浮頭式列管換熱器

1、 目 錄一、設(shè)計(jì)方案簡介3 1.1換熱器的概述3 1.1.1換熱器的分類3 1.2列管式換熱器的概述3 1.2.1列管式換熱器的分類3 1.2.1.1固定管板式換熱器3 1.2.1.2浮頭式換熱器4 1.2.1.3填料函式換熱器5 1.2.1.4 U型管式換熱器5 1.3換熱器類型的選擇5 1.3.1流徑的選擇5 1.3.2流速的選擇6 1.3.3材質(zhì)的選擇 7 1.3.4管程結(jié)構(gòu) 7二、 工藝流程簡圖 73、 工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì) 83.1試算并初選換熱器規(guī)格 8 3.1.1確定流體通入空間8 3.1.2確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的形式8 3.1.3計(jì)算熱負(fù)荷Q 9 3

2、.1.4計(jì)算平均溫差，并確定殼程數(shù) 9 3.1.5初選換熱器規(guī)格9 3.2核算總傳熱系數(shù)K0 10 3.2.1計(jì)算管程對流換熱系數(shù) 10 3.2.2計(jì)算殼程對流換熱系數(shù) 11 3.2.3確定污垢熱阻 11 3.2.4總傳熱系數(shù) 12 3.3 計(jì)算壓強(qiáng)降12 3.3.1 計(jì)算管程壓強(qiáng)降 12 3.3.2 計(jì)算殼程壓強(qiáng)降 13 3.4校核壁溫 14四、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 14五、設(shè)計(jì)感悟 15 六、參考文獻(xiàn) 16七、符號說明16附圖：工藝流程圖以及設(shè)備主體圖 1.設(shè)計(jì)方案簡介1.1換熱器的概述 換熱器（英語翻譯：heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱

3、熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。 1.1.1換熱器的分類 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：間壁式換熱器、直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器。 間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點(diǎn)介紹。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器

4、結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。 蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。1.2列管式換熱器的概述 列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)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

5、。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)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(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。 1.2.1列管式換熱器的分類1.2.1.1固定管板式換熱器 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。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(jìn)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(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。 為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在

6、管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)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(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。1.2.1.2浮頭式換熱器 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高

7、。1.2.1.3填料函式換熱器 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。1.2.1.4 U型管式換熱器 U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。1.3換熱器類型的選擇 所設(shè)計(jì)換熱器用于冷卻煤油，冷卻水用井水，易結(jié)垢，易腐蝕管道，所以選用浮頭式換熱器，浮頭便于拆卸、清洗，且煤油走殼程

8、也方便散熱，與冷卻介質(zhì)溫差較大，也避免產(chǎn)生溫差應(yīng)力產(chǎn)生管道變形。 1.3.1流徑的選擇 在具體設(shè)計(jì)時考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。參考標(biāo)準(zhǔn)：1、不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。2、腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。3、壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力高，宜走管程。4、飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較

9、潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。5、被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果。6、需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。7、粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。8、若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因?yàn)楸跍亟咏鼈鳠崮は禂?shù)較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。 綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楦獨(dú)堃簽槊河褪且兹家妆橘|(zhì)，適宜走管內(nèi)，這徉，只需管子采用耐高壓或耐腐蝕的材料；將冷卻水通入殼程空間

10、 。1.3.2流速的選擇 表2.3.2 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速，m/s1.02.00.81.50.53>1.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.5>0.50.41.00.30.8215 由于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。 按實(shí)際需要煤油流速在0.51.5 m/s，井水在>0.5 m/s為宜。

11、1.3.3材質(zhì)的選擇 列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強(qiáng)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。根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。1.3.4管程結(jié)構(gòu) 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列     （b）正方形錯列    (c) 三角形直列  （d）三角形錯列 

12、（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(jī)械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板。2.工藝流程簡圖 列管式換熱器（浮頭式換熱器）工藝流程簡圖3.工藝計(jì)算和主體設(shè)備設(shè)計(jì)3.1計(jì)算并初選換熱器規(guī)格 3.1.1、確定流體通入的空間 因?yàn)楦獨(dú)堃簽槊河褪且兹家妆橘|(zhì)，適宜走管內(nèi)，這徉，只需管子采用耐高壓或耐腐蝕的材料；將冷卻水通入殼程空間。3.1.2、確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇換熱器的形式 釜?dú)堃好河偷娜肟跍囟萒1=102 oC，出口溫度T2=40 oC；冷卻水井水的入口溫度t1=20 oC，出口溫度t2=40 oC

13、煤油的定性溫度 冷卻水的定性溫度兩流體的溫度差表1. 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下物性流體溫度/oC密度/Kg.m-3粘度/mPa.S比熱容Cp/KJ.Kg-1.oC-1導(dǎo)熱系數(shù)/W.m-1.oC-1煤油719860.544.190.662井水30995.70.80074.1740.618表13.1.3、計(jì)算熱負(fù)荷Q 按釜內(nèi)殘液煤油計(jì)算 w忽略換熱器的熱損失，那么水的流量可以用熱量恒算來求得：3.1.4、計(jì)算平均溫差，并確定殼程數(shù) 逆流溫差：，由R與P的值查圖，如下圖圖.2 PR值圖得到=0.85，故換熱器為單殼程的列管式換熱器，且有： 。3.1.5、初選換熱器規(guī)格 管內(nèi)為有機(jī)液體煤油，管

