化工原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器課程設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)題 目列管式換熱器課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師 成績 評閱教師姓名班級 化 機(jī) 學(xué)號完成時(shí)間 2014年9月 目錄一、化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書.2二、確定設(shè)計(jì)方案.21.選擇換熱器的類型2.管程安排3、 確定物性數(shù)據(jù).34、 估算傳熱面積.3 1.熱流量 2.平均傳熱溫差3. 傳熱面4. 冷卻水.5、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.5 1.管徑和管內(nèi)流速 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 3.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 4.傳熱管排列和分程方法 5.殼體內(nèi)徑 6.折流擋板 7.其他附件 8.接管6、 換熱器核算.7 1.熱流量核算 2.壁溫計(jì)算 3.換熱器內(nèi)流體的流動阻力7、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).141.固定管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 管

2、箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì)3. .管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4. 固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5. 外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設(shè)計(jì) 6. 外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7. 墊片選擇 8. 折流板布置 9. 說明8、 強(qiáng)度計(jì)算. .161.筒體壁厚計(jì)算2. 外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計(jì)算3. 管箱短節(jié)、封頭厚度計(jì)算 4. 管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)校核.5. 殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核9、 設(shè)計(jì)心得. .2110、 參考文獻(xiàn).22一、化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書某生產(chǎn)過程中，需用循環(huán)冷卻水將有機(jī)料液從102冷卻至40。已知有機(jī)料液的流量為（2.50.01×24）×104 =2.26×104 kg/h，循環(huán)冷卻水入口溫度為30，

3、出口溫度為40，并要求管程壓降與殼程壓降均不大于60kPa，試設(shè)計(jì)一臺列管換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。已知：定性溫度下流體物性數(shù)據(jù)物性流體密度 kg/m3粘度Pa·s比熱容CPkJ/（kg·）導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·）有機(jī)化合液 986 0.54*10-34.190.662水 9940.728*10-34.1740.626注：若采用錯(cuò)流或折流流程，其平均傳熱溫度差校正系數(shù)應(yīng)大于0.8 。二、確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型兩流體的溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度102，出口溫度40；冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度40，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會降低，考慮到

4、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，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。2.管程安排已知兩流體允許壓強(qiáng)降不大于60kPa；兩流體分別為有機(jī)料液和冷卻水。與有機(jī)料液相比，水的對流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)使循環(huán)冷卻水走管程，而使有機(jī)料液走殼程。三、確定物性數(shù)據(jù)定型溫度：對于一般低粘度和水等粘度低流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口的平均值。故殼程有機(jī)料液的定性溫度為管程流體的定性溫度為根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。有機(jī)料液在71下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度定壓

5、比熱容熱導(dǎo)率粘度循環(huán)水在35下的物性數(shù)據(jù)：密度定壓比熱容熱導(dǎo)率粘度四、估算傳熱面積1.熱流量2. 平均傳熱溫差暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)，=-=102-40=62；=-=40-30=10平均傳熱溫差為3. 傳熱面積設(shè)總傳熱系數(shù)為K0=500 W/(m.K)則所需的傳熱面積為S=Q/(K0tm)=1630000/(500×21.3)=153m24.冷卻水的用量五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用的碳鋼管，初步選用管內(nèi)流速 m/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)按照單程管設(shè)計(jì)，所需的傳熱管長度為取L=12m，按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程

6、結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，才用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長則該換熱器的管程數(shù)為傳熱管總根數(shù)為3.傳熱平均溫差校正與殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)：按單殼程，雙殼程結(jié)構(gòu)，查圖4-19b 單殼程的溫差校正系數(shù)可得：平均傳熱溫差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，故殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法換熱管標(biāo)準(zhǔn)排列形式有以下幾種：本設(shè)計(jì)中采用正三角形排列.在上述幾種排列中，a、d排列更為合理，因?yàn)樵谙嗤哿靼彘g距條件下，其流通截面比其他兩種要大，有利于提高流速。故本換熱器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列。隔板中心到離其最近一排管中心距各程相鄰管的管心距為4

7、4mm。5.殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行殼體內(nèi)徑計(jì)算。取管板的利用率，則殼體內(nèi)徑為：按照卷制殼體的進(jìn)級檔，可取D=700mm。筒體的直徑校核計(jì)算：殼體的內(nèi)徑殼體應(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：，因?yàn)?，管子按正三角形排列，管?shù)：取按照殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸進(jìn)行圓整可得：6.折流擋板采用圓缺形折流擋板，去折流擋板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為故，可圓整取取折流板的間距。折流板數(shù)7.其他附件拉桿數(shù)量與直徑選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為700mm，故其拉桿直徑為12拉桿，數(shù)量為8，8.接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為，則接

