換熱器的設(shè)計

1、化工原理課程設(shè)計題 目:管殼式換熱器設(shè)計學(xué)生姓名:王忠系 別:應(yīng)用化學(xué)系專 業(yè):化學(xué)類年 級:13級學(xué) 號:201340600203 成 績:目 錄1 前言31.1 換熱器簡述31.2 換熱器分類31.2.1 按傳熱方式31.2.2 按換熱器的結(jié)構(gòu)分類31.2.3 市場規(guī)模及前景32 管殼試換熱器設(shè)計4設(shè)備工藝設(shè)計計算如下42.1 確定設(shè)計方案42.1.1 選定換熱器類型42.1.2 選定流體流動空間及流速42.3.1計算熱負(fù)荷52.3.2計算冷卻水用量52.3.3計算逆流平均溫差52.3.4初選總傳熱系數(shù)52.3.5估算總傳熱面積52.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸62.4.1管徑和管內(nèi)流速62.4.2管程

2、數(shù)和傳熱管數(shù)62.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 首先計算P和R參數(shù)：62.4.4傳熱管排列和分程方法72.4.5殼體內(nèi)徑72.4.6折流板72.4.7其他附件72.4.8接管82.5換熱器核算82.5.1傳熱能力核算82.5.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力102.6換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)果一覽表111 前言1.1 換熱器簡述在工業(yè)生產(chǎn)中，為了工業(yè)流程的需要，往往需要進(jìn)行各種不同方式的熱量變換，如：加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等，換熱器就是用來實(shí)現(xiàn)上述熱量交換與傳遞的設(shè)備。通過各種設(shè)備，一邊使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金

3、鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。1.2 換熱器分類1.2.1 按傳熱方式換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類。 混合式換熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)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，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而

4、上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠兩流體本身的密度差得以及時分離。蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。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(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。1.2.2 按換熱器的結(jié)構(gòu)分類可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。1.2.3 市場規(guī)模及

5、前景2016年換熱器行業(yè)規(guī)模突破1000億元，2020年實(shí)現(xiàn)由換熱器生產(chǎn)大國邁入世界換熱器強(qiáng)國的行列的奮斗目標(biāo)，為加快振興我國裝備制造業(yè)做出貢獻(xiàn)。產(chǎn)品精度、性能、壽命和可靠性達(dá)到同期國外大公司同類產(chǎn)品水平，重大裝備配套換熱器實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化：設(shè)計和制造技術(shù)達(dá)到同期圈外大公司水平，有一批核心技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)；有3-5家擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和世界知名品牌、國際競爭力較強(qiáng)的優(yōu)勢企業(yè)；行業(yè)生產(chǎn)和銷售總規(guī)模位居世界前列，有2-3家內(nèi)資控股企業(yè)進(jìn)入世界換熱器銷售額前10名；行業(yè)生產(chǎn)集中度達(dá)到80以上。這些都將為換熱器行業(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(diǎn)：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)

6、保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)；要求產(chǎn)品性價比提高；對產(chǎn)品的個性化、多樣化的需求趨勢強(qiáng)烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用。2 管殼試換熱器設(shè)計 某廠用地下水冷凝水蒸氣，允許壓強(qiáng)降不大于1.0MPa，每年按330天計，每天24h連續(xù)進(jìn)行。熱水入口溫度85、出口溫度60，循環(huán)水入口溫度25、出口溫度50，處理能力為2.0×105 t/a 設(shè)備工藝設(shè)計計算如下兩流體均為無相變，本設(shè)計按非標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的一般設(shè)計步驟進(jìn)行設(shè)計。2.1 確定設(shè)計方案 2.1.1 選定換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體入口溫度為85，出口溫度為60；冷卻水入口溫度為25，出口溫度為50。兩流體的定性溫度如下：熱流體的

7、定性溫度Tm=(85+60)/2=72.5循環(huán)水的定性溫度tm=(50+25)/2=37.5兩流體的溫差Tm-tm=72.5-37.5=35 （<50）由于兩流體溫差不大，且熱流體污垢較少故可選用固定管殼式換熱器。2.1.2 選定流體流動空間及流速因循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于污垢清洗故選用地下水走管程，水蒸氣走殼程。同時選用25mm×2.5mm的較高級冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速取=1.10m/s。2.2 確定物性數(shù)據(jù) 查化工原理附錄，兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)見下表。 物性 流體定性溫度/密度/(kg/m3)黏度mPas比熱容kJ/(kg)熱導(dǎo)率W/(m)水蒸氣72.5977.80

