化工原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器設(shè)計(jì)匯總

1、課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱化工原理課程設(shè)計(jì)題目名稱列管式換熱器設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)10級(jí)食品科學(xué)與工程（1）學(xué)生姓名fff學(xué)號(hào) 77777指導(dǎo)教師趙大慶二O一二 年 十二 月 二十八 日目錄1 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書. （1）2 概述與設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介. （2）3 確定設(shè)計(jì)方案. （6）3.1 選擇換熱器的類型. （6） 3.2 管程安排. （6） 4 確定物性數(shù)據(jù). （6）5 估算傳熱面積. （7）5.1 熱流量. （7） 5.2 平均傳熱溫差. （7） 5.3 傳熱面積. （7）5.4 冷卻水用量. （7）6 工藝結(jié)構(gòu)尺寸. （8） 6.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù). （8） 6.3 傳熱溫差校平均正及殼程數(shù).

2、（8） 6.4 傳熱管排列和分程方法. （10） 6.5 殼體內(nèi)徑. （10） 6.6 折流擋板. （10） 6.7 其他附件. （10） 6.8 接管. （10） 7 換熱器核算. （10） 7.1 熱流量核算. （10） 7.2 壁溫計(jì)算. （13） 7.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力. （13） 8 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). （15）9 參考文獻(xiàn) . （16） 10 主要符號(hào)說(shuō)明. （17）設(shè)計(jì)任務(wù)與條件 某生產(chǎn)過(guò)程中，反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進(jìn)一步冷卻至60之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混合氣體的流量為6.3×104kg/h，壓力為6.9Mpa。循

3、環(huán)冷卻水的壓力為0.4Mpa，循環(huán)水的入口溫度為29，出口溫度為39，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。經(jīng)查得混合氣體在85下有關(guān)物性數(shù)據(jù)： 密度1=90kg/m3,定壓比熱容Cp1=3.297kJ/(kg*)；熱導(dǎo)率1=0.0279W/(m*)；粘度1=1.5×10-5pa*s。循環(huán)水在34 下的物性數(shù)據(jù)： 密度 =994.3/m3 定壓比熱容 =4.174kJ/kg*K 熱導(dǎo)率 =0.624w/m*K 粘度 =0.742×10-3Pa*s設(shè)計(jì)說(shuō)明書概述與設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介換熱器的類型列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼

4、體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關(guān)內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引

5、起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。2.1換熱器 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 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：混合式、蓄熱式、間壁式。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(guò)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(chǎng)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

6、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。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場(chǎng)合。常見(jiàn)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(shí)，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(jiǎn)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。工業(yè)上最常見(jiàn)的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

7、，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競(jìng)相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來(lái)。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見(jiàn)的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式

8、和U形管式等幾種類型。2.2設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 換熱器類型的選擇根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求，介紹幾種常見(jiàn)的列管式換熱器。1 固定管板式換熱器這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)余構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)式殼測(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。2.U型管換熱器U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自

9、由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一塊管板，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子壞了不能更換，因而報(bào)廢率較高。此外，其造價(jià)比管定管板式高10%左右。3. 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖1-3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗

10、。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。4.填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過(guò)填料函外樓，對(duì)于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。1.3 設(shè)計(jì)方案的選定 1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)題目 反應(yīng)器的混合氣體列管式換熱器設(shè)計(jì) 1.3.2

11、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110 進(jìn)一步冷卻至 60 之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混合氣體的流量為 39000h，壓力為 6.9 MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為 0.4 MPa，循環(huán)冷卻水的入口溫度為 29，出口溫度為 39，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。 列管式換熱器工藝設(shè)計(jì)一 確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度110 出口溫度60；冷流體進(jìn)口溫度29，出口溫度為39，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。

12、2.管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。二、計(jì)算定性溫度，確定流體特性定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= =85 管程流體的定性溫度為T=根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 混和氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 定壓比熱容 =3.297kJ/kg* 熱導(dǎo)率 =0.0279w/m* 粘度 =1.5×10-5Pa*s循環(huán)水在34 下的物性數(shù)

13、據(jù)： 密度 =994.3/m3 定壓比熱容 =4.174kJ/kg*K 熱導(dǎo)率 =0.624w/m*K 粘度 =0.742×10-3Pa*s三、計(jì)算熱負(fù)荷和載熱體用量1.熱負(fù)荷： Q=23000×3.297×(110-60)=3791000kJ/h =105300kw2. 冷卻水用量Wc=Q/cpc(t2-t1)= 3.791×106÷4.174×(39-29)=91000kg/h四、按逆流初算傳熱平均溫度差 1=5、 初選傳熱系數(shù)和計(jì)算傳熱面積1. 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=320W/(k)2.22222估