8、管內(nèi)徑為：m圓整后得到管內(nèi)徑為：管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速，則接管內(nèi)徑為：圓整后得到管內(nèi)徑為：六、換熱器核算1.熱流量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用凱恩公式當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準(zhǔn)數(shù)粘度校正（2）管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積:管程流體流速 :普蘭特準(zhǔn)數(shù):（3）污垢熱阻和管壁熱阻：取殼程污垢熱阻: 取管程污垢熱阻: 該件下的熱導(dǎo)率為45w/(m·K)。所以（4）傳熱系數(shù)有：因?yàn)?，介?.12至1.5之間符合要求。（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:綜上所

9、述，傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.壁溫計(jì)算因?yàn)楣鼙诤鼙?，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式?jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為15，出口溫度為40計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管外側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。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)算中，應(yīng)該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。于是有：式中循環(huán)水的平均溫度和有機(jī)料液的平均溫度分別計(jì)算為0.4×40+0.6×15=25=298 K(102+40)

10、/2=71 =344 K4716.1w/·K1377w/·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=344K。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為。該溫差較小，故不需設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。3換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流體阻力 , ,由Re=26762,傳熱管對粗糙度 查莫狄圖得，流速=0.98m/s, 所以：所以，管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2） 殼程阻力：則：由此可知本換熱器符合要求。注：折流板數(shù)目；B折流板間距, m；Di 殼體內(nèi)徑, m；F管子排列方式對壓力降的校正因數(shù), 對于正三角形排列, f0殼程流體的摩擦系數(shù)。nc橫過管束中心線的管數(shù),管子按正三角形

11、排列: nc = 1 . 1 N ；管子按正方形排列: nc = 1 . 19；u0 殼程流體橫過管束的最小流速, m /s ,² 設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)管程（循環(huán)水）殼程（有機(jī)料液）流量（kg/h）140632.522600進(jìn)/出口溫度/30/40102/40壓降/kPa<60<60物性定性溫度/3571密度/（kg/m3）994986定壓比熱容/kJ/（kg）4.1744.19粘度/（Pas）0.728×0.54×熱導(dǎo)率（W/m）0.6260.662普朗特?cái)?shù)4.853.42設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式管程數(shù)2殼體內(nèi)徑/700殼程數(shù)1管徑/25×2.5

12、管心距/44管長/6000管子排列混合管數(shù)目/根250折流板數(shù)/個(gè)10傳熱面積/153折流板間距/550管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.980.08表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（k）4716.11377污垢熱阻/（k/W）0.00040.0002阻力/ Pa10424.4303.7熱流量/kW1630傳熱溫差/K28.4傳熱系數(shù)/W/（K）562裕度/%7.9%七、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、固定管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：由于換熱器的內(nèi)徑已確定，采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑?jīng)Q定固定管板外徑及各結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)構(gòu)尺寸為：固定管板外徑：固定管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙：取墊片寬度：按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）:表4

13、-16：取固定管板密封面寬度：外頭蓋內(nèi)徑：2、管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì)：依工藝條件：管側(cè)壓力和殼側(cè)壓力中的高值，以及設(shè)計(jì)溫度和公稱直徑700，按JB4703-92長頸對焊法標(biāo)準(zhǔn)選取。并確定各結(jié)構(gòu)尺寸，見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）。3、管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：選用B型封頭管箱，因換熱器直徑較大，且為二管程，其管箱最小長度可不按流道面積計(jì)算，只考慮相鄰焊縫間距離計(jì)算：取管箱長為800mm，管道分程隔板厚度取7mm。4、固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：依據(jù)選定的管箱法蘭，管箱側(cè)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸，確定固定端管板最大外徑為：D=806mm。5、外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設(shè)計(jì)：依工藝條件，殼側(cè)壓力、溫度及

14、公稱直徑；按JB4703-93長頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取并確定尺寸。6、 外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：外頭蓋軸向尺寸由固定管板、法蘭及強(qiáng)度計(jì)算確定厚度后決定。7、墊片選擇：a.管箱墊片：根據(jù)管程操作條件（循環(huán)水壓力，溫度35）選石棉橡膠墊。結(jié)構(gòu)尺寸如化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-39（b）所示： b.外頭蓋墊片：根據(jù)殼程操作條件（有機(jī)料液，壓力，溫度71），選纏繞式墊片，墊片：（JB4705-92）纏繞式墊片。8、折流板布置：折流板尺寸：外徑：；厚度取3mm前端折流板距管板的距離至少為450mm；結(jié)構(gòu)調(diào)整為550mm；見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）實(shí)際折流板間距B=55

