有，(3-1)4 n,7： 2 Nt二2 180 八 2A =d i0.015 =0.0159m4 n 42由管程流體流速3=匕有，片=V ="呸7=0.8m/sAiAi0.0159由雷諾數(shù)Rei=diUiPc有，c= diUiPc =0.015乂0.8乂997.75 =12613.1 >10000,為湍流c 949.25 10-6 cCUc 由普朗特?cái)?shù)Pri二于有,Cpc，4.181 103 949.25 10”P(pán)ri = = = 6.53c6

47、07.5 10查化工原理可知可應(yīng)用貝爾特關(guān)聯(lián)式計(jì)算310 ,則(3-2)(3-3)%=0.023 (Rei 0.8(Pri 04di607.5 10，0 80 4= 0.02312613.1 .6.53 .0.015= 3765.35W/(m2 七)(2)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)：o流體通過(guò)管間的流通截面積為：A = BD 1 - do < t J其中：B 折流板間距，取為150mm；D 殼體公稱(chēng)直徑，取為450mm；do管子外徑，為19mm；t 管子中心距，可取為25mm。d do0 0.019、2Ao=BD 1 - 1 = 0.15M0.45父 1- i = 0.0162m<t )0

48、0.025 )殼程流體流速 Uo = Vo =800001.387 m / sAo3600 989.15 0.0162換熱管呈正三角形排列，則當(dāng)量直徑：4(在/_±蝙)4/x0.0252 -:父0.0192 :de = 24 = = 0.0173 m二 do二 0.019由雷諾數(shù)Reo = .*h有, J hdeUo:0.0173 1.387 989.15R =41585.2 >10000 ,為旃流 570.75 10-6由普朗特?cái)?shù)ProC ，|Cph h 有, ,hR。Cph-h,h4.1805 103 570.75 10上640.25 10“= 3.732 103<

49、Re。=41585.2 <1<106 ,可以應(yīng)用殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式10計(jì)算«o,即0.14(3-4)豆。=0.36 ' h (Reo 0.55 (Prode0.14殼程中的流體被冷卻，取=0.95%代入數(shù)據(jù)得:-3ao = 0 36 x 640.25 10 x (41585.2 0.55 父(3.731父 0.950.0173= 6812.64W/(m2 P)(3)計(jì)算總傳熱系數(shù)KoK二 (1 ：o1Rso T.do . -do ):ididm(3-5)其中：殼程、管程又t流傳熱系數(shù)， W/(m2戶C);do,di,dm換熱管外徑、內(nèi)徑和內(nèi)外徑平均值,m

50、m, dm為0.017mm;Rsi, Rso管內(nèi)側(cè)、外側(cè)污垢熱阻，m2 C/W ,均取為1.7 10-4m2 C/W； 換熱管壁厚，取0.002mm； 碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)，取45W/(m，C)RsoRsi打旦di4)dm16812.640.00017 0.0001719190.002 0.01915 3765.35 1545 0.017= 1089.1W/(m2 1)選用該換熱器時(shí)要求過(guò)程總傳熱系數(shù)為 =900W/(m2 P),在換熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下計(jì)算K =1089.1W/(m2七)K 1089.1 .I V IK 選900在1.151.25之間，所以合理。(4)計(jì)算傳熱面積SQKtm132

51、3.8 10001089.1 222= 55.25m實(shí)際傳熱面積:2Sp - dolN =二 0.019 6 180= 64.5m面積裕度：SP - S64.5 - 55.25H =-P 100%= 100% =16.7%S55.25傳熱面積裕度在15% 20%之間，該換熱器能夠完成任務(wù)。3.2.2 壁溫核算由于換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使換熱管壁溫升高，降低了換熱管和殼體 的壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫， 有11(3-6)Tmtm 11十:i:。其中：tmt1 t2* =22.5 C

52、2Tm工=4=47.5P= 2471.935W/(m2。，口。=4871.816W/(m2 口C)傳熱管平均壁溫:tw47.5 2471.93522.54871.816 = 39 1 C1:i :o2471.935 4871.816殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即T =47.5七殼體壁溫和換熱管壁溫之差為:t =T -tw =47.5-39.1 =8.4 C由于換熱器殼程流體的溫差很小，殼程壓力不高，因此，選用固定管板式換 熱器較為適宜。3.2.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力(1)管程流動(dòng)阻力其中：AP1直管中因摩擦阻力引起的壓力降，£ AP =(AR +YRNpNs(3-7)l

53、 :u2其中：APi 直管中因摩擦阻力引起的壓力降，= 工；di 2巳回彎管中摩擦阻力引起的壓力降，可由經(jīng)驗(yàn)公式.F2 =3估算;Ft結(jié)垢校正系數(shù)，419mmM 2mm的換熱管取1.4;Np 管程數(shù)，取2;Ns 串聯(lián)的殼程數(shù)，取1。對(duì)于AR的計(jì)算： 2管程流通截面A =里 二(%、997.75 (0.8) 3 對(duì)于v ；：P的計(jì)算:Z APi =(AP+AP2) FtNpNs = (4725.344+ 957.84) M1.4M2M 1=15913Pa(2)殼程壓強(qiáng)降校核 =180二00"=0.0159m2Np 224p由止匕可知 ui = =27 = 0.8m/ sA 0.0159ReidiUi ：0.015 0.8 997.75949.25 10"= 12613.1設(shè)管壁粗糙度1% =0.005由化工原理九-Rei關(guān)系圖查得0 =0.03710,代入AP1計(jì)算式Pi = 'c.22L 旦二0.037 - 99775 (0.8) =4725.344Padi 20.015對(duì)于&P2的計(jì)算:P2 =3= 957.84Pa_ 2PO APo =( AR +AP2) FtNs(3-8)2其中：AR一流體橫過(guò)管束的壓力降，PP,Fn由十1)h；。P2流體橫過(guò)折流擋板缺口的壓力降，Pa ,cr 、2P2'= NB(3.5-2B) Phu0D 2F