14、算的傳熱面積為： A1=Q÷（Ktm1）=68.1m2 考慮 10%20%的安全系數(shù)A=A1×1.1=74.8m2六、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1管徑和管內(nèi)流速 選用25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=1.2m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) Ns= 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 L= 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=4傳熱管總根數(shù) NT=81×4=324 根 3. 傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)： R= P=按單殼程

15、，雙管程結(jié)構(gòu)，查【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：圖4-25（a）得：平均傳熱溫差 K 由于平均傳熱溫差 校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法 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。見(jiàn)【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P86圖1-80。 取管心距a=1.25d0，則 a=1.25×25=31.2532管束最外層管子的中心與殼體內(nèi)表面的距離： S=a/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。見(jiàn)【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P8表1-21管程數(shù)的確定，每程各有傳熱管114根，其前后管程中隔板設(shè)置和介

16、質(zhì)的流通順序按【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P87圖1-81選取。橫過(guò)管中心線的管數(shù)：Nc=1.19324=21根5殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行殼體內(nèi)徑估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內(nèi)徑為： D=1.05a按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=800mm筒體直徑校核計(jì)算：殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達(dá)式為：取b'=1.2=1.225=30mm=32 （21-1）+2 32=704mm 按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸進(jìn)行圓整：=800mm6折流擋板 采用圓缺形折流擋板，去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

17、=0.25×800=200m，故可取h=200mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×800=240mm，可取B為240mm。折流板數(shù)目 【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P88七 換熱器核算1熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算，見(jiàn)式【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：式（4-41b）： 當(dāng)量直徑，依【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：式（4-43）得 = 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普朗特?cái)?shù) 粘度校正 （2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 管程流體流通截面積： 管程流體流速： 雷諾數(shù)： 普朗特?cái)?shù)：（3） 污垢熱阻取： 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢

18、熱阻 【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P56表1-6 管壁熱阻按【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理】：附錄11查得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·K)。所以（4） 傳熱系數(shù)有： 【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P55（5） 傳熱面積裕度： 計(jì)算傳熱面積Ac：該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：該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)。3.壁溫計(jì)算式中液體的平均溫度T和氣體的平均溫度分別計(jì)算為 T=(39+29)/2=34 t=(110+60)/2=85 5502w/·K 583w/·K 傳熱管平均壁溫 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85。

19、殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。1換熱器內(nèi)壓力降的計(jì)算（1）管程流體阻力 , , 由Re=32161，傳熱管對(duì)粗糙度0.01，查莫狄圖:【化學(xué)工業(yè)出版社流體輸送與非均相分離技術(shù)】：P78圖1-82得，流速 u=1.3m/s, 所以： 對(duì)于25×2.5傳熱管，F(xiàn)t=1.4管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2） 殼程阻力： 按式計(jì)算（埃索法） , , 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 (fo-殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re500時(shí)，) 0.5×0.2419×36×(19+1)&#

20、215;=724.82Pa 流體流過(guò)折流板缺口的阻力 , B=0.267m , D=0.89mPa 總阻力724.82+4586.08=5311.62Pa>10kpa 由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式浮頭式換熱器參數(shù)管程殼程工作介質(zhì)循環(huán)冷卻水混合氣體流量/(kg/h)897671227301溫度（進(jìn)/出）/29/39110/60壓力/MPa0.46.9 物性參數(shù)定性溫度/3485密度/(/m)994.390比熱容/kJ/(kg·)4.1743.297黏度/mPa·s0.7420.015熱導(dǎo)率/W

21、/(m·)0.6240.0279普朗特?cái)?shù)4.9631.773設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm1000殼程數(shù)1管子規(guī)格25mm×2.5mm管心距/mm32管長(zhǎng)/mm8000管子排列正三角形管子數(shù)目/根570折流板數(shù)/塊26傳熱面積/457.62折流板距/mm300管程數(shù)5材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.22.5傳熱膜系數(shù)W/(·)5502625污垢熱阻/(·/W)0.00060.0004阻力損失壓力降/MPa0.044690.03998熱負(fù)荷/kW10408平均傳熱溫差/46傳熱系數(shù)/W/(·)330面積裕度/0.7參考文獻(xiàn)1 匡國(guó)柱 ,史啟才 .化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.2 鄭津洋 ,董其伍 ,桑芝富. 過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版,2010.3 付家新 ,王為國(guó) ,肖穩(wěn)發(fā). 化工原理課程設(shè)計(jì)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2001.4 朱有庭 ,曲文海, 于浦義. 化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.5 王松漢 .石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.6 黃嘉琥 .壓力容器材料實(shí)用手冊(cè)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1997.7 黃載生 .化工機(jī)械力學(xué)基礎(chǔ)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1990.8 李世玉，桑如苞.壓力容器工程師