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文檔簡介

1、 廣州博格制冷設備有限公司Burg Cooling Equipment (Guangzhou)CO,LTD化 工 設 計說 明 書設計題目: 煤油冷卻器的設計 設 計 人: 專業(yè)班級: 學 號: 指導老師: 二 九 年 六 月 八 日前言化工原理課程設計是化工原理教學的一個重要環(huán)節(jié),是綜合應用本門課程和有關先修課程所學知識,完成以單元操作為主的一次設計實踐。通過課程設計使學生掌握化工設計的基本程序和方法,并在查閱技術資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡潔文字和圖表表達設計結果、制圖以及計算機輔助計算等能力方面得到一次基本訓練,在設計過程中能夠培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和實事求是、嚴肅負責的工作作風。化工

2、原理課程設計是化工原理課程教學的一個實踐環(huán)節(jié),是使學生得到化工設計的初步訓練,為畢業(yè)設計奠定基礎。圍繞以某一典型單元設備(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸發(fā)器、冷卻器等)的設計為中心,訓練學生非定型設備的設計和定型設備的選型能力。設計時數(shù)為3周,其基本內容為:(1)設計方案簡介:對給定或選定的工藝流程、主要設備的型式進行簡要的論述。(2)主要設備的工藝設計計算(含計算機輔助計算):物料衡算,能量衡量,工藝參數(shù)的選定,設備的結構設計和工藝尺寸的設計計算。(3)輔助設備的選型:典型輔助設備主要工藝尺寸的計算,設備的規(guī)格、型號的選定。(4)工藝流程圖:以單線圖的形式繪制,標出主體設備與輔助設備的物料方向

3、,物流量、能流量,主要測量點。(5)主要設備的工藝條件圖:圖面應包括設備的主要工藝尺寸,技術特性表和接管表。(6)設計說明書的編寫。設計說明書的內容應包括:設計任務書,目錄,設計方案簡介,工藝計算及主要設備設計,輔助設備的計算和選型,設計結果匯總,設計評述,參考文獻。整個設計由論述,計算和圖表三個部分組成,論述應該條理清晰,觀點明確;計算要求方法正確,誤差小于設計要求,計算公式和所有數(shù)據(jù)必需注明出處;圖表應能簡要表達計算的結果。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,且是上述這些行業(yè)的通用設備,占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展,對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高,

4、因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍,一些新型高效換熱器相繼問世。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求:(1) 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件;(2) 結構安全可靠;(3) 便于制造、安裝、操作和維修;(4) 經(jīng)濟上合理。 隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)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,性能各異。在換熱器設計中,首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型,然后計算換熱所需傳熱面積,并確定換熱器的結構尺寸。目錄設計任務書6一 設計題目:煤油冷卻器的設計6二 設計任務及操作條件6三 選擇適宜的列管式換熱器并進行核算6四 繪制換熱器裝

5、配圖(A1圖紙)6第一章 設計方案簡介7第一節(jié) 換熱器簡介9一、換熱器概述9二、換熱器的分類9第二節(jié) 列管式換熱器的結構131、管程結構132、殼程結構14第三節(jié) 管程和殼程數(shù)的確定16第四節(jié) 流動空間的選擇17第五節(jié) 流體流速的選擇18第六節(jié) 流動方式的選擇18第七節(jié) 加熱劑、冷卻劑的選擇19第八節(jié) 流體出口溫度的確定19第九節(jié) 材質的選擇19第二章 列管式換熱器的設計計算20第一節(jié) 傳熱計算211、傳熱系數(shù)K212、平均溫度差213、對流傳熱系數(shù)244、污垢熱阻24第二節(jié) 流體流動阻力(壓強降)的計算26第三節(jié) 列管式換熱器的設計和選用的計算步驟總結28第三章 換熱器設計29一、確定設計方

6、案.29二、確定物性數(shù)據(jù)29四、傳熱面積初值計算30五、管側傳熱系數(shù)30六、管內給熱系數(shù)31七、傳熱核算31八、殼側壓力降31九、管側壓降計算32十、裕度計算33十一、冬季因素考慮33十二、殼程接管39十三、管程接管39第四章 零件計算40第一節(jié) 殼體、管箱殼體和封頭的設計401、壁厚的確定402、封頭40第二節(jié) 管板與換熱管421、管板422、換熱管43第三節(jié) 進出口設計471、接管外伸長度472、接管與筒體、管箱殼體的連接473、排氣、排液管484、接管最小位置49第四節(jié) 殼體與管板、管板與法蘭及換熱管的連接511、殼體與管板的連接結構512、管板與法蘭的連接523、管子與管板的連接54第

