U型管換熱器課程設計說明書

1、U型管換熱器課程設計說 明 書 設計題目 U型管換熱器設計專業(yè)班級 建環(huán)1001 學生姓名 xxxxx 學 號 xxxxxx指導教師 xxxxx 日 期 2013.5.4 一、化工原理課程設計任務書（換熱器的設計）（一） 設計題目：煤油冷卻器的設計（二） 設計任務及操作條件：1. 處理能力：15萬噸/年煤油2. 設備型式：列管式換熱器3. 操作條件：（1） 煤油入口溫度125，出口溫度40；（2） 冷卻介質循環(huán)水，入口溫度25，出口溫度45；（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：7.15×10-4Pa.S;比熱容為：2.

2、22kJ/（kg. ）；導熱系數(shù)為：0.14W/（m. ）（5） 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。（三） 設計項目1傳熱計算2管、殼程數(shù)的確定及管、殼程流體阻力計算3管板厚度計算4 U形膨脹節(jié)計算（浮頭式換熱器除外）5管殼式換熱器零部件結構（四） 繪制換熱器裝配圖（A2圖紙）二、換熱器的選用換熱器的選用(即選型) 的過程大體如下, 具體計算可參看列管式換熱器設計中有關內容。 根據(jù)設計任務要求計算換熱器的熱負荷Q。 按所選定的流動方式, 計算出平均溫度差( 推動力)tm 及查出溫差校正系數(shù)。若< 0 . 8 , 應考慮采用多殼程結構的換熱器或用多臺換熱器串聯(lián)。 依所處理流體介質的性

3、質, 憑經驗初選一總傳熱系數(shù)K0 (估) , 并由總傳熱速率方程計算傳熱面積S'0 :S'0 =Q/K0 估tm式中Q熱負荷,W; K0 (估) 憑經驗選取的總傳熱系數(shù),W /(m2·K) ;tm 平均溫度差, 。 根根據(jù)計算出的S0 值, 查有關換熱器系列標準, 確定型號規(guī)格并列出各結構主要基本參數(shù)。 利用總傳熱系數(shù)關聯(lián)式計算K0 ( 計) , 再由總傳熱速率方程式求出S0 ( 計) 。考慮到所用傳熱計算式的準確程度及其他未可預料的因素, 應使得所選用換熱器具有的傳熱面積S0留有的裕度10%25% , 即 ( S0 - S0 ( 計) ) /S0 ( 計) = (

4、10% 25% )。否則需重新估計一個K0 ( 估) , 重復以上計算。也可依所選用換熱器具有的傳熱面積S0 , 通過總傳熱速率方程式求出K0 ( 選) , 然后比較K0 ( 選) /K0 ( 計) 之值是否在1 . 151 . 25 范圍。 計算出管、殼程壓力降, 驗算是否滿足要求。三、工藝計算及主要設備設計1、確定設計方案1.1選擇換熱器的類型：兩流體溫度變化情況：煤油進口溫度為125，出口溫度40，冷流體進口溫度25，出口溫度45；設煤油壓力為0.3MPa，冷卻水壓力為0.4MPa。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，固定管板式換熱器具有結構簡單和造價低廉等優(yōu)點, 但它僅適用于殼程流體壓強小于0

5、. 6MPa, 管、殼程壁溫溫度差小于70 , 且管間只能通過清潔流體的場合，因此初步確定選用固定管板式換熱器。1.2流程安排: 由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(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）。2、確定物性數(shù)據(jù)：2.1定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 煤油的定性溫度為：（）冷卻水的定性溫度為：根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 煤油在82.5下的有關物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35下的物性數(shù)據(jù)密度o=825 kg/m3密度i=994 kg/m3定壓比熱容cpo=2.22 kJ/(kg·K)定壓比熱容c

6、pi=4.187kJ/(kg·K)導熱系數(shù)o=0.140 W/(m·K)導熱系數(shù)i=0.626 W/(m·K)粘度o=0.000715 Pa·s粘度i=0.000727 Pa·s3、估算傳熱面積3.1計算熱負荷和冷卻水用量 Wh=（kg/h）Q=WhCpht0=18939.4×2.22×(125-40)=3.57x106kJ/h=992.7(kW)忽略換熱器的熱損失，冷卻水用量3.2計算兩流體的平均溫度差 先按理想逆流傳熱溫度差進行計算，即 () 3.3溫度校正 平均傳熱溫差校正系數(shù)：R=(125-40)/(45-25)=4

7、.25; P=(45-25)/(125-25)=0.2由R和P值，按單殼程查溫度差校正系數(shù)圖，得溫度校正系數(shù)=0.81>0.8，可行。所以修正后的傳熱溫度差為tm=tm=0.81x38.83=31.45()3.4初步選型3.4.1傳熱面積 假設K=300W/(m2·K),則估算面積為：A=Q/(K×tm)=992.7×103/(300×31.45)=105.2(m2) 管徑和管內流速 換熱管選用碳鋼管25×2.5mm，取管內流速u= 1.0m/s管程數(shù)和傳熱管數(shù) 換熱管選用普通無縫鋼管25×2.5mm，管內徑d=0.025-2x

