化工原理課程設(shè)計(jì)1.5萬噸苯冷卻器

1、化工原理課程設(shè)計(jì) 課程名稱: 化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目: 年產(chǎn)1.5萬噸苯冷卻器的工藝設(shè)計(jì) 院 系: 化學(xué)與生物工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí): 姓 名： 學(xué) 號(hào)：目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書3(一)設(shè)計(jì)題目3(二)設(shè)計(jì)條件3(三)設(shè)計(jì)步驟及要求3(四)設(shè)計(jì)成果4(五)時(shí)間安排4(六)設(shè)計(jì)考核4(七)參考資料4二、文件綜述6三、年產(chǎn)1.5萬噸苯冷卻器的工藝設(shè)計(jì)16(一)確定設(shè)計(jì)方案：16(二)確定流體的流動(dòng)空間：16(三)計(jì)算定性溫度，確定流體的物性參數(shù)：16(四)初步估算傳熱面積171.苯的流量及熱負(fù)荷：172.冷卻水的用量：173.平均傳熱溫差：174.初算傳熱面積：18(五)工藝結(jié)構(gòu)和尺寸181.管徑和管內(nèi)

2、流速：182.管程數(shù)和傳熱管數(shù)：183.傳熱管排列和分程方法：194.殼體直徑：195.折流板：196.接管：19(六)核算201.傳熱面積核算：201)管程傳熱膜系數(shù)：202)殼程傳熱膜系數(shù)：203)污垢熱阻和管壁熱阻：214)總傳熱系數(shù)核算：215)傳熱面積核算：212.換熱器流體阻力損失：221)管程阻力：222)殼程阻力：233.管長與管徑比：23(七)附屬結(jié)構(gòu)的選型23(八)換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果一覽表24(九)符號(hào)說明24(十)參考文獻(xiàn)262蘭州交通大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）一、 設(shè)計(jì)任務(wù)書(一) 設(shè)計(jì)題目年產(chǎn)1.5萬噸苯冷卻器的工藝設(shè)計(jì)(二) 設(shè)計(jì)條件1 生產(chǎn)能力1.5104

3、噸每年粗苯2 設(shè)備形式：列管換熱器3 操作壓力：常壓4 苯的進(jìn)出口溫度：進(jìn)口80，出口355 換熱器熱損失為熱流體熱負(fù)荷的3.56 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)7 建廠地址：蘭州地區(qū)8 要求管程和殼程的阻力都不大于104Pa9 非標(biāo)準(zhǔn)系列列管式換熱器的設(shè)計(jì)(三) 設(shè)計(jì)步驟及要求1. 確定設(shè)計(jì)方案1) 選擇列管換熱器的類型2) 選擇冷卻劑的類型和進(jìn)出口溫度3) 查閱介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)4) 選擇冷熱流體流動(dòng)的空間及流速5) 選擇列管換熱器換熱管的規(guī)格6) 換熱管排列方式7) 換熱管和管板的連接方式8) 選擇列管換熱器折流擋板的形式9) 材質(zhì)的選擇2. 初步估算換熱器的傳熱面積S3. 結(jié)構(gòu)尺寸

4、的計(jì)算1) 確定管程數(shù)和換熱管根數(shù)及管長2) 平均溫差的校核3) 確定殼程數(shù)4) 確定折流擋板、隔板規(guī)格和數(shù)量5) 確定殼體和各管口的內(nèi)徑并圓整4. 校核1) 核算換熱器的傳熱面積，要求設(shè)計(jì)裕度不小于10，不大于202) 核算管程和殼程的流體阻力損失3) 管長和管徑之比為610如果不符合上述要求重新進(jìn)行以上計(jì)算5. 附屬結(jié)構(gòu)如封頭、管箱、分程隔板、緩沖板、拉桿和定距管、人孔或手孔、法蘭、補(bǔ)強(qiáng)圈等的選型6. 將計(jì)算結(jié)果列表（見下表）(四) 設(shè)計(jì)成果1. 設(shè)計(jì)說明書（A4紙）1) 內(nèi)容包括封面、任務(wù)書、目錄、正文、參考文獻(xiàn)、附錄2) 格式必須嚴(yán)格按照蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的格式打印2. 換熱器工藝條