7、五節(jié) 折流板或支持板551、折流板型式552、折流板尺寸563、折流板的布置574、支持板575、折流板質量計算57第六節(jié) 防沖與導流58第七節(jié) 拉桿與定距管581、拉桿的結構和尺寸582、拉桿的位置593、定距管尺寸59第八節(jié) 防短路結構601、旁路擋板結構尺寸602、假管60第九節(jié) 膨脹節(jié)611、膨脹節(jié)612、膨脹節(jié)計算62第五章 管束振動計算65第一節(jié) 概述651、流動誘發(fā)振動的三種基本情況652、管子最可能破壞的區(qū)段653、破壞機理654、流動誘發(fā)振動機理655、橫流下管束動力行為666、流體動力作用力66第二節(jié) 流動誘發(fā)振動機理671、漩渦分離672、湍流抖振683、彈性不穩(wěn)定性68

8、第三節(jié) 振動分析:691、阻尼穩(wěn)定性理論:692、共振693、橫向載荷校核70第四節(jié) 管束振動計算711、求斯特羅哈數(shù)712、求臨界速度系數(shù)D713、求臨界狀態(tài)時漩渦分離振頻率與管子固有頻率之比714、求臨界狀態(tài)時紊流抖動振頻率與管子固有頻率之比71第六章 流程圖72設計流程圖72工藝流程圖73第七章 結語74第八章 致謝75參考文獻76設計任務書一 設計題目:煤油冷卻器的設計二 設計任務及操作條件1 處理能力:10萬噸/年煤油2 設備形式:列管式換熱器3 操作條件(1) 煤油:入口溫度140,出口溫度40(2) 冷卻介質:自來水,入口溫度30,出口溫度40(3) 允許壓強降:不大于100kP

9、a(4) 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù):密度825kg/m3,黏度7.15×10-4Pa.s,比熱容2.22kJ/(kg.),導熱系數(shù)0.14W/(m.)(5) 每年按330天計,每天24小時連續(xù)運行三 選擇適宜的列管式換熱器并進行核算3.1 傳熱計算3.2 管、殼程流體阻力計算3.3管板厚度計算3.4 U形膨脹節(jié)計算3.5 管束振動3.6 管殼式換熱器零部件結構四 繪制換熱器裝配圖(A1圖紙)參考文獻1 夏清,姚玉英,陳常貴,等. 化工原理M. 天津:天津大學出版社,20012 華南理工大學化工原理教研組. 化工過程及設備設計M. 廣州:華南理工大學出版社,19963 刁玉瑋,王立業(yè).

10、 化工設備機械基礎(第五版)M. 大連:大連理工大學出版社, 20004 大連理工大學化工原理教研室化工原理課程設計M. 大連:大連理工大學出版社,19965 魏崇光,鄭曉梅. 化工工程制圖M. 北京:化學工業(yè)出版社,19986 婁愛娟,吳志泉. 化工設計M.上海:華東理工大學出版社,20027 華東理工大學機械制圖教研組. 化工制圖M. 北京:高等教育出版社,19938 王靜康. 化工設計M. 北京:化學工業(yè)出版,19989 傅啟民. 化工設計M. 合肥:中國科學技術大學出版社,200010 董大勤. 化工設備機械設計基礎M. 北京:化學工業(yè)出版社,199911 GB 151-1999管殼式

11、換熱器12 JB/T 4715-92 固定管板式換熱器與基本參數(shù)13 靳明聰. 換熱器M. 重慶:重慶大學出版社,199014 蘭州石油機械研究所. 換熱器M. 北京:烴加工出版社,1986第一章 設計方案簡介一、 設計目的課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實際性較強的教學環(huán)節(jié),是理論聯(lián)系實際的橋梁,是使學生體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設計,要求學生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識,進行融會貫通的獨立思考,在規(guī)定的時間內完成指定的化工設計任務,從而得到化工設計的主要程序和方法,培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時,通過課程設計,還可以培養(yǎng)學生樹立正確

12、的設計思想,培養(yǎng)實事求是,嚴肅認真,高度負責的工作作風。2、  該設備的作用及在生產(chǎn)中的應用換熱器是實現(xiàn)傳熱過程的基本設備。而此設備是比較典型的傳熱設備,它在工業(yè)中的應用十分廣泛。例如:在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器、蒸餾操作中蒸餾釜和冷凝器、化工廠蒸發(fā)設備的加熱室等。三、工藝流程示意圖飽和水蒸氣應從換熱器殼程上方進入,冷凝水由殼程下方排出,冷卻水從換熱器下方的入口進入,上方的出口排除。4、 說明運用該設備的理由這種換熱器的特點是殼體和管板直接焊接,結構簡單、緊湊。在同樣的殼體直徑內,排管較多。管式換熱器具有易于制造、成本較低、處理能力達、換熱表面清洗比較方便、可供選用的結構材料

