8萬噸的列管式換熱器設(shè)計

1、學(xué)院:化工與藥學(xué)院班級:過程裝備與控制工程學(xué)生姓名：學(xué)號：設(shè)計地點(diǎn)（單位）教學(xué)樓設(shè)計題目:8萬噸的列管式換熱器設(shè)計-完成日期：2015年12月31日指導(dǎo)教師評語成績（五級記分制）:教師簽名:荊楚理工學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：8萬噸的列管式換熱器課程名稱地點(diǎn)教學(xué)樓專業(yè)班級起止時間2015.12.27-2015.12.31設(shè)滬內(nèi)容及要求1.根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確認(rèn)設(shè)計萬案。2.初步確認(rèn)換熱器的結(jié) 3.核算換熱器的傳熱面積和管、殼程流體阻力。4、確認(rèn)換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。的條件工藝圖。要求：熟練資料查閱、知識綜合應(yīng)用、理論計算、設(shè)備選型、繪制圖形、編 養(yǎng)工程觀念：理論f小試f放大。設(shè)計參數(shù)1、設(shè)計基

2、本參數(shù)處理能力：8萬噸/年設(shè)備型式：列管式換熱器操作條件：冷卻介質(zhì)：循環(huán)水入口溫度：23C ，出口溫度：37 C熱介質(zhì)：煤油入口溫度：120 C，出口溫度：40C2、允許壓強(qiáng)降，不大于105Pa3、每年按330天記，每天24小時連續(xù)運(yùn)行。4、廠子地址：湖北地區(qū)進(jìn) 度 要 求1、設(shè)計動員，下達(dá)設(shè)計任務(wù)，講解設(shè)計方案的確疋，設(shè)計過程的步驟及注意 集相關(guān)資料。12月27日2、確定方案并進(jìn)行設(shè)計計算。12月2日-12月28日3、繪圖12月29日4、 整理設(shè)計數(shù)據(jù)，編寫設(shè)計說明書。12月30日-31日目錄一.設(shè)計概述31.1熱量傳遞的概念與意義 31.2換熱器的概念及意義 41.3換熱器設(shè)計草圖 5二.

3、確定設(shè)計參數(shù)5三確定物性數(shù)據(jù)5四計算總傳熱系數(shù)6五計算傳熱面積7六工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算 7（1）管徑和管內(nèi)流速7（2）管程和傳熱管數(shù)7（3 ）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 7傳熱管排列和分組方法 8管殼內(nèi)徑8（6）折流板8接管8七. 換熱器核算 8（1 ）熱量核算8換熱器內(nèi)流體的流動阻力 10八. 設(shè)計結(jié)果一覽表11九. 課程設(shè)計總結(jié) 12一.設(shè)計概述1.1熱量傳遞的概念與意義1.1.1熱量傳遞的概念熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力 學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時，熱就必然從 高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極 普遍的一種傳遞現(xiàn)象。1.1.2化學(xué)

4、工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程 和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要 在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng) 器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中， 都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生 產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱 的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具 有極其重要的作用。總之，無論是在能源，宇航，化工，動力， 冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都 涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不

5、研究 引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確 定系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)變成另一個平衡狀態(tài)所需的總能量；而 傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的 擴(kuò)展。1.1.3.傳熱的基本方式 根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式： （ 1）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移， 僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量 傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 （ 2）熱對流（簡稱對流） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引 起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原 因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流 體

6、質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致 的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動的強(qiáng)制對流。此外，流體流過固體表面時發(fā)生 的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體 表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。（ 3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱 輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的 轉(zhuǎn)移。1.2 換熱器的概念及意義 在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳 熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流 程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、 蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進(jìn)行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通 過這種設(shè)備，以便使熱量從

7、溫度較高的流體傳遞到溫度較低的 流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動力，原子能和 其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對于迅速發(fā) 展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。換熱器在化 工生產(chǎn)中，有時作為一個單獨(dú)的化工設(shè)備，有時作為某一工藝 設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在生產(chǎn)中都占有主 導(dǎo)地位。1.3換熱器設(shè)計草圖二確定設(shè)計參數(shù)1 .選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度120C，出口溫度40C,冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度 23C,出口溫度37C，冬季操作時 進(jìn)口溫度會降低，考慮這一因素，估計該換熱器的管

8、壁溫和殼 體壁溫之差較大，因此，初步選用帶膨脹節(jié)的固定管版式換熱器。2.流動空間及流速的確定由于循環(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。選用的碳鋼管，管內(nèi)流速取=0.5m/s。三確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平局值。殼程油的定性溫度管道流體的定性溫度根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性參數(shù)數(shù)據(jù)。煤油在80 C時的物性數(shù)據(jù)如下：密度定壓比熱容 =2.32kj/ (kg -C)導(dǎo)熱系數(shù) =0.106w/(m C )-黏度 =0.00062pas-循環(huán)冷卻水在 35C 下的物性數(shù)據(jù)如下：密度定壓比熱容 =4018kj/ (kg C ) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6

