固定管板式換熱器課設(shè)論文

1、化工原理課程設(shè)計(jì)（論文） 煤油冷卻器的設(shè)計(jì)學(xué) 院 專 業(yè) 年 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2011年 11月 目錄1 任務(wù)書.4 1.1題目 1.2任務(wù)及操作條件 1.3列管式換熱器的選擇及設(shè)計(jì)要求2 概述.5 2.1換熱器概述 2.2固定管板式換熱器 2.3設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)要求三物料數(shù)據(jù)的確定.10 3.1試算并初選換熱器規(guī)格 3.2計(jì)算總傳熱系數(shù) 3.3計(jì)算傳熱面積四工藝結(jié)構(gòu)尺寸.13 4.1.管徑和管內(nèi)流速 4.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 4.3傳熱管排列和分程方法 4.4殼體內(nèi)徑 4.5折流板 4.6接管 4.7拉桿和定距管 4.8管板厚度 4.9封頭 4.10緩沖擋板 4.11放氣孔、排

2、液孔 4.12膨脹節(jié) 4.13脹接4.14密封墊圈五換熱器核算.20 5.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 5.2管程對(duì)流系數(shù) 5.3傳熱系數(shù)K 5.4傳熱面積 5.5計(jì)算壓強(qiáng)降六工藝計(jì)算結(jié)果匯總表.25七后記.26 參考文獻(xiàn). 27 煤油冷卻器的設(shè)計(jì)一化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1設(shè)計(jì)題目： 煤油冷卻器的設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1. 處理能力 19.6*104 噸/年 煤油2. 設(shè)備型式 列管式換熱器3. 操作條件 a 煤油：入口溫度145，出口溫度 35 b 冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度 30，出口溫度 40 c 允許壓強(qiáng)降：不大于105 pa d 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度為825kg/m3 ，粘

3、度為7.15*10-4 pa*s，比熱容為2.22kJ/（kg *），導(dǎo)熱系數(shù)為0.14w/（m*） e 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 1.3換熱器的選擇及設(shè)計(jì)要求 列管式換熱器的形式主要依據(jù)換熱器管程與殼程流體的溫度差來(lái)確定。由于兩流體的溫差大于50 ，故選用帶補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。因水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，并易結(jié)垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，煤油走殼程。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)任務(wù)要求，確定設(shè)計(jì)方案（2） 進(jìn)行工藝計(jì)算（3） 選擇適宜的結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4

4、） 進(jìn)行流體阻力核算（5） 繪制流程圖及設(shè)備圖紙，寫說(shuō)明書二概述2.1換熱器概述 換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備,尤其是石油、化工生產(chǎn)應(yīng)用更為廣泛。在化工廠中換熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類型很多，性能各異，個(gè)具特點(diǎn)，可以適應(yīng)絕大多數(shù)工藝過(guò)程對(duì)換熱器的要求。進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)，首先是根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)?shù)念愋?，同時(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。 換熱器類型雖然很多，但計(jì)算傳熱面積所依據(jù)的傳熱基本原理相同，不同之處僅是在結(jié)構(gòu)上需根據(jù)各自設(shè)備特點(diǎn)采用不同的計(jì)算方法而已。 本次設(shè)計(jì)的是煤油冷卻器，冷卻器是許多工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備。列管式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

5、單、牢固，操作彈性大，應(yīng)用材料廣。列管式換熱器有固定管板式、浮頭式、U形管式和填料函式等類型。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。2.2固定管板式換熱器2.2.1工藝流程草圖： 主要說(shuō)明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水溝清潔，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖，煤油經(jīng)泵抽上來(lái)，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進(jìn)入換熱器殼程，冷卻水則由泵抽上來(lái)，經(jīng)管道從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行換熱，煤油從145被冷卻至35之后，由接管D流出，循環(huán)冷卻水則從30變成40，由接管B流出。2.2.2固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)圖：2.2.3板式換熱器的比較2

6、.3設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)工藝過(guò)程所規(guī)定的條件，如傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、相態(tài)等）以及在該參數(shù)下的物性進(jìn)行熱力學(xué)和流體學(xué)的計(jì)算。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的換熱設(shè)備具有盡可能小的傳熱面積，在單位面積內(nèi)盡可能傳遞更多的熱量。 根據(jù)所學(xué)過(guò)的傳熱知識(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可采取如下做法： 流速的提高有利于傳熱，同時(shí)由于流體阻力一般與流速的平方成反比，在綜合考慮阻力以及避免流體誘發(fā)振動(dòng)的前提下，應(yīng)盡量選擇高的流速以增大平均傳熱溫差。 對(duì)于無(wú)相變的流體，盡可能采取逆流傳熱方式以增大平均傳熱溫差，同時(shí)有助于減小結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。 妥善布置傳熱面，不僅可以增加單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流動(dòng)特征。