13、廣闊、適應性強、可用于調溫調壓場合等優(yōu)點,由于兩管板之間有管子相互持撐,管板得到加強,故在各種列管換熱器中他的管板最薄,其造價比較低,因此得到了廣泛應用。5、 設備的結構特點該結構能夠快速的降低物料的溫度,工作時熱流體走殼程,冷流體走管程,使接觸面積大大增加,加快了換熱速度。同時,對溫差稍大時可在殼體的適當部位焊上補償圈(或稱膨脹節(jié)),通過補償圈發(fā)生彈性變形(拉伸或壓縮)來適應外殼和管束不同的膨脹程度。6、 在設計中遇到的問題的處理在設計中,在工藝計算過程中,由于選取K0不當或其他條件選取不當,造成在校核時K0不符合要求。在重新選取K0的同時,改變了其他的條件,如:n,L等,經(jīng)過二次校核達到了

14、預期的目的。7、 設計方案的確定(1)對于列管式換熱器,首先根據(jù)換熱流體的腐蝕性或其它特性選項定其結構材料,然后再根據(jù)所選項材料的加工性能,流體的壓強和溫度、換熱的溫度差、換熱器的熱負荷、安裝檢修和維護清洗的要求以及經(jīng)濟合理性等因素來選項定其型式。設計所選用的列管換熱器的類型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設備,在工業(yè)中應用已有悠久歷史,具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結構材料廣闊、適應性強、可用于調溫調壓場合等優(yōu)點,故在大型換熱器中占優(yōu)勢。固定管板式列管換熱器的特點是,殼體與管板直接焊接,結構簡單緊湊,在同樣的殼體直徑內排管最多。由于兩管板之間有管板的相互

15、支撐,管板得到加強,故各種列管換熱器中它的管板最薄,造價最低且易清洗。缺點是,管外清洗困難,管壁與殼壁之間溫差大于50時,需在殼體上設置膨脹節(jié),依靠膨脹節(jié)的彈性變形以降低溫差壓力,使用范圍僅限于管、殼壁的溫差不大于70和殼程流體壓強小于600kpa的場合,否則因膨脹節(jié)過厚,難以伸縮而失去溫差補償作用。(2)工藝流程圖(3)流體流經(jīng)的空間:冷卻水走管程原因有以下幾個方面,冷卻水常常用江水或井水,比較臟硬度較高,受熱容易結垢,在管內便于清理,此外,管內流體易于維持高速,可避免懸浮顆粒的沉積。管程可以采用多管程來增大流速,用以提高對流傳熱系數(shù)。被加熱的流體應走管程,以提高熱的有效利用,被冷卻的流體走

16、殼程,以便于熱量散失。飽和蒸汽由于比較清潔應于殼程流過,易便于冷凝液的排出。綜上所述冷卻水走管程蒸汽走殼程。(4)流體的流動方向選擇:飽和水蒸氣應從換熱器殼程上方進入,冷凝水從殼程的下方排出,這樣既便于冷凝水的排放,又利于傳熱效率的提高;冷卻水一般從換熱器的下方的入口進入,上方的出口排出,可減少冷卻水流動中的死角,以提高傳熱面積的有效利用.故采用逆流.(5)流速的選擇:換熱器內流體的流速大小,應有經(jīng)濟衡算來決定.增大器內流體的流速,可增強對流傳熱,減少污垢在換熱管表面上沉積的可能性,即降低了污垢的熱阻,使總傳熱系數(shù)增大,從而減少換熱器的傳熱面積和設備的投資經(jīng)費,但是流速增大,又使流體阻力增大,

17、動力消耗也就增多,從而致使操作費用增加,若流速過大,還會使換熱器產(chǎn)生震動,影響壽命,因此選取合適的流速是十分重要的.(6)冷卻劑及出口溫度的確定:選取水做冷卻劑,它們可以直接取自大自然,不必特別加工.由于本地水源豐富,可以降低傳熱面積,減少設備費用,故取出口溫度為28.第一節(jié) 換熱器簡介 一、換熱器概述 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備,以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞,又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。 在換熱器中,至少有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱

18、,但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別。 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,占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展,對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高,因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍,一些新型高效換熱器相繼問世。 二、換熱器的分類 換熱器作為傳熱設備被廣泛用于耗能用量大的領域。隨著節(jié)能技術的飛速發(fā)展,換熱器的種類越來越多。適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器,結構型式也不同,換熱器的具體分類如下: 1、換熱器按傳熱原理可分為: 1)間壁式換熱器 間壁式換熱器是溫

19、度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動,通過壁面的導熱和流體在壁表面對流,兩種流體之間進行換熱。因此又稱表面式換熱器,這類換熱器應用最廣。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結構不同可分為管式、板面式和其他型式。 2)蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器通過固體物質構成的蓄熱體,把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體,熱介質先通過加熱固體物質達到一定溫度后,冷介質再通過固體物質被加熱,使之達到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉式、閥門切換式等。 3)流體連接間接式換熱器 流體連接間接式換熱器,是把兩個表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來的換熱器,熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán),在高溫流體接受熱量,在低溫流體

