列管式換熱器課程設(shè)計(jì)

1、成 績 華北科技學(xué)院環(huán)境工程系化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目 列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)和選用 學(xué)生姓名 張森 學(xué) 號(hào) 201101034210 指導(dǎo)老師 高麗花 專業(yè)班級(jí) 化工B112班 教師評(píng)語 設(shè)計(jì)時(shí)間：2013年12月9日至2013年12月20日前言 列管式換換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它已經(jīng)被當(dāng)成一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱器設(shè)備在很多部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占20%，在煉油廠約占35%40%。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)

2、計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱原理的研究也十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。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，不同換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。完善的換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)要求： （1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。具

3、體方法有：增大傳熱系數(shù)、提高平均溫差、妥善布置傳熱面等。 （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)遵照我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與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)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。（3） 有利于安裝、操作與維修（4）經(jīng)濟(jì)合理評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為一年）固定費(fèi)用（設(shè)備的購置費(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。設(shè)計(jì)題目：列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)和選用一、 設(shè)計(jì)條件煉油廠用原油將柴油從175冷卻到130。柴油流量為12500kg/h；原油初溫為70，經(jīng)換熱后升溫到110。換熱

4、器的熱損失可忽略。管、殼程阻力壓降均不大于30kPa。污垢熱阻均取0.0003m2/W。試設(shè)計(jì)能完成上述任務(wù)的列管式換熱器。二、設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容1、目錄；2、設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù)（任務(wù)書）；3、論述換熱器總體結(jié)構(gòu)（換熱器型式、主要結(jié)構(gòu)）的選擇；4、換熱器加熱過程有關(guān)計(jì)算（物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換熱器型號(hào)、殼體直徑等）；5、設(shè)計(jì)結(jié)果概要（主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等）；6、參考文獻(xiàn)7、圖紙（1張，A3、紙打?。?、附圖目 錄一、確定設(shè)計(jì)方案61.1選擇換熱器類型61.2流徑安排61.3 確定物性數(shù)據(jù)61.3.1定性溫度的確定61.3.2流體有關(guān)物性數(shù)據(jù)6二、估算傳熱面積72.1 熱負(fù)荷的計(jì)算7

5、2.2 平均傳熱溫差72.3 估K值82.4由K值估算傳熱面積82.5冷流體用量8三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸93.1 管徑、管長、管數(shù)93.1.1管徑的選取93.1.2管長及傳熱管數(shù)的確定93.2 確定管子在管板上的排列方法式103.3 殼體內(nèi)徑的計(jì)算103.4 折流檔板113.5 計(jì)算殼程流通面積及流速113.6 計(jì)算實(shí)際傳熱面積113.7 附件11四、換熱器型號(hào)確定12 五、換熱器核算135.1熱量核算135.1.1殼程表面對(duì)流傳熱系數(shù)135.1.2管程表面對(duì)流傳熱系數(shù)145.1.3污垢熱阻和管壁熱阻155.1.4總傳熱系數(shù)K155.1.5 傳熱面積裕度155.2核算換熱器內(nèi)流體的壓力降165.2.

6、1管程壓力降165.2.2殼程壓力降：165.3 壁溫核算17六、結(jié)果概要19七、輔助設(shè)備計(jì)算及選型207.1殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計(jì)217.1.1壁厚的確定217.1.2 進(jìn)出口設(shè)計(jì)217.1.3、排氣、排液管217.3.換熱管217.3.1換熱管的規(guī)格217. 3.2換熱管排列方式217.3.3管程分程227.4.殼體和管板、管板與換熱管的連接227.5 折流板和防沖板227.5.1折流板的形式（見附圖）227.6拉桿和定距管227.6.1拉桿的尺寸和結(jié)構(gòu)（附錄五）227.6.2定距管22八、數(shù)據(jù)總結(jié)23參考文獻(xiàn)24附圖 一、管板 二、管排列形式 三、殼體和管板、管板和換熱器的連接 四、