7、如果換熱器的一側(cè)流體有相變，另一側(cè)流體為氣體，可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片，以增大傳熱面積，或在條件允許下采用兩相流以減少熱阻，這對(duì)于傳熱都是十分有利的。（1） 確保安全可靠換熱器作為壓力容器，工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，應(yīng)遵照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度及剛度的計(jì)算和校核，以確保換熱器設(shè)備安全可靠。（2） 安裝、操作、及維修的方便設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸和裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不受樓梯、梁、柱等的妨礙，根據(jù)需要添加排氣口和檢查孔等。對(duì)于結(jié)垢流體，可考慮在流體中加入凈化劑，以避免停工清洗，或?qū)Q熱器設(shè)計(jì)成兩部分，交替進(jìn)行工作和清洗。（3） 經(jīng)濟(jì)、合理設(shè)計(jì)或選型時(shí)，往往好幾種換熱器都滿足生產(chǎn)工藝需求，此時(shí)對(duì)換熱

8、器的經(jīng)濟(jì)核算就顯得十分必要。應(yīng)根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)設(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)的總和最小來(lái)選擇換熱器，并確定適宜的操作條件。（4） 盡可能采取標(biāo)準(zhǔn)系列若由于標(biāo)準(zhǔn)系列的規(guī)格限制，不能滿足工廠生產(chǎn)要求，此時(shí)必須進(jìn)行換熱器設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用前要根據(jù)生產(chǎn)工藝需求進(jìn)行必要的工藝計(jì)算，以確定需要的換熱面積和設(shè)備結(jié)構(gòu)，才能最終選用。3 物料數(shù)據(jù)的確定3.1試算并初選換熱器規(guī)格暫時(shí)按單殼程、多管程計(jì)算殼程流體（煤油）定性溫度：管程流體（水）的定性溫度：兩流體的溫差： > 50由于兩流體溫差大于50，因此需要考慮熱補(bǔ)償。故選用帶補(bǔ)償圈的固定管板式列管換熱器。 根據(jù)定性溫度分別查取殼程與管程流體有關(guān)數(shù)據(jù) 物性流體煤油9082

9、50.7152.220.14水359940.7254.080.6263.2計(jì)算總傳熱系數(shù)3.2.1熱流量3.2.2.平均傳熱溫差（先按逆流計(jì)算）平均傳熱溫差校正：由P、R值，查溫差校正系數(shù)圖，可得=0.86所以，平均傳熱推動(dòng)力tm =*tm1 =32.8*0.86=28.213. 2.3冷卻水用量3.2.4總傳熱系數(shù)（1）管程傳熱系數(shù)（湍流）(2)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程傳熱系數(shù)=470 W/m2污垢熱阻：Rs0=0.000172 m2 /wRs1=0.000344 m2 /w查閱文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下熱導(dǎo)率= 45W/m.k（此時(shí)管壁熱阻Rs=0.0025/50=0.0005 m2 /w 可忽略不

10、計(jì)）3.3計(jì)算傳熱面積考慮15%的面積裕度A=（1+0.15）*A=183.13m2傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.1.管徑和管內(nèi)流速 列管式換熱器內(nèi)適宜流速的范圍：選用25*2.5的碳鋼傳熱管，取管內(nèi)流速u=1.5m/s4.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)4.2.1依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) (根)4.2.2按單程管算，所需傳熱管長(zhǎng)度為：4.2.3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)設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該換熱器管程數(shù)為： 管程總傳熱管根數(shù)NT = 92*4 = 368 根4.3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

11、形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列取管心距t=1.25d0 則t=1.25*25=31.2532mm橫過(guò)管束中心線的管數(shù) 按照此方法計(jì)算得到的殼外徑應(yīng)圓整，標(biāo)準(zhǔn)尺寸如下表：8101214 所以壁厚取12mm 4.5.1折流擋板的主要作用是引導(dǎo)殼程流體反復(fù)的改變方向做錯(cuò)流流動(dòng)，以加大殼程流體流速和湍動(dòng)速度，致使殼程對(duì)流傳熱系數(shù)提高。選擇水平圓缺形折流板，切去的弓形高度為外殼內(nèi)徑的25.0%（圓缺率的范圍一般為15%45%），即為：800*25%=200mm。 折流板的間距，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50mm。 折流板的最大無(wú)支撐間距如表所示

12、：換熱管外徑（mm）141619253238最大無(wú)支撐間距(mm)1100130015001850220025004.5.4折流板的厚度可由下表得出：(參考文獻(xiàn)：化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè) 朱有庭，曲文海主編)公稱直徑DN（mm）換熱管無(wú)支撐跨距<3003006006009009001200120015001500折流板的最小厚度(mm)<4003458101040070045610101270090056810121690015006810121616所以取厚度為16mm4.6接管4.6.1殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)油品油速為u=1.5m/s 則接管內(nèi)徑為取標(biāo)準(zhǔn)管徑為190mm4.7