20、換熱器把熱量釋放給低溫流體。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設備稱蓄冷器,多用于空氣分離裝置中。如煉焦爐下方預熱空氣的蓄熱室。 4)混合式換熱器 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進行熱量交換的換熱器,又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時分離,這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如,、氣體冷凝器等。 2、換熱器按用途分為: 1)冷卻器冷卻器是把流體冷卻到必要的溫度,但冷卻流體沒有發(fā)生相的變化。 2)加熱器 加熱器是把流體加熱到必要的溫度,但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。 3)預熱器 預熱器預先加熱流體,為工序操作提供標準的工藝參數(shù)。 4)

21、過熱器 過熱器用于把流體(工藝氣或蒸汽)加熱到過熱狀態(tài)。 5)蒸發(fā)器 蒸發(fā)器用于加熱流體,達到沸點以上溫度,使其流體蒸發(fā),一般有相的變化。 下面我們主要介紹列管式換熱器 。 1、 列管式換熱器分類列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應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。列管式換熱器又稱為管殼式換熱器,是最典型的間壁式換熱器。優(yōu)點:單位體積設備所能提供的傳熱面積大,傳熱效果好,結構堅固,可選用的結構材料范圍寬廣,操作彈性大,大型裝置中普遍采用。結構:殼體、管束、管板、折流擋板和封頭。 一種流體在管內流動,其行程稱為管程;另一種流體在管外流動,其行程稱為殼程。管束的

22、壁面即為傳熱面。,按材質分為碳鋼,不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種,按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式換熱器,按結構分為單管程、雙管程和多管程,傳熱面積1500m2,可根據(jù)用戶需要定制。在進行換熱時,一種流體由封頭的連結管處進入,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償結構來分,主要有以下幾種:浮頭式換熱器、固定式換熱器、U形管換熱器、填料函式換熱器等1)浮頭式換熱器浮頭式換熱器兩端的管板,一端不與殼體相連,該端稱浮頭。管子受熱時,管束連同浮頭可以沿

23、軸向自由伸縮,完全消除了溫差應力。新型浮頭式換熱器浮頭端結構,它包括圓筒、外頭蓋側法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成,其特征是:在外頭蓋側法蘭內側面設凹型或梯型密封面,并在靠近密封面外側鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布,浮頭處取消鉤圈及相關零部件,浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心,半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽,且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通,而不與圖1 浮頭式換熱器凹型槽相連通;在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設多個螺桿均布,設浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封,分程隔板與梯型凸臺相通并位于同一端面的寬面法蘭,且凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管

24、板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對應匹配,該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋,其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配,用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片,該結構必要時可適當加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內徑,同時相應變更加大相關零部件的尺寸;另配置一無外力輔助鋼圈,其圈體內徑大于浮頭管板外徑,鋼圈一端設法蘭與外頭蓋側法蘭內側面凹型或梯型密封面連接并密封,另一端設法蘭或其他結構與浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。浮頭換熱器的特點:浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間,另一端管板可以在殼體內自由移動,這個特點在現(xiàn)場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由

25、的,管束可以抽出,便于清洗管間和管內。其缺點是結構復雜,造價高(比固定管板高20%),在運行中浮頭處發(fā)生泄漏,不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質易結垢的條件。2)固定管板式換熱器固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體,當兩流體的溫度差較大時,在外殼的適當位置上焊上一個補償圈(或膨脹節(jié))。當殼體和管束熱膨脹不同時,補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。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結構特點是在殼體中設置有管束,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,殼程的進出口管直接焊

26、在殼體上,管板圖2 固定管板式換熱器外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固,管程的進出口管直接和封頭焊在一起,管束內根據(jù)換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜,但殼程清洗困難,對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。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出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的,而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此,當管壁與殼壁溫差較大時,由于兩者的熱膨脹不同,產(chǎn)生了很大的溫差應力,以至管子扭彎或使管子從管板上松脫,甚至毀壞換熱器

27、。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置,一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時,為安全起見,換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置(膨脹節(jié))只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚,難以伸縮,失去溫差補償?shù)淖饔?,就應考慮其他結構。固定管板式換熱器的特點1、 旁路滲流較??;2、 造價低;3、 無內漏;4、 固定管板式換熱器的缺點是,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廢,設備壽命較低,不適用于殼程易結垢場合。3)U型管式換熱器圖3 U型管換熱器這類換熱器只有一個管板,管程至少為兩程,管束可以抽出清洗,管子可以

28、自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難,管子更換困難,管板上排列的管子少。4)填料函式換熱器:這類換熱器管束一端可以自由膨脹,結構比浮頭式簡單,造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能,殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。 第二節(jié) 列管式換熱器的結構1、管程結構 換熱管規(guī)格和排列的選擇換熱管直徑越小,換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此,對于潔凈的流體管徑可取小些。但對于不潔凈或易結垢的流體,管徑應取得大些,以免堵塞??紤]到制造和維修的方便,加熱管的規(guī)格不宜過多。目前我國試行的系列標準規(guī)定采用和兩種規(guī)格,對一般流體是適應的。此外,還有,57×2.5的無縫鋼管和25×2