15、0mm，計(jì)算折流板數(shù)為10塊。9、說明:在設(shè)計(jì)中由于給定壓力等數(shù)及公稱直徑超出JB4730-92，長頸對焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)范圍，對殼體及外頭蓋法蘭無法直接選取標(biāo)準(zhǔn)值，只能進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算。八、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 1、筒體壁厚計(jì)算：由工藝設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)溫度71，設(shè)計(jì)壓力等于工作壓力為5471，選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16卷制，查得材料71時(shí)許用應(yīng)力。取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=1mm；對16鋼板的負(fù)偏差=0內(nèi)壓圓筒計(jì)算厚度公式： =從而：計(jì)算厚度：=mm設(shè)計(jì)厚度：mm名義厚度：圓整取有效厚度：水壓試驗(yàn)壓力：所選材料的屈服應(yīng)力水式實(shí)驗(yàn)應(yīng)力校核：水壓強(qiáng)度滿足試驗(yàn)壓力： 2、外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計(jì)算：外頭蓋內(nèi)徑=80

16、0mm，其余參數(shù)同筒體：短節(jié)計(jì)算壁厚： S=短節(jié)設(shè)計(jì)壁厚：短節(jié)名義厚度：圓整取=22mm有效厚度：壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核：壓力試驗(yàn)滿足試驗(yàn)要求。外頭蓋封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭：封頭計(jì)算壁厚： S=封頭名義厚度：取名義厚度與短節(jié)等厚： 3、管箱短節(jié)、封頭厚度計(jì)算：由工藝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)溫度為35，設(shè)計(jì)壓力為18.786M，選用16MnR鋼板，材料許用應(yīng)力，屈服強(qiáng)度，取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=1mm計(jì)算厚度： S=設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：結(jié)合考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要取有效厚度：壓力試驗(yàn)強(qiáng)度在這種情況下一定滿足。管箱封頭取用厚度與短節(jié)相同，取4、管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)校核開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，接管尺寸為

17、，考慮實(shí)際情況選20號熱軋?zhí)妓劁摴埽?1mm 接管計(jì)算壁厚：mm接管有效壁厚：開孔直徑：接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度： B=2d=2363.7=727.4mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：需補(bǔ)強(qiáng)面積：A=dS=363.71.94=705.6可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積：該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。5、殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核：開孔校核采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法。選取20號熱軋?zhí)妓劁摴茕摴茉S用應(yīng)力：，=1mm接管計(jì)算壁厚：接管有效壁厚：開孔直徑：接管有效補(bǔ)強(qiáng)厚度： B=2d=2306.6=613.2mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：需要補(bǔ)強(qiáng)面積： A=d=306.635.75=10960.95可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為：尚需另加補(bǔ)強(qiáng)的面積為

18、：補(bǔ)強(qiáng)圈厚度：實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體等厚：；則另行補(bǔ)強(qiáng)面積：同時(shí)計(jì)算焊縫面積后，該開孔補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度的足夠。6、固定管板計(jì)算：固定管板厚度設(shè)計(jì)采用BS法。假設(shè)管板厚度b=100mm?？倱Q熱管數(shù)量 n=256；一根管壁金屬橫截面積為：開孔溫度削弱系數(shù)（雙程）：兩管板間換熱管有效長度(除掉兩管板厚)L取6850mm計(jì)算系數(shù)K： K=3.256接管板筒支考慮，依K值查化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)出版社：圖4-45，圖4-46，圖4-47得：管板最大應(yīng)力:或筒體內(nèi)徑截面積：管板上管孔所占的總截面積：系數(shù)系數(shù)殼程壓力：管程壓力:當(dāng)量壓差：管板采用16Mn鍛：換熱管采用10號碳系鋼：管板管子程度校核：管板計(jì)算

19、厚度滿足強(qiáng)度要求。課程設(shè)計(jì)心得為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束了，根據(jù)老師的要求，我們要設(shè)計(jì)列管式換熱器。在短短的一周里，大家都忙著找資料、討論，努力將自己的設(shè)計(jì)做得最好。時(shí)間雖短，卻受益匪淺。首先，這次雖然是一周時(shí)間段的課程設(shè)計(jì)，但所用到的知識很多，包括化工原理、工程熱力學(xué)、工程流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制圖等方面的知識。并且，這些知識都不是機(jī)械相加的，而是需要很全面的考慮和布局，僅僅是一次的考慮不周就要重新來過。例如，傳熱系數(shù)的計(jì)算，因?yàn)橐c在設(shè)計(jì)開始時(shí)估計(jì)的值匹配，而我剛開始的時(shí)候選的是300，一直算到最后才發(fā)現(xiàn)結(jié)果錯(cuò)誤。之后我將K值定為500，后來結(jié)果還是錯(cuò)誤的。我請教別的同學(xué)，又很仔細(xì)分析了影響K值的因素才知道，估計(jì)的速度太大了。在我將假設(shè)速度由1.3m/s改為1m/s之后，一切就迎刃而解了。其次，這次課程設(shè)計(jì)還考驗(yàn)了我們的團(tuán)隊(duì)合作精神，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。這次課程設(shè)計(jì)的工作量大，而且用到的知識也很多。雖然這是單獨(dú)完成的設(shè)計(jì)，但我們要借閱資料，好要討論，這樣才能夠發(fā)現(xiàn)自己的不足，改正錯(cuò)誤，得出較合理的方案。接著