13、拉桿和定距管 為了使折流板能牢固地保持在一定的位置上，通常采用拉桿和定距管。根據(jù)查閱上表，應(yīng)選擇的拉桿直徑為12mm，拉桿數(shù)量為8，定距管（參考文獻(xiàn)化工設(shè)備手冊(cè)）4.8管板厚度 管板在換熱器制造成本中中占有相當(dāng)大的比重，管板設(shè)計(jì)與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，而且從不同角度出發(fā)計(jì)算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足密封性即可。對(duì)于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚度可按下表選用?？紤]到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露以及引起振動(dòng)等原因，建議最小厚度應(yīng)大于20mm 。換熱管外徑為25mm，因而

14、管板厚度取，取上述的最小厚度20mm 。4.9封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小（一般小于400mm）的殼體，圓形用于大直徑的殼體。由公式得：則有效壁厚為根據(jù)JB/T4737-2002標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭為DN1000×8,曲面高度h1=250mm,直邊高度h2=25mm，如圖1-1所示，材料選用20R鋼。橢圓形封頭直邊高度h的選用封頭材料碳素鋼、普通低合金鋼、復(fù)合鋼板不銹鋼、耐酸鋼封頭厚度4810182039101820直邊高度h2540502540504.10緩沖擋板 它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。4.11放氣孔、

15、排液孔 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。4.12膨脹節(jié) 膨脹節(jié)又稱補(bǔ)償圈。膨脹節(jié)的彈性變形可 減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體的溫差低于70且殼方的流體壓強(qiáng)不高于600KPa的情況。 本設(shè)計(jì)采取波形膨脹節(jié)：（通過(guò)查表得到如下數(shù)據(jù)）波形外徑為：125mm波高h(yuǎn) =35mm圓弧半徑R=4mm厚度8mm長(zhǎng)度L=4R+5S=76Dw=800+2S+2h=894mm4.13脹接脹接的最少長(zhǎng)度為:管板的名義厚度減少3mm50mm兩倍的換熱管直徑2*25=50mm所以脹接最少長(zhǎng)度為50mm,且管板兼作法蘭，便于清洗。4.14密封墊圈內(nèi)徑D1=420mm外徑D2=250mm

16、厚度T=1.5mm五換熱器核算5.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)5.1.1對(duì)圓缺型折流板，可采用克恩公式（見化工原理課程設(shè)計(jì)第二版書45頁(yè)）5.1.2當(dāng)量直徑d0可由正三角形排列得到：5.1.3殼程流體截面積S0 = B*D*（1- d0/t ）= 0.25*0.8*(1-0.025/0.032) = 0.044m25.1.4殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為：普朗克常數(shù) 5.1.5粘度校正 5.2管程對(duì)流系數(shù)（水被加熱時(shí)n取0.4）管程流通截面積5.2.2管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：5.2.3普朗克常數(shù)5.3傳熱系數(shù)K5.4傳熱面積該換熱器實(shí)際傳熱面積Ap該換熱器面積裕度5.5計(jì)算壓強(qiáng)降5.5.1管程流動(dòng)阻力

17、， 由，傳熱管相對(duì)粗糙度，查莫狄圖 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。5.5.2殼程阻力，流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過(guò)折流板缺口的阻力總阻力 殼程流動(dòng)阻力也比較合適。從上面計(jì)算可知，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)降均滿足題設(shè)要求，故所選換熱器合適。六工藝計(jì)算結(jié)果匯總表7 后記課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)： 化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)個(gè)人綜合運(yùn)用本門課程及相關(guān)課程的基本知識(shí)，去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練，也是對(duì)我們每個(gè)人獨(dú)立工作能力的挑戰(zhàn)。 經(jīng)過(guò)幾周的奮戰(zhàn)，終于完成了一個(gè)還算比較滿意的“作品”，這些天過(guò)得很是充足，雖然臨近期末，各種考試接踵而至，雖然手頭上的事情多得簡(jiǎn)直會(huì)忘記呼吸，但是看見自己的勞動(dòng)成果，心里的感覺難以言表。說(shuō)實(shí)話，原本只是把它當(dāng)做一門作業(yè)，隨隨便便敷衍了事就行，可是在完成的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)開始逐漸對(duì)它產(chǎn)生興趣，并且日漸濃厚。在這次完成設(shè)計(jì)的過(guò)程中 我嚴(yán)重的看見了自己的不足，自己有很多的知識(shí)漏洞，自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還需提高，同時(shí)書本上的知識(shí)也需要得到鞏固，還有就是不懂得變通始終是不可行的，會(huì)多走很多彎路。 對(duì)我而言，知識(shí)上的收獲重要，精神上的豐收更叫人欣喜。課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我明白了要事實(shí)卻是，不管什么知識(shí)還是得腳踏實(shí)地的去學(xué)習(xí)，謙虛謹(jǐn)慎是萬(wàn)萬(wàn)不可缺少的。 在這次課程設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更