7、折流板和管板間距 五、拉桿及選用尺 六、六管程換熱器側(cè)視圖一、確定設(shè)計(jì)方案1.1選擇換熱器類型兩流體的溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度為175，出口溫度為130；冷流體進(jìn)口溫度為70，出口溫度為110。從兩流體的溫度來看，估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差大于50，因此初步確定選用浮頭式換熱器。1.2流徑安排原油粘度較大走殼程，柴油粘度較小走管程。1.3 確定物性數(shù)據(jù)1.3.1定性溫度的確定可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。管程柴油的定性溫度為T = 殼程原油的定性溫度為 t = 1.3.2流體有關(guān)物性數(shù)據(jù)表1-1 物性數(shù)據(jù)（注意用三線格）物料密 度Kg/m3粘 度Pa.s比熱容kJ/(kg. )導(dǎo)熱系

8、數(shù)W/(m. )原油8153×10-32.20.128柴油7150.64×10-32.480.133二、估算傳熱面積2.1 熱負(fù)荷的計(jì)算2.2 平均傳熱溫差先按照純逆流計(jì)算，根據(jù)化工原理，公式5-39，平均傳熱溫差校正系數(shù)由R、P值，查圖5-11（a）得：溫度校正系數(shù)為：=0.94tm= =67.5×0.93=63.5( )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。2.3 估K值由于管程氣體壓力較高，故可選較大的總傳熱系數(shù)。初步設(shè)定設(shè)W·m-2·-12.4由K值估算傳熱面積根據(jù)化工原理，則估算的傳熱面積為 m2

9、2.5冷流體用量原油的質(zhì)量流量：Qo = Qi = qmo Cpo (t2t1) 3.875×105 = qmo×2.2×（11060） qmo = 12682kg/h三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.1 管徑、管長、管數(shù)3.1.1管徑的選取目前試行的管殼式換熱器系列只采用兩種管徑規(guī)格的換熱器。對(duì)于易結(jié)垢或不潔凈的流體，可選擇大管徑。由于柴油是易結(jié)垢流體，因此，選用25×2.5mm的傳熱管(碳鋼管)；由傳熱傳質(zhì)過程設(shè)備設(shè)計(jì)P7表13得管殼式換熱器中常用的流速范圍的數(shù)據(jù)，可設(shè)柴油流速ui0.9m/s，用u i計(jì)算傳熱膜系數(shù)，然后進(jìn)行校核。3.1.2管長及傳熱管數(shù)的確定依

10、化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)(根)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為 m按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 l= 4.5m ，則該換熱器管程數(shù)為：Np=L / l=25.4/4.56（管程） 傳熱管總根數(shù) ：n = 18×6= 108（根）3.2 確定管子在管板上的排列方法式采用組合排列法，即每程內(nèi)均按旋轉(zhuǎn)45°正四邊形排列，其優(yōu)點(diǎn)為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查化工原理 管間距，取管間距：mm 由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，隔板中心到離其最近

11、一排管中心距離mm取各程相鄰管的管心距為32mm。3.3 殼體內(nèi)徑的計(jì)算 殼體內(nèi)徑取決于傳熱管數(shù)N、排列方式和管板利用率。采用多管程結(jié)垢，計(jì)算式如下： 其中管板利用率的值與管子排列方式及管程數(shù)有關(guān)。設(shè)計(jì)采用正方形排列，四管程，所以在0.450.65，取管板利用率=0.45，mm , 查閱化工原理熱交換器，取Di =600mm。3.4 折流檔板采用弓形折流板，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=0.25×600=150 mm ，故可取h=150 mm。取折流板間距z=150 mm。取板間距z150mm，則：折流板數(shù) 塊折流板圓缺面水平裝配3.5 計(jì)算殼程流通面

12、積及流速殼程流通截面積，由流體力學(xué)與傳熱得So = zD(1)=0.15×0.6×（1）0.0197 m2殼程原油的流速： qmo = 12682kg/h uo =0.219m/s3.6 計(jì)算實(shí)際傳熱面積換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp Sp=3.14×0.025×4.5×108= 38.2m23.7 附件拉桿數(shù)量：直徑為16mm的拉桿4根。四、確定設(shè)計(jì)方案4.1 選擇換熱器的類型 目前，應(yīng)用較為廣泛的列管式換熱器為固定管板式換熱器和浮頭式換熱器。固定管板式換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)構(gòu)簡單；在相同的的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比

