化工原理課程設(shè)計(jì)73632

1、化工原理課程設(shè)計(jì)目錄一.列管式換熱器 1.1. 列管式換熱器簡(jiǎn)介 1.2設(shè)計(jì)任務(wù) 1.3.列管式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.4.操作條件 1.5.主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖二.概述及設(shè)計(jì)要求 2.1.換熱器概述 2.2.設(shè)計(jì)要求 三.詳細(xì)計(jì)算過(guò)程及步驟1、確定設(shè)計(jì)方案2、計(jì)算熱負(fù)荷和冷流體的流量3、計(jì)算溫差和估計(jì)傳熱系數(shù)4、估算換熱面積5、計(jì)算管程壓降及給熱系數(shù)6、計(jì)算殼程壓降及給熱系數(shù)7、計(jì)算傳熱系數(shù)8 、校核傳熱面積五.換熱器核算六.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總七.設(shè)計(jì)評(píng)述八.工藝流程圖九.主要符號(hào)說(shuō)明十.參考資料一 .列管式換熱器1.1. 列管式換熱器簡(jiǎn)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

2、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(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)，

3、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。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)1.任務(wù) 處理能力：3105 t/年 煤油（每年按300天計(jì)算，每天24小時(shí)運(yùn)行） 設(shè)備形式：列管式換熱器2操作條件 (1)煤油：入口溫度150，出口溫度50 (2)冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度20，出口溫度30(3)允許壓強(qiáng)降：不大于一個(gè)大氣壓。備注：此設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（包括紙板和電子版）1月15日前由學(xué)委統(tǒng)一收齊上交，兩人一組，自由組合。延遲上交的同學(xué)將沒(méi)有成績(jī)。1.3.列管式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容1.3.1、確定設(shè)計(jì)方案（1）選擇換熱器的類型；（2）流程安排1.3.2、確定物性參數(shù)（1）定性溫度；（2）定性溫度

4、下的物性參數(shù)1.3.3、估算傳熱面積（1）熱負(fù)荷；（2）平均傳熱溫度差；（3）傳熱面積；（4）冷卻水用量1.3.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速；（2）管程數(shù)；（3）平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)；（4）傳熱管排列和分程方法；（5）殼體內(nèi)徑；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管1.3.5、換熱器核算（1）傳熱能力核算；（2）壁溫核算；（3）換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力1.4.操作條件某廠用循環(huán)水冷卻煤油。欲將3x105t/y的煤油從150冷卻到50，循環(huán)水進(jìn)、出口溫度分別為20和30。若要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于一個(gè)大氣壓，試選擇合適型號(hào)的列管式換熱器。定性溫度下煤油的物性參數(shù)列于附表

5、中。 附 表項(xiàng) 目密度，kg/m3比熱，KJ/(kg)粘度，Pas熱導(dǎo)率，kJ/(m)煤油8252.227.15X10-40.1501.5.主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（示例） 根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可選擇其它形式的列管換熱器。1-擋板 2-補(bǔ)償圈 3-放氣嘴固定管板式換熱器的示意圖二.概述及設(shè)計(jì)要求2.1.換熱器概述換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用35%40%。換熱器在其他部門如動(dòng)力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和選擇得到使用、高效的換熱器對(duì)降低設(shè)備的造價(jià)和操作費(fèi)用具有十分重要的作用。在不同溫

6、度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡(jiǎn)稱換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛， （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(kāi)，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

7、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(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

8、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(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。2.2.設(shè)計(jì)要求完善的換熱器在設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本

9、要求：（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件：可以從：增大傳熱系數(shù)提高平均溫差妥善布置傳熱面等三個(gè)方面具體著手。（2）安全可靠換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵循我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定和鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。（3）有利于安裝操作與維修直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與拆卸，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。（4）經(jīng)濟(jì)合理評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定時(shí)間內(nèi)（通常1年內(nèi)的）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)）等的總和為最小。

10、在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要了。 三.設(shè)計(jì)條件及主要物理參數(shù)3.1.初選換熱器的類型1、確定設(shè)計(jì)方案(1)為了便于散熱,循環(huán)水走管程，煤油走殼程，選擇逆流，管內(nèi)流速取0.5m/(2)熱力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取兩流體進(jìn)出口溫度情況：熱流體（煤油）進(jìn)口溫度T1=150，出口溫度T2=50冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度t1=20，出口溫度t2=30煤油的定性溫度為T=(150+50)/2=100循環(huán)水的定性溫度為t=(20+30)/2=25兩流體的溫差根據(jù)兩流體的定性溫度查得它們的熱力學(xué)性質(zhì)如下表：物性流體定性溫度密度kg/m3粘度mPas比熱容kJ/(kg)導(dǎo)熱系數(shù)W

11、/(m)煤油1007660.5452.380.104冷卻水259970.8944.170.6082、 計(jì)算熱負(fù)荷和冷流體的流量由熱量衡算得熱負(fù)荷：（課本213頁(yè)式6-129）循環(huán)水流量：3、計(jì)算溫差和估計(jì)傳熱系數(shù)選取逆流取向，先按單殼程單管程考慮，計(jì)算出逆流平均溫差：計(jì)算參數(shù)R及P：按單殼程雙管程結(jié)構(gòu)，查單殼程圖，因在圖上難以讀取。由于單殼程雙管程屬于1-2折流，現(xiàn)用1-2折流的公式計(jì)算平均溫度差 其中，0.8 則有 按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù)，選取4、估算換熱面積選用的無(wú)縫鋼管，管內(nèi)流速為0.5m/s。根據(jù)可以選擇下述標(biāo)準(zhǔn)換熱器（查附錄得）：（排列方式：正三角形）公稱直徑DN/mm公稱壓力PN

