循環(huán)水冷卻器設計

1、循環(huán)水冷卻器設計摘要:傳熱過程是化工生產(chǎn)過程中存在的及其普遍的過程， 實現(xiàn)這一過程的換 熱設備種類繁多，是不可缺少的工藝設備之一。由于使用條件不同，換熱設備可 以有各種各樣的型式和結(jié)構。其中以管殼式換熱器應用更為廣泛。 現(xiàn)在，它被當 作一種傳統(tǒng)的標準換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用， 尤其在化工、石油、能 源設備等部門所使用的換熱設備中仍處于主導地位。循環(huán)水冷卻器是換熱設備中的一種， 是企業(yè)生產(chǎn)中的重要設備。它的作用是 通過溫度相對較低的水來把其他設備所產(chǎn)生的熱量帶走，從而使設備部分的溫度 保持在一個生產(chǎn)所需要的水平，使設備正常工作。因此，循環(huán)水冷卻器的設計對 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)濟損失，對其的設計具有很強的 實際意義。本設計是對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行對流傳熱從而實 現(xiàn)物料間的熱量傳遞。在本設計中以GB150-2011壓力容器、GB151-1999管 殼式換熱器等標準和固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程 為依據(jù)，并參考換 熱器設計手冊，首先通過方案的論證，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)設計任務，完成對換熱面積、總換熱系數(shù)等工藝參數(shù)的 確定，同時進行換熱面積、壁溫和壓力降的核算。再根據(jù)工藝參數(shù)進行機械設計， 機械設計主要包括對筒體、管箱、管板、折

3、流板、封頭、換熱管、鞍座及其它零 部件，如拉桿、定距管等的計算和選型等，并進行必要的強度核算，最后運用 AutoCA港制固定管板式換熱器的裝配圖及零部件圖，并編寫說明書。關鍵詞: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 本設計的目的和要求 21.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 22管殼式換熱器的分類和選型 32.1 分類32.2 選型63換熱器的工藝設計73.1 工藝計算73.1.1 流徑選擇73.1.2 確定物性參數(shù)73.1.3 熱負荷及冷卻水用量計算 83.1.4 傳熱平均溫度差的計算 83.1.5 計算傳熱面積93.1.6 計算工藝結(jié)構尺寸 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)流體的流動阻力 193.3 換熱器主要結(jié)構尺寸和計算結(jié)果 224換熱器的機械設計 234.1 計算筒體

13、厚度234.1.1 筒體材料的選擇 234.1.2 筒體厚度234.2 計算管箱短節(jié)、封頭厚度244.2.1 管箱的結(jié)構形式 254.2.2 管箱結(jié)構尺寸254.2.3 管箱短節(jié)及封頭厚度 264.3 開孔補強的校核 294.3.1 管箱短節(jié)開孔補強的校核 294.3.2 筒體節(jié)開孔補強的校核 314.3.3 排氣口、排液口開孔補強的校核 334.4 管板設計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 管板計算的相關參數(shù)的確定 384.4.6 計算法蘭力矩404.4.7 管板計算的另一些相關參數(shù)

14、的確定 454.4.8 校核設計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 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 624.8 防沖板和導流筒 634.9 支座634.9.1 鞍式支座的結(jié)構特征 634.9.2 支座反力的計算644.9.3 鞍座的型號及尺寸 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 設置膨脹節(jié)的條件 715換熱器的制造與檢驗要求 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75致謝語76循環(huán)水冷卻器設計1概述使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備稱為換熱器。它是化工、煉油、動力、 食品、輕工、原子能、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設備。 在化工廠中，

16、換熱設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，使流體溫度達到工藝過程規(guī)定的指標，以滿足工藝過程上的需要。止匕外， 換熱設備也是回收余熱、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）、需要冷卻的化學反應工藝氣 （30010002）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、 發(fā)電和動力的輔助資源，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)濟效益9。1.1 選題的依據(jù)和意義換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備

17、，是在石油、化工、石油化 工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。在日常生活中隨 處可見，因此換熱器的研究備受世界各國政府及研究機構的高度重視，在全世界第一次能源危機爆發(fā)以來，各國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、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重， 世界各國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)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的 經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。在繼續(xù)提高設備熱 效率的同時，促進換熱設備的結(jié)構緊湊性，產(chǎn)品系列化、標準化和專業(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備中的一種， 是企業(yè)生產(chǎn)中非常重要的設備。它的 作用是通過溫度相對較低的水來把其他設備所產(chǎn)生的熱量帶走， 從而使設備部分 的溫度保持在一個生產(chǎn)所需要的水平， 使設備正常工作。因此，循環(huán)水冷卻器的 設計對企業(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，也可以影響企業(yè)的經(jīng)濟損失。 所以對循環(huán)水冷卻 器的設計具有很強的實際意義。本設計是有關管殼式換熱器類型中的一種，管殼式換熱器具有可靠性高、適 用性廣等優(yōu)點，在各工業(yè)領域中得到最為廣泛應用。 近年來，盡管受到了其他新 型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進了其自