14、外為水，K值范圍在280800W/(m2.oC)初選K0=600W/(m2.oC)，且產(chǎn)量不算太大，故初選換熱器的規(guī)格如下：表. 2 初選換熱器規(guī)格殼徑D600mm計(jì)算換熱面積S130m2管程數(shù)Np4管數(shù)n368管長L6m管子直徑（不銹鋼管）管子排列方法正三角形換熱管的實(shí)際傳熱面積：該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)為：3.2、核算總傳熱系數(shù) 3.2.1、計(jì)算管程對流換熱系數(shù)因?yàn)椋?，在常用的0.20.75m/s內(nèi)；在0.6160之間；且，故有： 3.2.2、計(jì)算殼程對流換熱系數(shù)殼程其中：-殼程流體的熱導(dǎo)率，W.m-1.oC-1 -當(dāng)量直徑，m -管外流動雷諾數(shù)；-流體在定性溫度下的粘度Pa.s；-流

15、體在壁溫下的粘度，Pa.s對于19mm的管子，t=25mm；按三角形排列，故那么故在2x(103106)之間；在0.6160之間；其中液體被加熱時，取=1.05， 3.2.3、確定污垢熱阻 ， 3 .2.4、總傳熱系數(shù)由于管內(nèi)流動的是煤油，易燃且具有腐蝕性，故采用不銹鋼管，因此而換熱器要求的總傳熱系數(shù)為 故安全系數(shù)3.3計(jì)算壓強(qiáng)降。3.3.1計(jì)算管程壓降式中：-分別為直管及彎管中因摩擦阻力而引起的壓強(qiáng)降，Pa； -結(jié)垢校正系數(shù)，無因次。對于的管子為1.5；-管程數(shù)，為4；-串聯(lián)的殼程數(shù)，為1。因?yàn)轱@然管程是湍流，故計(jì)算值是應(yīng)用哈蘭德提出的關(guān)聯(lián)式：對于不銹鋼鋼管，粗糙度可取：=0.1mm；計(jì)算得

16、：； 3.3.2、計(jì)算殼程壓降式中：-流過管束的壓降，Pa； -流過擋板缺口的壓降，Pa； -殼程壓降的結(jié)垢校正系數(shù)，無因次。本設(shè)計(jì)中對液體可取1.15； ， 式中： F-管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，無因次。對三角形排列，F(xiàn)為0.5； -殼程流體的摩擦因數(shù)，當(dāng)Re0>500時， ； -橫過管束中心線的管束，n為管束數(shù)； h-折流板間距，m； D-折流器殼體內(nèi)徑，m； -折流板數(shù)，L為列管長度；=0.3m>500 計(jì)算可知，管程與殼程的壓降均小于50kPa，滿足要求，故所選換熱器合適。3.3、校核壁溫 依據(jù)前面所計(jì)算的結(jié)果，管壁的熱阻相對其他熱阻來說很小，可以忽略不計(jì)，故可用公式

17、：其中： 故 殼程溫度可取，管程溫度可以取，由此可見，與管程的溫差都不是太大，可以接受；顯然由于水走的是殼程，故殼程內(nèi)側(cè)溫度在20到40oC之間，所求更接近于水的溫度，比較理想，所以所選換熱器尺寸合適。5.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 表3. 換器主要結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)果參數(shù)管程殼程進(jìn)，出口溫度，oC102/4020/40應(yīng)力降，Pa 12.6kPa20.7kPa流量，kg/h2778099000物性物性溫度，oC7130密度，kJ/m3986995.7定壓比熱容，kJ/(kg.oC)4.194.174粘度，Pa.s0.000540.0008007熱導(dǎo)率，W/m.oC0.6620.618結(jié)構(gòu)參數(shù)形式

18、浮頭式換熱器殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑，mm600臺數(shù)1管徑，mm管心距，mm25管長，mm6000管子排列正三角形管數(shù)，根368折流板數(shù)19傳熱面積，m2131折流板間距,mm300管程數(shù)4材質(zhì)傳熱管不銹鋼,殼體碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速，m/s0.4840.637污垢熱阻，m2.oC/W0.0001720.00058熱流量，kW2296傳熱溫度差，oC31.5傳熱系數(shù)，W/(m2.K)628裕度/%12.9%6課程設(shè)計(jì)心得為期兩周的材料工程原理課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，這兩周我們設(shè)計(jì)了列管式換熱器，次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識，更培養(yǎng)了自己的能力，讓我懂得了我如何去把握一件事情，如何去規(guī)劃完成一件

19、事情。從一堆原始數(shù)據(jù)到最后完成的這份設(shè)計(jì)說明書，自主完成，自己去摸索如何設(shè)計(jì)，在兩周的設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)會了如何合理規(guī)劃時間，如何與同學(xué)之間互相交流探討，受益良多。課程設(shè)計(jì)需要自己作出決策，自己確定實(shí)驗(yàn)方案、選擇流程、查取資料、進(jìn)行過程和設(shè)備的計(jì)算，并要對自己的選擇作出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。我這次認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，雖然設(shè)計(jì)出來的列管式換熱器與現(xiàn)實(shí)中能夠使用的列管式換熱器還有較大差距，但是這一次的嘗試是為未來在社會中的發(fā)展打下的基礎(chǔ)。在這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我

20、在多方面的能力有所提高。課程設(shè)計(jì)伊始的查找資料是課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，當(dāng)自己拿到原始數(shù)據(jù)的時候，仍是一頭霧水，通過查看大量資料，學(xué)會從中刪選對自己有用的資料。這兩周的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)會了查閱資料、使用有關(guān)手冊、圖表和收集合適的數(shù)據(jù)及正確選用計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，提高了繪圖能力，提高了獨(dú)立分析和解決問題的能力提高了計(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。在這次設(shè)計(jì)過程中，體現(xiàn)出自己單獨(dú)設(shè)計(jì)列管式換熱器以及綜合運(yùn)用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。在此，感謝錢海燕老師的指導(dǎo)，使我