8、0.0025=0.02m，于是單程管根數(shù)n'為 =37.98 取n'=38根 按單程管計算，所需的傳熱管長度為： =35.2m3.4.4初選換熱器類型與型號 由于Tm-tm=（125+40）/2-(45+25)/2= 47.5()<50(),兩流體間的溫差不大，不需要溫度補償；但是為了便于殼程污垢清洗，以采用固定管板式列管換熱器為宜，且初步選定的具體型號為G600VI-1.0-100 G600VI-1.0-100的具體參數(shù)殼徑/mm 600管子尺寸25×2.5mm公稱壓力/ 1MPa管長/m 6公稱傳熱面積/ 100 管子總數(shù) 216管程數(shù) 6管子排列方式 正三

9、角形殼程數(shù) 1折流擋板形式 弓形折流板傳熱管排列和分程方法 按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構，根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取傳熱管長為l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=35.2/6=6；傳熱管總根數(shù)： NT=38×6=228（根）采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.2532(mm)橫過管束中心線的管數(shù) Nc=1.1=1.1=17根3.4.6殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率0.7，則殼體內徑為 =606.4mm圓整可取D=600mm。3.4.7折流板 采用弓形

10、折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25，則切去的圓缺高度為h0.25×600=150（mm）。 折流板間距B=0.4D,則B=0.4×600=240mm。折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=6000/240-1=24(塊)折流板圓缺面水平裝配接管 殼程流體進出口接管：取接管內煤油流速為u1.0m/s，則接管內徑為：D1=（m），圓整后可取管內徑為90mm。 管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內徑為(m)=100mm。4.換熱器的核算4.1熱流量核算4.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； 用克恩法計算： 當量直徑，由正三角排列得：de=m 殼程

11、流通截面積：=0.0315（m2） 殼程中煤油流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0=V0/A=（m/s）Re0=4661.5 普朗特數(shù)：Pr=； 粘度校正： 0=589.7W/(m2·K) 管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： i 管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×216/6=0.0113（m2） 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： ui=1.055（m/s）Rei=28849.2 普朗特數(shù)：Pr=i=0.023×=5008.1W/ (m2·K)4.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 查有關文獻知可取： 管外側污垢熱阻 R0=0.00017 m2·K/W

12、管內側污垢熱阻 Ri=0.00034 m2·K/W計算傳熱系數(shù)K（忽略管壁熱阻）： Rso Ko=394 計算傳熱面積AC:AC=Q/(KC×tm)=992.7×103/（394×31.45）=80.11（m2） 該換熱器的實際傳熱面積A：A=3.14×0.025×6×（228-17）=99.38（m2）該換熱器的面積裕度為：H=×100%=×100%=24.05%為了保證換熱器的可靠性, 一般應使換熱器的面積裕度大于15%25%。滿足此要求, 所設計的換熱器較為合適傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產

13、任務。5.2換熱器內流體的流動阻力5.2.1管程流體阻力 計算公式如下： Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=6，F(xiàn)S=1.5; Pi=。由Re=28849.2，傳熱管相對粗糙度0.1/20=0.005， 莫狄圖（下圖）得=0.0338，流速u=1.055m/s，=994kg/m3，故 Pi=5609.18（Pa）；Pr=1573（Pa） Pt（PiPr）Fs Ns=（5609.18+1573）×6×1.5=64639.62（Pa）<105 Pa 管程流體阻力在允許范圍內5.2.2殼程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15

14、；NS=1 ； P0= Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.5, f0=5Reo-0.228=5×4661.5-0.228=0.729, Nc=1.1 NT0.5=1.1×2280.5=17 NB=24;u0=0.202m/s 則流體流經管束的阻力： P0=Ff0Nc(NB+1)=0.5×0.729×17×（24+1）×825×0.2022/22607.43（Pa） 流體流過折流板缺口的阻力 Pi =NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.24m; D=0.6m；故 Pi=24×（3.5-2×0.24

15、/0.6）×825×0.2022/21090.69（Pa），則總阻力： PS=P0+Pi=2607.43+1090.69=3698.12（Pa）<105 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。 綜上所訴，該換熱器管程與殼程的壓力降均小于允許壓降100KPa，均符合要求，所以設計的換熱器符合條件。四、設計結果設計一覽表換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表。參數(shù)管 程殼 程流率/（kg/h）42676.418939.4進/出溫度/25/45125/40物性定性溫度/3582.5密度/（kg/m3）994825定壓比熱容/（kJ/（kg·K）4.182.22粘度/（Pa&#

