化工原理課程設(shè)計-煤油冷卻器的設(shè)計

1、中南大學化工原理 課程設(shè)計說 明 書 設(shè)計題目 列管式換熱器的設(shè)計 指導(dǎo)老師:孔江榕 學院:化學化工學院 專業(yè)班級:化工1202 姓名:劉亮學號:1505120711 設(shè)計日期:2014-9-17 目錄一、 概述.2二、 設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù).13三、 換熱器的類型和特點.14四、 論述本換熱流程結(jié)構(gòu)的選擇和材料選擇.15五、 有關(guān)換熱器計算.15六、 設(shè)計結(jié)果一覽表.21七、 后記.23八、 參考資料.24九、 主要符號說明.25 一、概述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。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；另一種流體則溫度較低，吸收熱量

2、。3540。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(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進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。 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(shè)計中，首先應(yīng)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(jié)構(gòu)尺寸。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、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結(jié)構(gòu)特點又可分為管殼式換熱

3、器、板面式換熱器和擴展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。 表2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類 類 型 特 點 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中 套管

4、式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進行嚴格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫熱能 平板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下各項基本要求。 （1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流

5、體的熱力學參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經(jīng)過反復(fù)比較，使所設(shè)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。其具體做法如下。 增大傳熱系數(shù)? 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的前提下，盡量選擇高的流速。 提高平均溫差? 對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時，可提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。 妥善布置傳熱面? 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以

6、加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側(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）安全可靠 換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計算時，應(yīng)遵照我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標準。這對保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 直立設(shè)備的安裝費往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運輸與裝拆，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(shè)保溫層。 （4）經(jīng)濟合

7、理 評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內(nèi)（通常為1年）固定費用（設(shè)備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。在設(shè)計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標尤為重要。 動力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。 傳熱面上垢層的產(chǎn)生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進行清洗。在清洗時不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費，這部分費用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補償，因此存在一最適宜的運行周期。 嚴格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進行經(jīng)濟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)

8、以整個系統(tǒng)中全部設(shè)備為對象進行經(jīng)濟核算或設(shè)備的優(yōu)化。但要解決這樣的問題難度很大，當影響換熱器的各項因素改變后對整個系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時，按照上述觀點單獨地對換熱器進行經(jīng)濟核算仍然是可行的。1.2換熱器的結(jié)構(gòu)形式1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為以下幾種：固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器

9、，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強不高于600Kpa的情況。浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。2.蛇管式換熱器蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單，操作最方便的一種換熱設(shè)備，通常按照換熱方式不同，將蛇管式換

10、熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。3.套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型時管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。1.3換熱器材質(zhì)的選擇在進行換熱器設(shè)計時，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到

11、的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 （2）不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗

12、；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 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。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超過4 MPa，設(shè)計溫度不超過 350的場合。（3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，

13、封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。分程隔板 當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6程。在布置時應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應(yīng)嚴防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。1.4管板式換熱器的優(yōu)點(1) 換熱效率高,熱損失小  

14、0;     在最好的工況條件下, 換熱系數(shù)可以達到6000W/ m2K, 在一般的工況條件下, 換熱系數(shù)也可以在30004000 W/ m2K左右,是管殼式換熱器的35倍。設(shè)備本身不存在旁路,所有通過設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進行充分的換熱。完成同一項換熱過程, 板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/ 31/ 4。(2) 占地面積小重量輕        

15、;除設(shè)備本身體積外, 不需要預(yù)留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0. 60. 8mm。同樣的換熱效果, 板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3) 污垢系數(shù)低        流體在板片間劇烈翻騰形成湍流, 優(yōu)秀的板片設(shè)計避免了死區(qū)的存在, 使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。(4) 檢修、清洗方便        

16、換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當檢修、清洗時, 僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進行沖刷清洗。(5) 產(chǎn)品適用面廣        設(shè)備最高耐溫可達180 , 耐壓2. 0MPa , 特別適應(yīng)各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面, 在低品位熱能回收方面, 具有明顯的經(jīng)濟效益。各類材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對腐蝕性的要求。      &

17、#160; 當然板式換熱器也存在一定的缺點, 比如工作壓力和工作溫度不是很高, 限制了其在較為復(fù)雜工況中的使用。同時由于板片通道較小,也不適宜用于雜質(zhì)較多,顆粒較大的介質(zhì)。1.5列管式換熱器的結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 （1）換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有19×2 mm、25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、25×2.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較薄；同時，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱管管板上的排列方式有正方形直

