課程設(shè)計(jì)空氣加熱器的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)題目：空氣加熱器的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1) 處理能力為10000kg/h(377.27kmol/h)壓縮空氣。(2) 設(shè)備型式：列管式換熱器(3) 操作條件：a) 壓縮空氣：入口溫度90，入口壓力0.243MPa；出口溫度136。b) 加熱蒸汽：0.608MPa，164.2，流量為288 kmol/hc) 允許壓強(qiáng)降：管、殼程壓強(qiáng)降小于100kPa(4) 物性參數(shù)：壓縮空氣：溫度：113， =2.22510-5kg/(m. s )， =3.2910-2W/(m·) ，、Cp自算。設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容： (1) 傳熱面積、換熱管根數(shù); (2) 確定管束的排列方式、程數(shù)、折流板的規(guī)格和

2、數(shù)量等； (3) 殼體內(nèi)徑； (4) 冷、熱流體進(jìn)、出口管徑； (5) 核算總傳熱系數(shù)； (6) 管殼程流體阻力校核。指導(dǎo) 教師： 簽字 年 月 日教研室主任： 簽字 年 月 日系（部）主任： 簽字 年 月 日【概況簡介】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，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，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

3、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。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

4、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

5、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)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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

6、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)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。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、浮頭式和U形管式等幾種類型。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，介紹幾種常見的列管式換熱器。l 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)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；

7、由于這種結(jié)構(gòu)式殼測清洗困難，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。l 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。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時(shí)，不會產(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

8、10%左右。l 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。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。l 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)較浮頭式換熱器簡單

9、，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)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。一、確定設(shè)計(jì)方案1 選擇換熱器的類型2 兩流體溫的變化情況：壓縮空氣進(jìn)口溫度90 出口溫度136；熱蒸汽進(jìn)口溫度164.2，出口溫度為164.2，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，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。3 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使有熱蒸汽走管程，壓縮空氣走殼程。二、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)

10、出口溫度的平均值。故殼程壓縮空氣的定性溫度為 T=113 根據(jù)定性溫度，查取壓縮空氣在113、0.243MPa下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)（根據(jù)內(nèi)插法求得）。密度 定壓比熱容 熱導(dǎo)率 粘度 根據(jù)定性溫度，查取飽和水蒸汽在164.2 0.608MPa下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)密度 汽化潛熱 粘度 三、估算傳熱面積1.熱流量 Q1=10000×1.0194×(13690)=4.69×105kJ/h =130.257kw2. 平均傳熱溫差 先按照純逆流計(jì)算，得 =其中 3. 傳熱面積 欲求傳熱面積必須先知道K值。假設(shè)K32W/(k)則估算的傳熱面積為 Ap=考慮到安全系數(shù)5%15%，這里取1

11、0%，所以傳熱面積為79.52×1.1=87.47m2四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1管徑和管內(nèi)流速 選用50×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=20m/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)(管內(nèi)流量288kmol/h=1.44kg/s) Ns=按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為 L=按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，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l=4.0m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) Nt=64×2=1283. 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

12、。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離： S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。4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=0.7 ，則殼體內(nèi)徑為： D=1.05t按卷制殼體的進(jìn)級檔，這里取D=500mm5折流擋板 采用弓形形折流擋板，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=0.25×500=125mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×500=150mm。折流板數(shù)目 NB=塊五、換熱器核算一 熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩

13、法計(jì)算： 其中當(dāng)量直徑 = 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為摩擦系數(shù) f。=5.0/=5.0/38069140.228=0.1580 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） 傳熱系數(shù)有：（4）傳熱面積裕度： 計(jì)算傳熱面積Ac：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)。2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流體阻力.0 , .2 , 由Re=98723，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖得，流速=19.88m/s, , 所以：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2） 殼程阻力： 按式計(jì)算 , .0, .0 流體流經(jīng)管束的阻