29、,的耐酸不銹鋼管。按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目,再根據(jù)所需傳熱面積,求得管子長度。實際所取管長應根據(jù)出廠的鋼管長度合理截用。我國生產(chǎn)的鋼管長度多為6m、9m,故系列標準中管長有1.5m,2m,3m,4.5m,6m和9m六種,其中以3m和6m更為普遍。同時,管子的長度又應與管徑相適應,一般管長與管徑之比,即L/D約為46。管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種(圖4.7.11a,圖4.7.11b)。與正方形相比,等邊三角形排列比較緊湊,管外流體湍動程度高,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散,傳熱效果也較差,但管外清洗方便,對易結垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉45°安裝(圖

30、4(3),可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 圖4 管子在管板上的排列管板固定管板式換熱器的兩端管板采用焊接方法與殼體連接固定。管板的作用是將受熱管束連接在一起,并將管程和殼程的流體分隔開來。封頭和管箱封頭 封頭有方形和圓形兩種,方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm),圓形用于大直徑的殼體。管箱 列管式換熱器管箱即換熱器的端蓋,也叫分配室。用以分配液體和起封頭的作用。壓力較低時可采用平蓋,壓力較高時則采用凸形蓋,用法蘭與管板連接。檢修時可拆下管箱對管子進行清洗或更換。管箱的最小內側深度應符合以下兩個條件1) 軸向開孔的單管程管箱,開口中心處的最小深度應不小于接管內直徑的1/3。2) 多管程的

31、內側深度應保證兩程之間的最小流通面積不小于每管程換熱管流通面積的1.3倍;當操作允許時也可等于換熱管的流通面積。3) 管箱長度還應考慮管程進出管開孔補強的2B邊緣應力影響范圍,如果緊挨殼程進出管,還應考慮裝卸螺栓螺母,這點新手特別容易忽視,特別在不按比例制圖情況下,個別情況還應考慮人進入管箱維護的空間。4) 管箱的長度還應考慮接管到封頭切線的距離,接管焊縫到法蘭密封面之間的距離.管箱的長度應盡量短一些。2、殼程結構 殼體換熱器殼體的內徑應等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計算出的實際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等,可用作圖法確定殼體的內徑。但是,當管數(shù)較多又要反復計算時

32、,作圖法太麻煩費時,一般在初步設計時,可先分別選定兩流體的流速,然后計算所需的管程和殼程的流通截面積,于系列標準中查出外殼的直徑。待全部設計完成后,仍應用作圖法畫出管子排列圖。為了使管子排列均勻,防止流體走"短路",可以適當增減一些管子。另外,初步設計中也可用下式計算殼體的內徑,即: 式中D殼體內徑,m; t管中心距,m; nc橫過管束中心線的管數(shù); b管束中心線上最外層管的中心至殼體內壁的距離,一般取b=(11.5)do。nc值可由下面的公式計算。管子按正三角形排列時: 管子按正方形排列時: 式中n為換熱器的總管數(shù)。折流擋板安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),為取

33、得良好的效果,擋板的形狀和間距必須適當。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種,前者更為常用。切去的弓形高度約為外殼內徑的1040,一般取2025,過高或過低都不利于傳熱。 a.圓缺形 b.圓盤形 a.圓缺形 b.圓盤形圖5 折流板兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內徑D的(0.21)倍。板間距過小,不便于制造和檢修,阻力也較大。板間距過大,流體就難于垂直地流過管束,使對流傳熱系數(shù)下降。對圓缺形擋板而言,弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。由圖2可以看出,弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生&quo

34、t;死區(qū)",既不利于傳熱,又往往增加流體阻力。 a.切除過少 b.切除適當 c.切除過多圖6擋板切除對流動的影響擋板的間距對殼體的流動亦有重要的影響。間距太大,不能保證流體垂直流過管束,使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降;間距太小,不便于制造和檢修,阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內徑的0.21.0倍。我國系列標準中采用的擋板間距為:固定管板式有100mm,150mm,200mm,300mm,450mm,600mm,700mm七種浮頭式有100mm,150mm,200mm,250mm,300mm,350mm,450mm(或480mm),600mm八種。圖7 裝有圓形折流擋板的列管換熱器緩沖板緩

35、沖擋板 為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊,可在進料管口裝設緩沖擋板。其它主要附件 導流筒 殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間(死角),為了提 高傳熱效果,常在管束外增設導流筒,使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這個空間。 放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔,以排除不凝性氣體和冷凝液等。 接管尺寸 換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算,即: 式中Vs-流體的體積流量,m3/s; u -接管中流體的流速,m/s。流速u的經(jīng)驗值為:對液體:u=1.52 m/s;對蒸汽:u=2050 m/s;對氣體:u=(1520)p/;式中p為壓強,單位為atm ;為氣體密度