5、件圖（2號(hào)圖紙）（手繪）(五) 時(shí)間安排1) 第十九周第二十二周2) 第二十二周的星期五（7月25日）下午兩點(diǎn)本人親自到指定地點(diǎn)交設(shè)計(jì)成果，最遲不得晚于星期五的十八點(diǎn)鐘(六) 設(shè)計(jì)考核1) 設(shè)計(jì)是否獨(dú)立完成2) 設(shè)計(jì)說明書的編寫是否規(guī)范3) 工藝計(jì)算與圖紙正確與否以及是否符合規(guī)范4) 答辯(七) 參考資料1. 化工原理課程設(shè)計(jì) 賈紹義 柴誠敬 天津科學(xué)技術(shù)出版社2. 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社3. 化工原理 夏清 天津科學(xué)技術(shù)出版社換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程操作條件物料名稱流量（/h）操作溫度（）操作壓力（MPa）物性參數(shù)定性溫度（）密度（/m3）定壓比熱（kJ/）

6、粘度（mPas）導(dǎo)熱系數(shù)（w/m）主要工藝性能參數(shù)流速（m/s）對(duì)流傳熱系數(shù)（w/m2）污垢熱阻（m2/ w）阻力損失（MPa）熱負(fù)荷（w）傳熱總系數(shù)（w/m2）傳熱平均溫差（）傳熱面積（）設(shè)計(jì)裕度（%）設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器的型式材質(zhì)程數(shù)換熱管規(guī)格（mm）直徑（mm）長度（m）折流擋板型式數(shù)目（個(gè)）數(shù)目排列方式間距（mm）管心距（mm）6蘭州交通大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）二、 文件綜述1. 換熱器簡介：換熱器就是用于存在溫度差的流體間的熱交換設(shè)備，換熱器中至少有兩種流體，溫度較高則放出熱量，反之則吸收熱量。換熱器依據(jù)傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法一般分為間壁式、混合式、蓄熱式三類。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣

7、。它又可分為管式換熱器、板式換熱器、翅片式換熱器、熱管換熱器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管殼式等）換熱器應(yīng)用最普遍。列管式和板式，各有優(yōu)點(diǎn)，列管式是一種傳統(tǒng)的換熱器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源等設(shè)備;板式則以其高效、緊湊的特點(diǎn)大量應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中。列管式換熱器（如圖1）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。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(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)，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。列管式換

8、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(shí)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。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，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0.6M

9、pa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。 圖1.列管式換熱器浮頭式換熱器（如圖2）的一端管板與殼體固定，而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)，殼體和管束對(duì)膨脹是自由的，故當(dāng)兩張介質(zhì)的溫差較大時(shí)，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。浮頭端設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計(jì)成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且浮動(dòng)端小蓋在操作時(shí)無法知道泄露情況。因此在安裝時(shí)要特別注意其密封。 浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計(jì)成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動(dòng)外，還必須考慮到浮頭部分的檢修、安裝和清洗的方便。 在設(shè)計(jì)時(shí)必須

10、考慮浮頭管板的外徑Do。該外徑應(yīng)小于殼體內(nèi)徑Di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙b1=35mm。這樣，當(dāng)浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進(jìn)行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進(jìn)行裝配，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮保證浮頭蓋在裝配時(shí)的必要空間。鉤圈對(duì)保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著幞頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。鉤圈一般都為對(duì)開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性，在長期使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。盡管受到不斷涌現(xiàn)的新型換熱器的挑戰(zhàn)

11、，但反過來也不斷促進(jìn)了自身的發(fā)展。故迄今為止在各種換熱器中扔占主導(dǎo)地位。 圖2.浮頭式換熱器U形管式換熱器（如圖3）每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。結(jié)構(gòu)簡單，只有一個(gè)管板，密封面少，運(yùn)行可靠，造價(jià)低；管束可抽出，管間（殼程）清洗方便。質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料，由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板利用率低；管束最內(nèi)層間距大，殼程易短路；內(nèi)層管子不能更換，因而抱人率高。U形管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐

12、蝕性強(qiáng)的場(chǎng)合。一般高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)走管內(nèi)，可是高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失。U型管式換熱器，單臺(tái)換熱器共有兩塊管板，如下圖3所示。這種換熱器有一半管束管內(nèi)外介質(zhì)的流動(dòng)方向?yàn)椴⒘鳎硪话牍苁軆?nèi)外介質(zhì)的流動(dòng)方向?yàn)槟媪鳌型管式換熱器的雙管板之間一般采用聚液殼彼此連接。聚液殼可以用來調(diào)整管板間距且保證兩管板相互平行。同時(shí)，聚液殼用來封閉相鄰兩管板之間泄漏出的氣(液)體，防止有毒氣(液)體的外溢。聚液殼最高和最低處需分別設(shè)置放空口和放凈口，用于及時(shí)導(dǎo)出滲漏氣(液)體。如果殼程與管程之間溫差很大，為了降低殼程與管程管板與換熱管連接處的應(yīng)力，應(yīng)盡量降低短節(jié)的壁厚，必要時(shí)可

13、增加一個(gè)膨脹節(jié)。U形管換熱器與其他類型換熱器的最大區(qū)別是管束結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)換熱管布局時(shí)應(yīng)考慮換熱管的最小彎曲半徑尺i與分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距s的關(guān)系。管徑越大，最小彎曲半徑就越大，大部分換熱管的最小彎曲半徑大于分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距；且U形管彎曲段的彎曲半徑R應(yīng)不小于兩倍的換熱管外徑，常用換熱管的最小彎曲半徑R可查手冊(cè)選取。因此，為了保證適合分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距，最內(nèi)層換熱管在排列時(shí)需要進(jìn)行斜向交叉排列。如果最內(nèi)層U形管之間的間距過大時(shí)，可設(shè)置假管或者擋板。 圖3.U型管式換熱器2. 換熱器的種類： 換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類，即間壁式、

14、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。如表1-1所示。 類 型 特 點(diǎn) 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(bǔ)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(chǎng)合U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗和檢修困難填料函式外填料函管間容易泄露，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(chǎng)合釜 式殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮雙 套 管 式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器螺

15、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、冷凝板 面 式板 式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘度較大的液體間換熱螺 旋 板 式可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫?zé)崮芷?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的蓄 熱 式換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫護(hù)氣中回收熱能的場(chǎng)合 表1-1 換熱器的結(jié)構(gòu)分類2.1. 間壁式換熱器的類型： 1）夾套式換熱器： 這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成，結(jié)構(gòu)簡單；但其加熱面受容器壁面限制，傳熱系數(shù)

16、也不高。為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻，可在釜內(nèi)安裝攪拌器。當(dāng)夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時(shí)，亦可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其它增加湍動(dòng)的措施，以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù)。為補(bǔ)充傳熱面的不足，也可在釜內(nèi)部安裝蛇管。夾套式換熱器廣泛用于反應(yīng)過程的加熱和冷卻。2）沉浸式蛇管換熱器： 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應(yīng)的形狀，并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造；其缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外給熱系數(shù)小。為提高傳熱系數(shù)，容器內(nèi)可安裝攪拌器。 3）噴淋式換熱器：這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水從上方噴淋裝置均勻

17、淋下，故也稱噴淋式冷卻器。噴淋式換熱器的管外是一層湍動(dòng)程度較高的液膜，管外給熱系數(shù)較沉浸式增大很多。另外，這種換熱器大多放置在空氣流通之處，冷卻水的蒸發(fā)亦帶走一部分熱量，可起到降低冷卻水溫度，增大傳熱推動(dòng)力的作用。因此，和沉浸式相比，噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。4）套管式換熱器：套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管，并由U形彎頭連接而成。在這種換熱器中，一種流體走管內(nèi)，另一種流體走環(huán)隙，兩者皆可得到較高的流速，故傳熱系數(shù)較大。另外，在套管換熱器中，兩種流體可為純逆流，對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力較大。套管換熱器結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，應(yīng)用亦方便(可根據(jù)需要增減管段數(shù)目)。特別是由于套管換熱器同時(shí)具