16、183;s）0.0007270.000715熱導率/w/（m·K）0.6260.140普朗特數(shù)4.8511.34設備結構參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內徑/mm600殼程數(shù)1管徑/mm25×2.5管心距/mm32管長/mm6000管子排列管數(shù)目/根216折流板數(shù)/個24傳熱面積/m2100.0折流板間距/mm240管程數(shù)6材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.0550.202表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（m2·K）5008.1589.7污垢阻力/（w/m2·K）0.000340.00017阻力/MPa0.060.0056熱流量/kW992.7傳熱溫差/31

17、.45傳熱系數(shù)/w/（m2·K）394裕度/%24.05 五、輔助設備的計算和選型5.1封頭（JB T4729 _94）標準橢圓形封頭的幾何形狀如附圖1 所示。形成這種封頭的母線是由1 4 橢圓線和平行于回轉軸的短直線光滑連接而成, 故它由半個橢圓球和一個高度為h0 的圓柱短節(jié)(稱它為封頭的直邊部分)構成。附表1 所列橢圓封頭尺寸與質量, 摘自JB T4729 _94 標準。 附圖1 標準橢圓形封頭橢圓封頭尺寸與質量(摘自JB T4729 _94)5.2壓力容器法蘭( TB470292 )壓力容器法蘭( TB470292 )的類型有甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長頸對焊法蘭。用于不銹鋼

18、容器時, 法蘭端面焊有不銹鋼襯環(huán)。就法蘭的密封面來說, 又有平密封面、凹凸密封面和榫槽密封面之分。5.3鞍式支座(JB T4712 - 92)臥式容器的支座常用鞍式支座, 簡稱鞍座。它是由底板、腹板、筋板和墊板四種板組焊而成的焊制鞍座; 或其中腹板與底板由同一塊鋼板彎制的彎制鞍座.這次設計采用重型彎制鞍座。 DN500900 鞍座尺寸(JB T471292) mm DN500900mm 的型鞍式支座 DN500900mm 的型彎制鞍式支座5.4管板焊接管板的最小厚度取決于焊接工藝及管板焊接變形的要求, 對于固定管板式換熱器的管板結構見圖1 _12 , 主要尺寸見表1 _12。5.5拉桿與定距管

19、折流板的安裝固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的。拉桿是一根兩端皆帶有螺紋的長桿, 一端擰入管板, 折流板就穿在拉桿上, 各板之間則以套在拉桿上的定距管來保持板間距離, 最后一塊折流板可用螺母擰在拉桿上予以緊固。拉桿直徑及數(shù)量可依換熱器殼體內直徑選定, 各種尺寸換熱器的拉桿直徑和拉桿數(shù), 可參考表1 _17 選取。定距管通常采用與換熱管材料、直徑相同的管子。5.6折流板安裝折流板的目的, 是為了加大殼程流體的湍流速度, 使湍流程度加劇, 提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。在臥式換熱器中折流板還起到支承管束的作用。常用折流板有弓形( 或稱圓缺形)和圓盤圓環(huán)形兩種。弓形折流板結構簡單, 性能優(yōu)良,在實際中最為

20、常用。折流板直徑Dc 取決于它與殼體之間間隙的大小。間隙過大時, 流體由間隙流過而根本不與換熱器接觸; 間隙過小時又會引起制造和安裝上的困難。折流板直徑Dc 與殼體內直徑Di 間的間隙可依表1 _13 中所列數(shù)值選定。六、設計評述本次化工課程設計是對列管式換熱器的設計，通過查閱有關文獻資料、上網搜索資料以及反復計算核實，本列管式換熱器的設計可以說基本完成了。一開始接到這個任務很迷茫，因為本來對換熱器的設計這個概念就不清楚，而且對于畫圖一直也是我的弱項，所以心情很浮躁，過去了幾天還是毫無頭緒。后來在答疑課上借到了上屆的作業(yè)，開始一步一步地研究。課程設計需要學生自己做出決策，自己確定實驗方案、選擇

21、流程、查取資料、進行過程和設備的計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經過反復的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。所以，課程設計是增強工程觀念、培養(yǎng)提高學生獨立工作能力的有益實踐。 換熱器的設計主要是核算比較麻煩，而且計算時遇到很多麻煩，關于管程殼徑等概念很模糊，設計過程中遇到的麻煩很多，也正是因為這樣，我開始不斷地查閱資料問問題，突然間覺得自己雖然學過這些知識，但是還是有很多的疑問。也正是因為不斷地發(fā)現(xiàn)問題分析問題解決問題，才提高自己的理解和學習能力。通過這次設計我了解了換熱器的工藝流程，知道了各種換熱器的優(yōu)缺點，通過 一次次地計算，對于換熱器的型號的選擇依據(jù)有了更深刻的理解。第二周開始作圖，一開始面對A1的紙卻不敢下筆，不敢畫頁不知道該怎么畫，于是先畫了個邊框，接著在圖書館找了一下午資料，才知道自己知道的只是冰山一角，第二天在宿舍呆了一天去查法蘭還有支座的尺寸和型號。在畫圖的時候一邊畫一邊問，在大家