36、,單位為kg/m3。第三節(jié) 管程和殼程數(shù)的確定 當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時,有時會使管內流速較低,因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內流速,可采用多管程。但是程數(shù)過多,導致管程流體阻力加大,增加動力費用;同時多程會使平均溫度差下降;此外多程隔板使管板上可利用的面積減少,設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時,通常應使每程的管子數(shù)大致相等。管程數(shù)m可按下式計算,即: 式中 u管程內流體的適宜速度,m/s; u管程內流體的實際速度,m/s。當殼方流體流速太低時,也可以采用殼方多程。如殼體內安裝一塊與管束平行的隔板,流體在殼體內流經(jīng)兩

37、次,稱為兩殼程,如前述的圖4-47和圖4-48所示。但由于縱向隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難,故一般不采用殼方多程的換熱器,而是將幾個換熱器串聯(lián)使用,以代替殼方多程。例如當需二殼程時,則將總管數(shù)等分為兩部分,分別安裝在兩個內徑相等而直徑較小的外殼中,然后把這兩個換熱器串聯(lián)使用,如圖所示。 圖8 換熱器串聯(lián)第四節(jié) 流動空間的選擇在管殼式換熱器的設計中,首先要決定哪種流體走管程,哪種流體走殼程。這需要遵循一些一般原則。應盡量提高兩側傳熱系數(shù)較小的一個,使傳熱面兩側的傳熱系數(shù)接近。在運行溫度較高的換熱器中,應盡量減少熱量的損失,而對于一些制冷裝置,應盡量減少其冷量的損失。管、殼程的決定應盡量做

38、到易于清洗除垢和修理,以保證運行的可靠性。應減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應力。從這個角度來說,順流式就優(yōu)于逆流式,因為順流式進出口端的溫度比較平均不像逆流式那樣,熱、冷流體的高溫段都集中在一端,低溫部分集中于另一端,易于因兩端收縮不同而產(chǎn)生熱應力。流量小而粘度大()的流體一般以殼程為宜,因在殼程Re>100即可達到湍流。但這不是絕對的,如流動阻力損失允許,將這類流體通入管內并采用多管程結構,亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。對于有毒的介質或氣體介質,必使其不泄露,應特別注意其密封,密封不僅要可靠而且還要求方便和簡單。應盡量避免采用貴金屬,以降低其成本以上這些原則有的是相互矛盾的,所以在具

39、體設計時應綜合考慮,決定哪一種流體走管程,哪一種流體走殼程。1、 適于通入管內空間(管程)的流體1) 不清潔的流體 因為在管內空間得到較高的流速并不困難,而流速高時,懸浮物不易沉淀,且管內空間也易于清潔。2) 體積小的流體 因為管內空間的流動截面往往比管外空間的流動截面小,流體易于獲得必要的理想流速,而且也便于做多程流動。3) 有壓力的流體 因為管子承壓能力強,而且簡化了殼體的密封要求。4) 腐蝕性強的流體 因為只有管子及管箱才需要用耐腐蝕的材料,而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造,所以可以降低造價。此外,在管內空間裝設保護用的襯里或覆蓋層也比較翻遍,并容易檢查。5) 與外界溫差較大

40、的流體 因為可以減少熱量的散失。 2、 宜于通入管間空間(殼程)的流體1)當兩流體溫度相差較大時,值較大的流體走管間 這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差,因而也減少了管束與殼體間的相對伸長量,故溫差應力可以降低2)若兩流體的給熱性能相差較大時,值較小的流體走管間 此時可用翅片管來平衡傳熱面兩側的給熱條件,使之相互接近。3)飽和蒸汽 以便于及時排除冷凝液,且蒸氣較潔凈,冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大。4)粘度大的液體 管間的流動截面與方向都在隨時變化,在低雷諾準數(shù)下,管外給熱系數(shù)比管內大。5) 被冷卻的流體 可利用外殼向外的散熱作用,以增強冷卻效果。6)泄漏后危險性大的流體 可以較少泄露機會,以保安全

41、。此外,易析出結晶、沉渣、淤泥以及其它沉淀物的流體,最好通入比較更容易清洗的流動空間,在管殼式換熱器中,一般易清洗的是管內空間。但在U形管、浮頭式換熱器中,易清洗的都是管外空間。第五節(jié) 流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速,將加大對流傳熱系數(shù),減少污垢在管子表面上沉積的可能性,即降低了污垢熱阻,使總傳熱系數(shù)增大,從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加,又使流體阻力增大,動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。此外,在選擇流速時,還需考慮結構上的要求。例如,選擇高的流速,使管子的數(shù)目減少,對一定的傳熱面積,不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗,且一般管長都有一定的標