9、11w/ (m-C ) 黏度 =0.000854pas-四.計算總傳熱系數(shù)1. 熱流量2. 平均傳熱溫差3. 冷卻水用量4. 總傳熱系數(shù) K 管程傳熱系數(shù)：殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)污垢熱阻管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=223W/(m C)五.計算傳熱面積考慮15%的面積裕度，六工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算(1) 管徑和管內(nèi)流速選用25 X 2.5m傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速(2) 管程和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。按單程管計算，所需的傳熱管長度 按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長L=4m，則該傳熱管程數(shù)為傳熱管總根數(shù)N=57X 4=228 (根)(3 )平均傳熱溫差校正及

10、殼程數(shù)平均傳熱溫差系數(shù)：按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，溫度校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表 可得到平均傳熱溫差(4) 傳熱管排列和分組方法 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。取管心距則：a=1.25 X 25=31.25 32mm橫過管束中心線的管束(5) 管殼內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.7，則管殼內(nèi)徑為：圓整可取 D=610mm(6) 折流板 采用弓形折劉板，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 h=0.25X610=152.5 ( m m )，故可取 h=150mm。取折流板間距 B=0.3D則B=0.3 X 610=183(mm可取B

11、 為200折流板數(shù)N傳熱管長/折流板間距-1=6000/200-1=29(塊) 折流板圓缺面水平裝配。(7) 接管 殼程流體進(jìn)、出口接管：取管內(nèi)油品流速為u=1.0m/s,則接內(nèi)徑為：管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s,則接管內(nèi)徑為：七換熱器核算( 1 )熱量核算1 殼程對流傳熱系數(shù)。對圓缺形折流板，可采用凱恩 公式：當(dāng)量直徑，由正三角形排列得：殼程流通截面積：殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：普蘭特準(zhǔn)數(shù)：黏度校正2 管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積 管程流體流速：普蘭特準(zhǔn)數(shù)3 傳熱系數(shù) K =336w/ (tf C)4 傳熱面積 S該換熱器的實(shí)際傳熱面積 Sp：該換熱器的面積裕

12、度為：H= (Sp-S /S X 100%=48.6-38.6) /38.6 X 100%=25.9% 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成任務(wù)。(2)換熱器內(nèi)流體的流動阻力1 管程流動阻力。Ns=1，Np =2，F(xiàn)t =1.5由Re=11592傳熱管相對粗糙度 0.01/20=0.005,查 莫迪圖得 =0.029流速=0.489m/s, =996m/s,所以：=4179( Pa) 10( Pa)2 殼程阻力。流體流經(jīng)管束的阻力：F=0.5流體流經(jīng)折流板缺口的阻力：B=0.2(m)，D=0.61(m)=1919(Pa)總阻力=7637（Pa） 10（ kPa） 殼程流動阻力也比較適宜。八. 設(shè)

13、計結(jié)果一覽表項(xiàng)目殼程（煤油）管程（循環(huán)水）流量，kg /h1010131954溫度，C（進(jìn)/出）120/4023/37物性定性溫度，C8030密度，kg /m3775996比熱，kJ/kgC2.324.18粘度，Pa-s0.62 X10 30.854 X導(dǎo)熱系數(shù)，w/mC0.1060.611結(jié)構(gòu)參數(shù)殼體內(nèi)徑，mm610臺數(shù)1管徑，mm 25X 2.5殼程數(shù)4管長，m4管心距，mm32管數(shù)228管子排列正三角形排列傳熱面積，38.6折流板數(shù)29管程數(shù)4折流板間距，m0.2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果殼程管程流速，m/s0.2450.489污垢熱阻,（川C ）/W0.0001720.000344傳熱系數(shù)，

14、W/3C）5502538九課程設(shè)計總結(jié)通過本次課程設(shè)計，我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了 一定的了解，同時，在設(shè)計過程中，我也掌握了一定的工 藝計算方法。換熱器是化工廠中重要的化工設(shè)備之一，而且種類繁 多，特點(diǎn)不一，因此，選擇合適的換熱器是相當(dāng)重要的。 在本次設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)進(jìn)行換熱器的選擇和設(shè)計是要通過 反復(fù)計算，對各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行比較后，從中確定出比較合適 的或最優(yōu)的設(shè)計，為此，設(shè)計時應(yīng)考慮很多方面的因素。首先要滿足傳熱的要求，本次設(shè)計時，由于初選總傳 熱系數(shù)不合適，使規(guī)定條件下的計算結(jié)果與初設(shè)值的比值 不在要求范圍內(nèi)，因此，經(jīng)過多次計算，才選擇到合適的 K 值.其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類 型，通過分析操作要求及計算，本次設(shè)計選用換熱器為上 述計算結(jié)果。再次，從壓強(qiáng)降來看，可適當(dāng)加大流速，從而加大對 流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降 低污垢熱阻，然而，流速增加，流動阻力也會隨之增大， 動力消耗就增多，因此，作出經(jīng)濟(jì)衡算在確定流速時是相 當(dāng)重要的。此外，其他因素（如加熱和冷卻介質(zhì)用量，換熱器的 檢修和操作等） ，在設(shè)計時也是不可忽略的。在檢修和操作方面，固定管板式換熱器由于兩端管板 和殼體連接成一體，因此不便于清洗和檢修。本次設(shè)計中，在滿足傳熱要求的前提下，考慮了其他 各項(xiàng)問