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地位，其可靠性和可能性已被充分證明， 也 更顯示其獨有的長處。1.2 本設計的目的和要求在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是 上述這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。通過這次設計，幫助我們復 習和鞏固了以往學習過的知識，提高了綜合運用專業(yè)知識分析和解決實際問題的 能力，并對換熱器有了一個深入的了解。 這次設計主要有工藝計算、結(jié)構設計和 強度設計，以及最后完成裝配圖和零部件圖， 通過這些部分，對換熱器的設計和 結(jié)構有了充分的了解，可以整體把握對化工設備的設計，提高畫圖能力。在這次的設計中，要

20、求有：（1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件，應根據(jù)熱力 學參數(shù)和物理化學性質(zhì)進行相關計算， 經(jīng)過反復比較，使所設計的換熱器具有盡 可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量；（2）安全可靠，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國 GB151-1999管殼式 換熱器等有關規(guī)定與標準；（3）有利于安裝、操作與維修，設備與部件應便于 運輸與拆裝，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，檢查孔與敷設保溫層；（4）經(jīng)濟合理，以整個系統(tǒng)中各種設備為對象 進行經(jīng)濟核算或設備的優(yōu)化。1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢換熱器是一個量大而品種繁多的產(chǎn)品，由于國防工業(yè)技術

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、高強度材料。近年來國內(nèi) 在節(jié)能增效等方面改進換熱器性能， 提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提 高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。 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，國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點：對產(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； 要求 產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品 的選用；大工程項目青睞大企業(yè)或企業(yè)集團產(chǎn)品。隨著動力、石油化工工業(yè)的發(fā)

22、展，其設備也繼續(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 起來的一種管殼式換熱器是由美國 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。每個折流板與殼程流體的流動方向成一定的角度使 殼程流體做螺旋運動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該換熱器可減少 30% 40%的傳熱面積 節(jié)省材料20% 30% o相對于弓形折流板螺旋

23、折流板消除了弓形折流板的返混現(xiàn) 象、卡門渦街從而提高有效傳熱溫差防止流動誘導振動；在相同流速時殼程流動 壓降??；基本不存在震動與傳熱死區(qū)不易結(jié)垢。對于低雷諾數(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及選型2.1分類根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構特點，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。（1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器的典型結(jié)構如圖 2-1所示，管束連接在管板上，管板與殼 體焊接。其優(yōu)點是結(jié)構簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便， 管子損壞時易于堵管或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相 差較大時，殼體和管

24、束中將產(chǎn)生較大的熱應力。 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 場合。為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓 性管板等），來吸收熱膨脹差。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 一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭有浮動管板、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，因而不會產(chǎn) 生熱應力。浮頭式換熱器的特點是管間和管內(nèi)清洗方便，不會產(chǎn)生熱應力；但其結(jié)構復 雜，造價比固定管板式換熱器高，設備笨重

25、，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操 作中無法檢查，制造時對密封要求較高。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)構如圖2-3所示，這種換熱器的結(jié)構特點是，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。當殼體與U形換熱管有溫差時，不會產(chǎn)生熱應力。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，對傳熱不利。當管子泄漏損壞時，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形管相當于壞兩根管，報

26、廢率較高。結(jié)構比較簡單、價格便宜，承壓能力強，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)構如圖2-4、2-5所示，這種換熱器的結(jié)構特點與浮頭 式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填 料函式密封結(jié)構。由于采用填料函式密封 結(jié)構，使得管束在殼體軸向可以自由 伸縮，不會產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應力。 其結(jié)構較浮頭式換熱器簡 單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，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，所以它具有浮頭式、U形管式換熱器的特性。在結(jié)構上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設置一個蒸發(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選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體（循環(huán)水）進口溫度：55C,出口溫度40C；冷流體（冷卻水）進口溫度：10 C,出口溫度35C；對于黏度較低的流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。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)構簡單，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換熱器的工藝設計3.1 工藝計算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)。 對于直管管束，宜走管程；對 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，對于固定管板式換熱器，宜將對流傳熱系數(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)即可達到湍流。(2)選擇流徑循環(huán)水相對比較潔凈，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)符號數(shù)據(jù)符號數(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導熱系數(shù)W/m C'-h640.25父 10-3，-c-3607.5X10進口溫度CT155t110出口溫度CT140t2353.1.3熱負荷及冷卻水用量計算（1）熱負荷的計算由于是冷卻過程，故熱負荷按熱流體循環(huán)水計算。80000Qh =mh C.h (T1 -T2)4,1805 (55-40) -1393.5KW3600(2)熱負荷：Q=Qh -Qi =(1-5%)Qh =(1-5%) 1393.5 = 1323.8KW 冷卻水用量的計算由 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。若問壁的一側(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 算中需要求出傳熱過程的平均溫度差 &m。本設計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，熱流體和冷流體用可 以比并流操作時少，所以工程上多采用逆流操作，在本設計中先按逆流計算，再 校正。先求逆流時的傳熱平均溫度差: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)化工原理課程設計12有表2=59.65m則有估算的傳熱面積:K 計 dtm900 24.663-2取傳熱系數(shù)K計=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低沸點爛類蒸汽冷凝（常壓）水4551140高沸點爛類蒸汽冷凝（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 計算工藝結(jié)構尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速管徑選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過規(guī)定的流速范圍。我國目前適用的管殼式換熱器系列標準中僅有換熱管規(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。所以本設計選用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，但流體阻力也相應增大。故應選擇適宜的流速，通常根據(jù)經(jīng)驗選取。 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ui =0.8m/s10。表3-3管殼式換熱器常用流速的范圍流體的種類一般液體易結(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，稱為一個流程。在換熱管長度和數(shù)量一