42、準;單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠_@些也是選擇流速時應予考慮的問題。表1 列管換熱器內常用的流速范圍流體種類流速 m/s管程殼程一般液體宜結垢液體氣 體0.51.3>15300.21.5>0.5315表2 液體在列管換熱器中流速(在鋼管中)液體粘度最大流速 m/s>1500100050050010010053351>10.60.751.11.51.82.4第六節(jié) 流動方式的選擇除逆流和并流之外,在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復雜流動。當流量一定時,管程或殼程越多,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大,對傳熱過程越有利。但是,采用多管程或多殼程必導致流體阻力損失,即輸送

43、流體的動力費用增加。因此,在決定換熱器的程數(shù)時,需權衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。當采用多管程或多殼程時,列管式換熱器內的流動形式復雜,對數(shù)平均值的溫差要加以修正,具體修正方法見第二章第一節(jié)。 第七節(jié) 加熱劑、冷卻劑的選擇用換熱器解決物料的加熱冷卻時,還要考慮加熱劑(熱源)和冷卻劑(冷源)的選用問題。可以用作加熱劑和冷卻劑得物料很多,列管式換熱器常用的加熱劑有飽和和水蒸氣,煙道氣和熱水等。常用的冷卻劑有水,空氣和氮等。在選用加熱劑和冷卻劑的時候主要考慮來源方便,有足夠的溫度,價格低廉,使用安全。(一)常用的加熱劑1、飽和水蒸汽飽和的水蒸汽是一種應用最廣泛的加熱劑,由于飽和水蒸汽冷凝時的傳熱膜系

44、數(shù)很高,可以改變蒸汽的壓強以準確地調節(jié)加熱溫度,而且??衫脙r格低廉的蒸汽機及渦輪和排放的廢氣。但飽和水蒸汽溫度超過180,就需采用很高的壓強。一般只用于加熱溫度在180以下的情況。2、煙道氣 燃料燃燒所得到的煙道氣具有很高的溫度,可達7001000,適用于需要達到高溫度的加熱。用煙道氣加熱的缺點是他的比熱低,控制困難及傳熱膜系數(shù)很低。除了以上兩種常用的加熱劑之外,還可以結合工廠的具體情況,采用熱空氣作為加熱劑。也可應用熱水來作為加熱劑。(二)常用的冷卻劑水和空氣是最常用的冷卻劑,他們可以直接取自大自然,不必特別加工。以水和空氣比較,水的比熱高,傳熱膜系數(shù)也很高,但空氣的取得和使用比水方便,應

45、因地制宜加以選用。水和空氣作為冷卻劑變到當?shù)貧鉁氐南拗?,一般冷卻溫度為1025。如果要冷卻到較低的溫度,則需應用低溫劑,常用的低溫劑有冷凍鹽水(Cacl2,Nacl及其它溶液)。 第八節(jié) 流體出口溫度的確定若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定,則不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中一流體僅已知進口溫度,則出口溫度應由設計者來確定。例如用冷水冷卻一熱流體,冷水的進口溫度可根據(jù)當?shù)氐臍鉁貤l件作出估計,而其出口溫度則可根據(jù)經(jīng)濟核算來確定:為了節(jié)省冷水量,可使出口溫度提高一些,但是傳熱面積就需要增加;為了減小傳熱面積,則需要增加冷水量。兩者是相互矛盾的。一般來說,水源豐富的地區(qū)選用較小的溫差,

46、缺水地區(qū)選用較大的溫差。不過,工業(yè)冷卻用水的出口溫度一般不宜高于45,因為工業(yè)用水中所含的部分鹽類(如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4等)的溶解度隨溫度升高而減小,如出口溫度過高,鹽類析出,將形成傳熱性能很差的污垢,而使傳熱過程惡化。如果是用加熱介質加熱冷流體,可按同樣的原則選擇加熱介質的出口溫度。第九節(jié) 材質的選擇列管換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強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

47、然抗腐蝕性能好,但價格高且較稀缺,應盡量少用。 第二章 列管式換熱器的設計計算列管式換熱器的選用和設計計算步驟基本上是一致的,其基本步驟如下: 1、試算并初選設備規(guī)格(1) 根據(jù)傳熱任務,計算傳熱速率;(2) 計算傳熱溫差,并根據(jù)溫差修正系數(shù)不小于0.8的原則,確定殼程數(shù)或調整加熱介質或冷卻介質的終溫;(3)選擇流體在換熱器中的通道;(4) 確定流體在換熱器中的流動途徑。(5) 根據(jù)傳熱任務計算熱負荷Q。(6)確定流體在換熱器兩端的溫度,選擇列管式換熱器的型式;計算定性溫度,并確定在定性溫度下流體的性質。(7)計算平均溫度差,并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應小于0.8的原則,決定殼程數(shù)。(8)依據(jù)總傳熱