18、列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。  （A） （B）（C）  （D） （E）圖 1-4 換熱管在管板上的排列方式(A) 正方形直列     （B）正方形錯列    (C) 三角形直列     （D）三角形錯列  （E）同心圓排列 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板

19、 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。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超過4 MPa，設(shè)計溫度不超過350的場合。 （3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因

20、此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。分程隔板 當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6程。在布置時應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應(yīng)嚴防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。1.6管板式換熱器的類型及工作原理        板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式; 按照

21、密封墊可以分為粘結(jié)式和搭扣式。各種形式進行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對性。比如同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結(jié)式還是搭扣式密封墊而有所不同, 采用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕, 并且設(shè)備拆裝更加方便。又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器, 可以達到250 、2. 5MPa 。因此同樣是板式換熱器, 因其形式的多樣性,可以應(yīng)用于較為廣泛的領(lǐng)域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。 雖然板式換熱器有多種形式, 但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外

22、力將換熱板片夾緊組裝在一起, 介質(zhì)通過換熱板片上的通孔在板片表面進行流動, 在板片波紋的作用下形成激烈的湍流, 猶如用筷子攪動杯中的熱水, 加大了換熱的面積。冷熱介質(zhì)分別在換熱板片的兩側(cè)流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸, 通過板片來進行充分的熱傳遞,達到最終的換熱效果。冷熱介質(zhì)的隔離主要通過密封墊的分割, 或者通過大量的焊縫來保證, 在換熱板片不開裂穿孔的情況下, 冷熱介質(zhì)不會發(fā)生混淆。1.7確定設(shè)計方案1選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度140 出口溫度40；冷流體進口溫度30，出口溫度為40

23、，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用列管式換熱器。2 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使煤油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。 二、設(shè)計題目：列管式換熱器的設(shè)計（一） 設(shè)計任務(wù)及操作條件：1. 處理能力：（12.8×10）噸/年煤油2. 設(shè)備型式：浮頭式換熱器3. 操作條件：（1） 煤油入口溫度140，出口溫度40；（2） 冷卻介質(zhì)循環(huán)水，入口溫度25，出口溫度40；

24、（3） 允許壓強降不大于105Pa;（4） 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度為825kg/m3；粘度為：7.5×10-4Pa.S;比熱容為：2.22kJ/（kg. ）；導(dǎo)熱系數(shù)為：0.14W/（m. ） 水定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度為994kg/m3；粘度為：7.27×10-4Pa.S;比熱容為：4.187kJ/（kg. ）；導(dǎo)熱系數(shù)為：0.626W/（m. ）（5） 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。 三、換熱器類型：浮頭式換熱器 換熱器特點: 兩端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。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼

25、體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會主生熱應(yīng)力。 四、論述本換熱流程結(jié)構(gòu)的選擇和材料選擇。1、選擇換熱器的類型：兩流體溫度變化情況：煤油進口溫度為140，出口溫度40，冷流體進口溫度25，出口溫度40；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，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計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、 流程安排: 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。選用25×2.5的碳鋼管（換熱管標準：GB8163）。 五、有關(guān)換熱器計算1、估算傳熱面積1.1

26、熱流量m0=（kg/h）Qo=m0cp0t0=1.6161××2.22××(140-40)/（140-40）=9.97×W1.2平均傳熱溫差() 1.3傳熱面積 假設(shè)K=300W/(m2·K),則估算面積為：AP=Q0/(K×tm)=9.97×/(300×35.168)=95(m2) 1.4冷卻水用量=57132（kg/h）2、工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 1.5m/s2.2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)10

27、4（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：=6（m）按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標準設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長為l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=2；傳熱管總根數(shù)： NT=104×2=208（根）2.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)：由于平均傳熱溫差校正系數(shù)約等于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.4傳熱管排列和分程方法管子排列方法為正方形斜轉(zhuǎn)45°。（見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖3-13）取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.2532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=3

28、2/2+6=22（mm）。各程相鄰的管心距為44mm。管束的分程方法，每程各有傳熱管104根，其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖3-14選取。2.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.8，則殼體內(nèi)徑為D=600(mm)2.6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h0.25×700=175（mm）。折流板間距B=0.3D,則B=0.3×700=210mm。折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=6/0.15-139(塊)，折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖3-15。2.7其他附件拉桿數(shù)