12、/MPa管程數(shù)N管子根數(shù)n中心排管數(shù)管程流通面積/m2換熱管長(zhǎng)度L/mm管心距/mm換熱面積/m260022416230.0368600025146.5（課本298頁(yè)管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)）5 、計(jì)算管程壓降及給熱系數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換熱器提供的參數(shù)管程流動(dòng)面積 管程給熱系數(shù)取鋼的管壁粗糙度為0.1mm，則管程壓降6、計(jì)算殼程壓降及給熱系數(shù)擋板間距B取0.9m，殼程中有機(jī)物被冷卻，取折流擋板間距管束中心線管數(shù)殼程流動(dòng)面積因管子排列為三角形，F(xiàn)=0.5，fs=1.15擋板數(shù)： 殼程壓降7 、計(jì)算傳熱系數(shù)污垢熱阻和管壁熱阻 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻取鋼管壁厚，熱導(dǎo)率8 、校核傳熱面積所選換熱器：考慮安

13、全系數(shù)和初估性質(zhì)，因而常取實(shí)際傳熱面積為計(jì)算值的1.151.25倍，即取面積寬裕度范圍為15%25%，所以 選擇的換熱器符合要求。五.換熱器核算5.1熱量核算5.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形的折流板，可采用克恩公式：計(jì)算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得：=0.020m殼程流通截面積：So=0.018 殼程流體流速為： =0.097m/s雷諾準(zhǔn)數(shù)為：Reo=普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：Pro= Nu=0.36。物料被冷卻，粘度校正取1， 將數(shù)值代入上式：Nu=64.01=440.39W/m25.1.2管程對(duì)流傳熱系數(shù) 管道流通面積：Si=0.7850.022=0.005966m2管程流體流速：ui=雷諾準(zhǔn)數(shù)

14、為Rei=普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：Pri= =3681.74W/m25.1.3傳熱系數(shù)K根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在(GB151-99P140-141)選取污垢熱阻：污垢熱阻：Rsi=0.00058m2/W Rso=0.00017 m2/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2/W管壁厚度： b=0.0025內(nèi)外平均厚度： dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得 = =280.43W/m2所以，K的裕度為:h=22%5.2.壁溫核算由于換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，減低了傳熱管和殼體的壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算

15、中應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。 式中液體的平均溫度和為：（） （） W/m2W/m2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=100殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為： 由于換熱器殼程流體的溫差不大，殼程壓力不高，因此，選用固定管板式換熱器較為適宜。5.3. 殼程和管程的壓力降的計(jì)算因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊?，所以要?duì)殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。5.3.1管程壓力降管程壓力降的計(jì)算公式為：Rei=18894.68（前面已求），為湍流。取絕對(duì)粗糙度查另外，式子中：殼程數(shù)Ns=1管程數(shù)Np=4代入公式中，有：=（3019.36+862.67

16、）14=15528.12Pa1.013x105pa5.3.2殼程壓力降由于殼程流體的流動(dòng)狀況比較地復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計(jì)算殼程壓力降：殼程壓力降埃索法公式為：流體橫過(guò)管束的壓力降，Pa；流體通過(guò)折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，無(wú)因次，對(duì)于液體取1.15，對(duì)于氣體取1.0；Ns殼程數(shù)；而=0.86，nc=11，NB=29,uo=0.097m/s。F管子排列方法對(duì)壓力降的校正系數(shù)，對(duì)正三角形排列，F(xiàn)=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45o排列，F(xiàn)=0.4，正方形排列，F(xiàn)=0.3;fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re500時(shí)，nc橫過(guò)管

17、束中心線的管子數(shù)，對(duì)正三角形排列NB折流擋板數(shù)代入數(shù)值得：=0.50.861130950=634.19Pa而，其中h=0.2m，d=0.4m，NB=29,D殼徑，mh折流擋板間距，mdo換熱器外徑，muo按殼程流通截面積S計(jì)算的流速，而S=h（D-ncdo）=0.025 故代入數(shù)值得： =29（3.5-） =168.74Pa對(duì)于液體=1.15，于是我們有：=1.151（634.19+168.74）=923.37Pa1.013X105pa經(jīng)過(guò)以上的核算，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。六.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總計(jì)算數(shù)據(jù)如下表項(xiàng)目管子殼體操作壓力/MPa0.90.9材質(zhì)20鋼20R線膨脹系數(shù)/（1/）彈性

18、模量/MPa許用應(yīng)力/MPa130133尺寸/mm管子根數(shù)235管殼溫差/管子與管板連接方式開(kāi)槽脹接脹接長(zhǎng)度/mm43mm許用拉脫應(yīng)力/MPa4.0在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中 溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中 則 由已知條件可知，與的作用相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力：因此，拉脫應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。七.設(shè)計(jì)評(píng)述 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱

19、器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等

20、邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。 流體每通過(guò)管束一次稱為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過(guò)部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超

21、過(guò)50時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。進(jìn)行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便；腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時(shí)受腐蝕；壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無(wú)關(guān),且冷凝液容易排出；若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時(shí)，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應(yīng)力。 通過(guò)此次設(shè)計(jì)，了解了很多關(guān)于換熱器的知識(shí)，如換熱器的選型，換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸的確定，以及計(jì)算換熱器的傳熱面積和流體阻力等等。最最重要的是我深刻認(rèn)知做設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要非常小心，因?yàn)橐徊涣羯窬蜁?huì)出錯(cuò)，如果前面錯(cuò)了沒(méi)發(fā)現(xiàn)，后面就全錯(cuò)。這是設(shè)計(jì)中的禁忌。設(shè)計(jì)內(nèi)容很多，必須要付出努力才可以。為此，也要感謝老師及同學(xué)的互相幫助。八.工藝流程圖 九.主要符號(hào)說(shuō)明