48、系數(shù)的經(jīng)驗值范圍,或按生產(chǎn)實際情況,選定總傳熱系數(shù)K選值。(9) 依據(jù)傳熱基本方程,估算傳熱面積,并確定換熱器的基本尺寸或按系列標準選擇換熱器的規(guī)格;(10) 選擇流體的流速,確定換熱器的管程數(shù)和折流板間距。2 計算管、殼程壓強降 根據(jù)初定的設備規(guī)格,計算管、殼程流體的流速和壓強降。檢查計算結果是否合理或滿足工藝要求。若壓強降不符合要求,要調整流速,再確定管程數(shù)或折流板間距,或選擇另一規(guī)格的設備,重新計算壓強降直至滿足要求為止。3 計算傳熱系數(shù),校核傳熱面積 計算管程、殼程的對流傳熱系數(shù),確定污垢熱阻,計算傳熱系數(shù)和所需的傳熱面積。一般選用換熱器的實際傳熱面積比計算所需傳熱面積大10%25%,

49、若K'/K1.151.25,否則另設總傳熱系數(shù),另選換熱器,返回第一步,重新進行校核計算。通常,進行換熱器的選擇或設計時,應在滿足傳熱要求的前提下,再考慮其他各項的問題。它們之間往往是互相矛盾的。例如,若設計的換熱器的總傳熱系數(shù)較大,將導致流體通過換熱器的壓強降(阻力)增大,相應地增加了動力費用;若增加換熱器的表面積,可能使總傳熱系數(shù)和壓強降降低,但卻又要受到安裝換熱器所能允許的尺寸的限制,且換熱器的造價也提高了。此外,其它因素(如加熱和冷卻介質的用量,換熱器的檢修和操作)也不可忽視??傊O計者應綜合分析考慮上述諸因素,給予細心的判斷,以便作出一個適宜的設計。第一節(jié) 傳熱計算給定的條

50、件(1)熱流體的入口溫度t1' 、出口溫度t1";(2)冷流體的入口溫度t2' 、出口溫度t2"; 熱平衡方程式是反映換熱器內冷流體的吸熱量與熱流體的放熱量之間的關系式。由于換熱器的熱散失系數(shù)通常接近1,計算時不計算散熱損失,則冷流體吸收熱量與熱流體放出熱量相等,熱平衡方程式中的熱量Q是烘干機干燥糧食所需要的熱量,換熱器換出的熱量必須等于該熱量。1、傳熱系數(shù)K傳熱系數(shù)K是表示換熱設備性能的極為重要的參數(shù),是進行傳熱計算的依據(jù)。K的大小取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等,K值通??梢杂蓪嶒灉y定,或取生產(chǎn)實際的經(jīng)驗數(shù)據(jù),也可以通過分析計算求得。

51、在工程上,一般以圓管外表面積A0為基準計算總傳熱系數(shù)K0,除加以說明外,常將A0、K0分別以A、K表示,即:該式又可以改寫為:式中:di,d0,dm-圓管的內徑、外徑、管壁的平均直徑。2、平均溫度差由于換熱器中沿程流體的溫度、物性是變化的,故式(4.1.1)中的傳熱溫差(T-t)和傳熱系數(shù)K一般也就會變動,在工程計算中通常用平均傳熱溫差代替,于是得到總的傳熱速率方程的表達式:Q=KAtm 。間壁兩側流體平均溫度差的計算方法與換熱器中兩流體的相互流動方向有關,而兩流體的溫度變化情況,可分為恒溫傳熱和變溫傳熱。(1) 恒溫傳熱時的平均溫度差換熱器的間壁兩側流體均有相變化時,例如在蒸發(fā)器中,間壁的一

52、側,液體保持在恒定的沸騰溫度t下蒸發(fā),間壁的另一側,加熱用的飽和蒸氣在一定的冷凝溫度T下進行冷凝,屬恒溫傳熱,此時傳熱溫度差(T-t)不變,即:tm=T-t(2) 變溫傳熱時的平均溫度差變溫傳熱時,兩流體相互流動的方向不同,則對溫度差的影響不同,分述如下。逆流和并流時的平均溫度差在換熱器中,冷、熱兩流體平行而同向流動,稱為并流;兩者平行而反向的流動,稱為逆流。經(jīng)推導得: 圖9 流型為對數(shù)平均溫差:逆流: 并流:對于同樣的進出口條件, 逆并,并可以節(jié)省加熱劑或冷卻劑的用量,工業(yè)上一般采用逆流。 對于一側有變化,另一側恒溫, 逆并。(3)錯流和折流時的平均溫度差在大多數(shù)的列管換熱器中,兩流體并非簡單的逆流或并流,因為傳熱的好壞,除考慮溫度差的大小外,還要考慮到影響傳熱系數(shù)的多種因素以及換熱器的結構是否緊湊合理等。所以實際上兩流體的流向,是比較復雜的多程流動,或是相互垂直的交叉流動。圖10 錯折流圖中,(a)圖兩流體的流向

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