29、量與直徑按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖表3-9選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑為16，拉桿數(shù)為6個。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。2.8接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為 圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為 圓整后去管內(nèi)徑為360mm 3. 換熱器核算3.1熱流量核算3.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，用克恩法計算：當量直徑，由排列得：de=m殼程流通截面積：=0.028（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0=（m/s）Re0=87

30、23普朗特數(shù)：Pr=；粘度校正：h0=585W/(m2·K) 3.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：hi管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×324/2=0.051（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：ui=0.488（m/s）Rei=13344（湍流）普朗特數(shù)：Pr=hi=0.023×=2705W/ (m2·K)3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻知可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻 R0=0.00017 m2·K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.00034 m2·K/W管壁熱阻 查有關(guān)文獻知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m

31、83;K)。故RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/W）3.1.4計算傳熱系數(shù)KC：KC=361w/（m·）計算傳熱面積AC:AC=Q/(KC×tm)=997×103/（361×35.168）=78.5（m2）該換熱器的實際傳熱面積A：A=3.14×0.025×（6-0.1）×208=96（m2）3.1.5 安全系數(shù)為=20.3%3.2壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按式（3-42）計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進口溫度

32、為16，出口溫度為40計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼程和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管壁溫差肯能較大。計算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有tw=式中液體的平均溫度tm=和氣體的平均溫度分別按式（3-44）和式（3-45）計算為tm=0.4×40+0.6×16=25.6（） Tm=0.5（140+40）=90（）hc=hi=5833W/ (m2·K) hh=h0=806.6W/ (m2·K)傳熱管平均壁溫t=33.4（）殼體壁溫，可近似取為

33、殼程流體的平均溫度，即T=90。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為t=90-32.5=57.5（）>50該溫差較大，故需設(shè)溫度補償裝置。因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。3.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力3.3.1管程流體阻力 計算公式如下：Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.4; Pi=。由Re=13344，傳熱管相對粗糙度0.1mm，查莫狄圖得=0.035，流速u=0.488m/s，=994kg/m3，故 Pi=1243（Pa）；Pr=355（Pa） Pt=（1243+355）×2×1.4=4474.4（Pa）<105 Pa管程流體阻力在允

34、許范圍之內(nèi)。3.3.2殼程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ；P0= Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.4,f0=5×6000-0.228=0.688, NTC=1.1 NT0.5=1.1×3240.5=19.8NB=27;u0（按流通面積S0=B(D- NTCd0)計算）=0.2m/s則流體流經(jīng)管束的阻力：P0=0.5×0.688×19.8×（27+1）×825×0.22/23146.77（Pa）流體流過折流板缺口的阻力Pi =NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.21m

35、; D=0.7m；故Pi=27×（3.5-2×0.21/0.7）×825×0.22/21291.95（Pa），則總阻力： PS=3146.77+1291.95=4438.72（Pa）<105 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。 六、設(shè)計結(jié)果設(shè)計一覽表換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表。參數(shù)管 程殼 程進/出溫度/25/40140/40壓力/ MPa0.40.3物性定性溫度/32.590密度/（kg/m3）994825定壓比熱容/（kJ/（kg·K）4.1872.22粘度/（Pa·s）0.0007270.000715熱導(dǎo)率/w/（m&

36、#183;K）0.6260.140普朗特數(shù)4.8611.3設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)1管徑/mm25×2.5管心距/mm32管長/mm6000管子排列正方形斜轉(zhuǎn)45°管數(shù)目/根208折流板數(shù)/個39傳熱面積/m296折流板間距/mm150管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.4880.28表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（m2·K）2705585污垢阻力/（w/m2·K）0.000340.00017傳熱系數(shù)/w/（m2·K）361安全系數(shù)/%20.3 七、后記本次持續(xù)了兩周的化工原理課程設(shè)計是對列管式換熱器的設(shè)計，列管式換熱器設(shè)計是綜合性的專業(yè)設(shè)計。通過本次練習，我們鞏固和深化之前所學的理論知識，增強了獨立分析和解決工程實際問題的能力，也讓我們對自己學的知識有了一個工程上的概念。本次實習最重要的收獲就是知道了工程設(shè)計與應(yīng)用的步驟及考慮問題的方法。同時，綜合設(shè)計也提高了識圖、制圖和使用相關(guān)工程技術(shù)資料的能力。而且經(jīng)過本次設(shè)計說明書的書寫，我們更加認識到說明書規(guī)范化格式的重要性，同樣在排版能力上有了很大提高。本設(shè)計所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設(shè)計