18、備傳熱系數(shù)大，傳熱推動(dòng)力大及能夠承受高壓強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在超高壓生產(chǎn)過程(例如操作壓力為3000大氣壓的高壓聚乙烯生產(chǎn)過程)中所用的換熱器幾乎全部是套管式。5）管殼式換熱器： 管殼式(又稱列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器。管殼式換熱器主要有殼體，管束，管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束，管束兩端固定于管板上，在管殼換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；一種在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板，折流檔板不僅可防止流體短路，增加流體速度，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍動(dòng)程

19、度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種，前者應(yīng)用更為廣泛。流體在管內(nèi)每通過管束一次稱為一個(gè)管程，每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體的速度，可在兩端封頭內(nèi)設(shè)置適當(dāng)隔板，將全部管子平均分隔成若干組。這樣，流體可每次只通過部分管子而往返管束多次，稱為多管程。同樣，為提高管外流速，可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間，稱多殼程。在管殼式換熱器內(nèi)，由于管內(nèi)外流體溫度不同，殼體和管束的溫度也不同。如兩者溫差很大，換熱器內(nèi)部將出現(xiàn)很大的熱應(yīng)力，可能使管子彎曲，斷裂或從管板上松脫。因此，當(dāng)管束和殼體溫度差超過50時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏夭钛a(bǔ)償措施，消除或減小熱應(yīng)力。2.2. 混合式換熱器：混合式

20、熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進(jìn)行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側(cè)的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場(chǎng)合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環(huán)水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應(yīng)用遍及化工和冶金企業(yè)、動(dòng)力工程、空氣調(diào)節(jié)工程以及其它許多生產(chǎn)部門中。按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型：1) 冷卻塔(或稱冷水塔)： 在這種設(shè)備中，用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)的方法，將生產(chǎn)中已經(jīng)提高了溫度的水進(jìn)行冷卻降溫之后循環(huán)使用，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。例如熱力發(fā)電廠或核電站的循環(huán)水、合成氨生產(chǎn)中的冷卻水等，

21、經(jīng)過水冷卻塔降溫之后再循環(huán)使用，這種方法在實(shí)際工程中得到了廣泛的使用。2) 氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)：在工業(yè)上用這種設(shè)備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多?？照{(diào)工程中廣泛使用的噴淋室，可以認(rèn)為是它的一種特殊形式。噴淋室不但可以像氣體洗滌塔一樣對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，而且還可對(duì)其進(jìn)行加熱處理。但是，它也有對(duì)水質(zhì)要求高、占地面積大、水泵耗能多等缺點(diǎn)：所以，目前在一般建筑中，噴淋室已不常使用或僅作為加濕設(shè)備使用。但是，在以調(diào)節(jié)濕度為主要目的的紡織廠、卷煙廠等仍大量使用。3) 噴射式熱交換器：在

22、這種設(shè)備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，并同進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管的出口達(dá)到同一壓力和溫度后送給用戶。4) 混合式冷凝器：這種設(shè)備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。2.3. 蓄熱式換熱器：蓄熱式換熱器用于進(jìn)行蓄熱式換熱的設(shè)備。內(nèi)裝固體填充物，用以貯蓄熱量。一般用耐火磚等砌成火格子（有時(shí)用金屬波形帶等）。換熱分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段，熱氣體通過火格子，將熱量傳給火格子而貯蓄起來。第二階段，冷氣體通過火格子，接受火格子所儲(chǔ)蓄的熱量而被加熱。這兩個(gè)階段交替進(jìn)行。通常用兩個(gè)蓄熱器交替使用，即當(dāng)熱氣體進(jìn)入一器時(shí)，冷氣體進(jìn)入另一器。常用

23、于冶金工業(yè)，如煉鋼平爐的蓄熱室。也用于化學(xué)工業(yè)，如煤氣爐中的空氣預(yù)熱器或燃燒室，人造石油廠中的蓄熱式裂化爐。蓄熱式換熱器一般用于對(duì)介質(zhì)混合要求比較低的場(chǎng)合。3. 列管式換熱器設(shè)計(jì)一般要求：列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：1) 根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案；2) 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸；3) 核算換熱器的傳熱面積和流動(dòng)阻力；4) 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。4. 管殼式換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題4.1. 流體通道的選擇原則：1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，以便于清洗管子；2) 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕，而且管內(nèi)也便于檢修和清洗；3) 高壓流體宜走管程，以免殼體受