37、定 時，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，流程加長和流速提高。我國規(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按單程管計算，所需的傳熱管長度為L= A二 d°ns59.65二

38、 0.019 90= 11.lm45按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構。根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取換熱管長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，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的有同心圓、正三角形及正 方形三種。換熱管的排列應使其在整個換熱器圓截面上均勻分布，同時還要考慮流體的性質(zhì)，管箱結(jié)構及加工制造等方面的問題。同心圓排布多用在小直徑換熱 管中，優(yōu)點是管子與換熱器殼壁間的距離較均勻，但管排數(shù)超過6排時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殼程流體的流向，又可分為直列與錯列 （又稱轉(zhuǎn)角排列），如圖3-1所示。錯列時殼程流體對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列或正三角形錯列。<-&g

40、t;正三角形錯列<*）正三曲最宜列正方形宜列<-> 正?那錯村圖3-1排列方式正三角形排列對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，但對殼程機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：在設計時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度、清洗管子 外表面時所需的空隙、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)化工設備課程設計指導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)化工設備課程設計指導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，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JB/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 準尺寸，可?。篋=450mm。(5)折流板在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導流體橫向流過管束，增加 流體速度，以增強傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。管殼式換熱器常用的折流板的形式有弓形和盤環(huán)形。在弓形折流板中，流體在板間錯流沖刷管子，而流經(jīng)折流板弓形缺口時是順流經(jīng)過管子后進入下一板 問，改變方向，流動中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結(jié)構比較簡單，一般標準換熱器中 只采用這種。盤環(huán)形折流板制造不方便，流體在管束中為軸向流動，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，本設計采用單弓形折流板。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)構如圖 3-3所示(7)接管殼程流體進、出口接管按定性溫度計算，使進出口接管內(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取標準管徑為 633mmM 4mm。管程流體進、出口接管按定性溫度計算，使進出口接管內(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取標準

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 由普朗特數(shù)Pri二于有,Cpc，4.181 103 949.25 10”Pri = = = 6.53c6

47、07.5 10查化工原理可知可應用貝爾特關聯(lián)式計算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)殼程對流傳熱系數(shù)：o流體通過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由普朗特數(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 ,可以應用殼程流體的對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式10計算«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)選用該換熱器時要求過程總傳熱系數(shù)為 =900W/(m2 P),在換熱任務所規(guī)定的流動條件下計算K =1089.1W/(m2七)K 1089.1 .I V IK 選900在1.151.25之間，所以合理。(4)計算傳熱面積SQKtm132

51、3.8 10001089.1 222= 55.25m實際傳熱面積: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。3.2.2 壁溫核算由于換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使換熱管壁溫升高，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。計算中應按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫， 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)流體的流動阻力(1)管程流動阻力其中：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。對于AR的計算： 2管程流通截面A =里 二(%、997.75 (0.8) 3 對于v ；：P的計算:Z APi =(AP+AP2) FtNpNs = (4725.344+ 957.84) M1.4M2M 1=15913Pa(2)殼程壓強降校核 =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設管壁粗糙度1% =0.005由化工原理九-Rei關系圖查得0 =0.03710,代入AP1計算式Pi = 'c.22L 旦二0.037 - 99775 (0.8) =4725.344Padi 20.015對于&P2的計算:P2 =3= 957.84Pa_ 2PO APo =( AR +AP2) FtNs(3-8)2其中：AR一流體橫過管束的壓力降，PP,Fn由十1)h；。P2流體橫過折流擋板缺口的壓力降，Pa ,cr 、2P2'= NB(3.5-2B) Phu0D 2F