8、.40614.1870.667地下水37.5993.20.6884.1780.6432.3估算傳熱面積 2.3.1計算熱負(fù)荷按管間水蒸氣計算，即2.3.2計算冷卻水用量忽略熱損失，則水的用量為2.3.3計算并流平均溫差并流溫差 2.3.4初選總傳熱系數(shù)查傳熱手冊，參照總傳熱系數(shù)的大致范圍，同時考慮到合成器壓力較高，故可選用較大的傳熱系數(shù)，現(xiàn)假設(shè)1250。2.3.5估算總傳熱面積 考慮10.5%的面積裕度 =2.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.4.1管徑和管內(nèi)流速前已選定，管徑為25mm×2.5mm，管內(nèi)流速為=1.50m/s。2.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單管程計

9、算所需換熱管的長度L按單管程設(shè)計，傳熱管過長，根據(jù)本題實(shí)際情況，取傳熱管長=4.5m，則該換熱管的管程為傳熱管的總根數(shù)2.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 首先計算P和R參數(shù)： 單殼程四管程屬于1-2折流，現(xiàn)用1-2折流的公式計算溫差校正系數(shù)和傳熱平均溫度差。由圖得=0.92.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列取管心距,則t=1.25×2532mm隔板中心到其最近一排管中心的距離s：按凈空不小于6mm的原則確定，亦可按以下公式求?。篠=t/2+6mmS=32/2+6=22mm分程隔板兩側(cè)相鄰管排之間的管心距管中心距t與分成隔板槽兩側(cè)相鄰

10、管排中心距的計算結(jié)果，與表給出的數(shù)據(jù)完全一致，證明可用。2.4.5殼體內(nèi)徑采用兩管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.6，則殼體內(nèi)徑 圓整取D=400mm2.4.6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取折流板間距為B=0.3D，則。則折流板數(shù)折流板圓缺水平面安裝。2.4.7其他附件拉桿直徑為mm，其數(shù)量不少于10跟。殼程入口應(yīng)設(shè)置防沖擋板。2.4.8接管2.4.8.1殼程流體進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)液體流速為5m/s，則接管內(nèi)徑d=取標(biāo)準(zhǔn)管徑為2.4.8.2管程流體進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為1.5，則接管內(nèi)徑d=（取標(biāo)準(zhǔn)管徑為75mm1.2mm）其余接管略

11、。2.5換熱器核算2.5.1傳熱能力核算2.5.1.1殼程對流給熱系數(shù) 對于圓缺型折流板，可采用克恩公式當(dāng)量直徑由正三角形排列的得殼程流通截面積殼程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特數(shù)分別為=2.552.5.1.2管程給熱系數(shù) 管程流通截面積管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特數(shù)分別為故采用下式計算2.5.1.3污垢熱阻與管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取管壁的熱導(dǎo)率：碳鋼的熱導(dǎo)率2.5.1.4總傳熱系數(shù)K=1315W2.5.1.5傳熱面積理論傳熱面積 該換熱器的實(shí)際換熱面積 面積裕度為 換熱器面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計要求。2.5.2核算壁溫因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故

12、管壁壁溫按下式計算：取兩側(cè)污垢熱阻為零計算壁溫，得傳熱管平均壁溫：殼體平均壁溫，近似取殼程流體的平均溫度，即72.5殼體平均壁溫與傳熱管平均壁溫之差：72.5-58.43=14.072.5.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力2.5.3.1管程流動阻力（Ft結(jié)垢校正系數(shù)，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù)）取換熱管壁粗糙度為0.01mm，則，而，查圖得流速，密度。所以：對的管子有Ft=1.4，Np=4，Ns=12.5.3.2殼程流動阻力流體流經(jīng)管束的阻力 式中F管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形錯列F=0.4。折流板間距B=0.12m，折流板數(shù)NB=37，流體流經(jīng)折流

13、板缺口的阻力經(jīng)參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)知該換熱器的壓降在合理的范圍之內(nèi)，故所設(shè)計的換熱器合適。2.6換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程流率/(kg/h)25253.45252.5溫度(進(jìn)/出)/壓力/MPa0.10.15物性參數(shù)定性溫度/37.572.5密度/(kg/m³)993.2977.8比熱容/kJ/(kg)4.1784.187黏度/mPas0.6880.4061熱導(dǎo)率W/(m)0.6430.667普朗系數(shù)4.472.55設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式固定管殼式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm400殼程數(shù)1管子規(guī)格管心距/mm32管長/mm6000管子排列正三角形管子數(shù)目/根60折流板數(shù)/塊37傳熱面積/20.72折流板距/mm120管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要設(shè)計結(jié)果管程殼數(shù)流速/(m/s)1.070.68傳熱膜系數(shù)W/(m)5365.85066.5污垢熱阻/(m/ W)0.0000860.00017阻力損失/MPa0.03750.0236熱負(fù)荷/kW732.7傳熱溫差/32.96傳熱系數(shù)/W/(m)1315裕度/%22.6% 參考文獻(xiàn)1 張宏選,袁振偉.固定管板式換熱器強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計.化工裝備技術(shù).2001,22(2):43-