24、壓，并且可節(jié)省殼體金屬的消耗量；4) 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時(shí)排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程；5) 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強(qiáng)冷卻效果；6) 有毒流體宜走管程，以減少流體泄漏；7) 粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數(shù)（Re100）下即可達(dá)到湍流，可提高對(duì)流傳熱系數(shù)。但是有時(shí)在動(dòng)力設(shè)備允許的條件下，將上述流體通入多管程中也可得到較高的對(duì)流傳熱系數(shù)。4.2. 流體兩端溫度的選擇：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(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)

25、計(jì)者來確定。例如用冷水冷卻一熱流體，冷水的進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件作出估計(jì)，而其出口溫度則可根據(jù)經(jīng)濟(jì)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，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?yàn)楣I(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(zhì)加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度。4.3. 管

26、子的規(guī)格和排列方法：小直徑管子能使單位體積的傳熱面積大，因而在同樣體積內(nèi)可布置更多的傳熱面?；蛘哒f，當(dāng)傳熱面積一定時(shí)，采用小管徑可使管子長度縮短，增強(qiáng)傳熱，易于清洗。但是減小管徑將使流動(dòng)阻力增加，容易積垢。對(duì)于不清潔、易結(jié)垢或粘度較大的流體，宜采用較大的管徑。因此，管徑的選擇要視所用材料和操作條件而定，總的趨向是采用小直徑管子。管長的選擇是以合理使用管材和清洗方便為原則。國產(chǎn)管材的長度一般為6m，因此管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中換熱管的長度分為1.5、2、3或6m幾種，常用3m或6m的規(guī)格。長管不易清洗，且易彎曲。此外，管長L與殼體D的比例應(yīng)適當(dāng)，一般L/D=46。管子的排列方式有等邊三角形、正方形

27、直列和正方形錯(cuò)列三種。等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，對(duì)流傳熱系數(shù)大；正方形直列比較松散，對(duì)流傳熱系數(shù)較三角形排列時(shí)低，但管外壁清洗方便，適用于殼程流體易結(jié)垢的場(chǎng)合；正方形錯(cuò)列則介于上述兩者之間，對(duì)流傳熱系數(shù)較直列高。管子在管板上的間距a跟管子與管板的連接方式有關(guān)：脹管法一般取a=（1.31.5）d0，且相鄰兩管外壁的間距不小于6mm；焊接法取a=1.25d0。換熱器殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于管板的直徑。通常是根據(jù)管徑、管數(shù)、管間距及管子的排列方式用作圖法確定。 圖4.管子排列方式4.4. 管程和殼程數(shù)的確定：管程數(shù)N按下式計(jì)算：N=u/v式中：u管程內(nèi)流體的適宜流速；v管程內(nèi)流體的實(shí)

28、際流速。5. 主要附件：1) 封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體，圓形用于大直徑的殼體。2) 緩沖擋板 為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。3) 導(dǎo)流筒 殼程流體的進(jìn)、出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間。4) 放氣孔、牌液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。5) 拉桿和定距管為了使折流板能夠牢靠的保持在一定的位置上，通常采用拉桿和定距管。6) 接管 換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算式中：流體的體積流量, u 流體在接管中的

29、流速，m/s 流速的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)液體可取為：u =1.52 m/s。17蘭州交通大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）三、 年產(chǎn)1.5萬噸苯冷卻器的工藝設(shè)計(jì)(一) 確定設(shè)計(jì)方案：本設(shè)計(jì)任務(wù)是利用列管式換熱器使冷流體（水）給苯降溫。選擇換熱器時(shí)，要遵循安全、高效、經(jīng)濟(jì)的原則。蘭州地區(qū)雖然臨近黃河，水資源豐富，但是黃河污染較為嚴(yán)重，而且泥沙含量大容易結(jié)垢，所以宜采用自來水，但易結(jié)垢。蘭州年歷史最高溫度在36左右，設(shè)冷卻水進(jìn)口溫度25，冷卻水兩端溫度差取10.出口溫度為35。熱流體進(jìn)口溫度80,出口溫度35。冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，最大溫差為55，且考慮到冷卻水易結(jié)垢。故本次設(shè)計(jì)確定

30、選用浮頭式換熱器。易析出結(jié)晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流體，最好通入比較容易進(jìn)行機(jī)械清洗的空間，而浮頭式換熱器的管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生較大熱效應(yīng)力。對(duì)于浮頭式換熱器，一般易在管內(nèi)空間進(jìn)行清洗。所以選擇浮頭式換熱器較合適。(二) 確定流體的流動(dòng)空間：考慮到苯為有毒液體，則苯走管程。冷卻水較硬易結(jié)垢，所以經(jīng)過處理形成去離子水后走殼程。由于管徑的大小影響管內(nèi)流速的的大小和管內(nèi)的壓強(qiáng)降，若選用252.5mm 的管子會(huì)導(dǎo)致成本增加，因此選用管規(guī)格為192mm。又苯只對(duì)一些塑料有一定腐蝕性，對(duì)一些無機(jī)材質(zhì)，如金屬，陶瓷等，基本沒有腐蝕性。故選擇碳鋼管。(

31、三) 計(jì)算定性溫度，確定流體的物性參數(shù)：苯：進(jìn)口溫度：80，出口溫度：35，定性溫度在此溫度下的參數(shù)： 冷卻水：進(jìn)口溫度：25，出口溫度：35，定性溫度： 在此溫度下的參數(shù)： (四) 初步估算傳熱面積1. 苯的流量及熱負(fù)荷：2. 冷卻水的用量：3. 平均傳熱溫差：按照完全逆流計(jì)算： 有 ，得 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流量較大，故單殼程合適。故有 圖5.溫度校正4. 初算傳熱面積：設(shè)K=250，則估算傳熱面積為：考慮安全系數(shù)和初估性質(zhì),取傳熱面積裕度為15%：(五) 工藝結(jié)構(gòu)和尺寸1. 管徑和管內(nèi)流速：選用碳鋼管(10)，取管內(nèi)流速 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)：依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速

32、確定單程傳熱管數(shù)：按單程管計(jì)算，所需傳熱管長度為：按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管太長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際情況，宜采用標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長l=3m，則換熱管程為：傳熱管總根數(shù)： 3.傳熱管排列和分程方法：因?yàn)檎切闻帕蟹ㄒ子趥鳠峁什捎谜切闻帕校」苄木?，則， 橫過管束中心線的管數(shù) 4.殼體直徑：取管板利用率為，則殼體內(nèi)徑為： ，圓整為400mm。 5.折流板：采用弓形折流板，取圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 。折流板間距B=0.3D=120，圓整后取B=150mm。則折流板數(shù)塊。折流板圓缺面水平裝配。 6.接管：殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流速，則接管內(nèi)徑為圓整后，可

33、取管內(nèi)徑為40mm。管程流體進(jìn)出口接管：取管內(nèi)流速為0.9，則接管內(nèi)徑為圓整后，可取管內(nèi)徑為30mm。(六) 核算1. 傳熱面積核算：1) 管程傳熱膜系數(shù)：管程流體流通截面積：管程流體流速及雷諾準(zhǔn)數(shù)分別為： 2) 殼程傳熱膜系數(shù)： 管子按正三角形排列，傳熱當(dāng)量直徑為：殼程流通截面積：殼程流體流速及雷諾準(zhǔn)數(shù)分別為：黏度校正 3) 污垢熱阻和管壁熱阻： 查表得數(shù)據(jù)如下： 水： 苯： 碳鋼導(dǎo)熱率： 管壁厚度：b=0.002m4) 總傳熱系數(shù)核算：5) 傳熱面積核算：換熱器實(shí)際面積： 換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2. 換熱器流體阻力損失：1) 管程阻力：式中： 由，傳熱管相對(duì)粗糙度為0.005，查莫狄圖得，流速得：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 圖6.莫狄圖2) 殼程阻力：其中，流體經(jīng)管束的阻力：其中，F(xiàn)=0.5 ，則： 流體經(jīng)過折流板缺口的阻力： 其中，B=0.15m， D=0