13、較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以不能用于殼程易結(jié)垢和不清潔的流體。而且當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于60和殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)，由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，會(huì)失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｒ蚨?，本次設(shè)計(jì)不宜采用固定管板式。而浮頭式換熱器則針對(duì)固定管板式的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。兩端管板只有一端與殼體固定，另一端則可相對(duì)于殼體作某些移動(dòng)，該端稱之為浮頭。換熱管束膨脹不受殼體約束，所以殼體與管束之間不會(huì)由于膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時(shí)，僅需將管束從殼體中抽出即可，所以能適用于管殼壁溫間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。由于本設(shè)計(jì)為油品換熱器，溫差較大和要便于清洗殼程污垢，所以采用Fe

14、系列的浮頭式列管換熱器為宜。采用折流擋板，可使作為被冷卻的原油易形成湍流，可以提高對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，提高傳熱效率。4.2 流程安排柴油溫度高，走管程可減少熱損失，原油黏度較大，走殼程在較低的Re數(shù)時(shí)即可達(dá)到湍流，有利于提高其傳熱膜系數(shù)。五、換熱器核算5.1熱量核算5.1.1殼程表面對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)于圓缺形折流板，可采用克恩公式。由化工原理得 其中： 粘度校正為=1.05 當(dāng)量直徑，管子為正方形排列時(shí)，依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)得m殼程流通截面積，由流體力學(xué)與傳熱P164，公式4-62，得：So = BD(1)=0.15×0.6×（1）0.0197m2殼程冷卻水的流速及其雷

15、諾數(shù)分別為uo =0.219 m/sReo1597普朗特準(zhǔn)數(shù)（<傳熱傳質(zhì)過程設(shè)備設(shè)計(jì)>P26，公式1-43）Pro =51.6因此，殼程水的傳熱膜系數(shù)為 =385.5W/(m2·)5.1.2管程表面對(duì)流傳熱系數(shù)由流體力學(xué)與傳熱得其中：管程流通截面積 Si=0.0057m2 管程空氣的流速及其雷諾數(shù)分別為ui =0.85m/sRei18992 普朗特準(zhǔn)數(shù)Pri =11.93因此，管程空氣的傳熱膜系數(shù)為W/(m2·)5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻l 污垢熱阻Rso、Rsi均為0.0003m2··W-15.1.4總傳熱系數(shù)K因此，依化工單元過程及設(shè)備

16、課程設(shè)計(jì)P71，公式3-21 211W/ (m2·) 所以換熱器的安全系數(shù)為：5.1.5 傳熱面積裕度依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P75，公式3-35：QiSitm得： SiQi/(tm)28.9m2該換熱器的實(shí)際傳熱面積SpSp=3.14×0.025×4.5×108= 38.2m2依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P76，公式3-36該換熱器的面積裕度為=32.2%5.2核算換熱器內(nèi)流體的壓力降5.2.1管程壓力降 由，取管壁粗糙度，則相對(duì)粗糙為，查莫狄圖得 總壓降：<30KPa（符合設(shè)計(jì)要求)注：Ft為管程結(jié)垢校正系數(shù)量綱為一； Ns為串聯(lián)的殼程數(shù)，

17、單殼程取1。 5.2.2殼程壓力降： 管子為轉(zhuǎn)角正方形排列，F(xiàn)=0.4 取，折流板間距；折流擋板數(shù)；殼程流通面積；殼程流速；>500。 所以， 總壓降： 注：Fs為殼程壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，對(duì)于液體取1.15。計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設(shè)計(jì)條件。5.3 壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P77，公式3-42計(jì)算。由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作早期，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)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。于是按式3-42有

18、式中，液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度Tm分別按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P77，公式3-44、3-45計(jì)算Tm=0.4×175+0.6×130=148tm=0.4×60+0.6×110=90 385.5W/ (m2·) 852.0W/ (m2·)傳熱管平均壁溫=129.9 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 t=129.985 =44.9 六、結(jié)果概要浮頭式換熱器（JB/T 4714-92-600-54.4-25-6I）主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表6-1和表6-2。表6-1 浮頭式換熱器

19、（JB/T 4714-92-600-54.4-25-6I）主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑，mm600殼程數(shù)1管徑，mm管心距，mm32管長，mm4500管子排列正方形旋轉(zhuǎn)45°管數(shù)目，根108折流板數(shù)29傳熱面積，38.2折流板間距，mm150管程數(shù)6材質(zhì)碳鋼表6-2浮頭式換熱器（JB/T 4714-92-600-54.4-25-6I）計(jì)算結(jié)果主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速，m/s0.850.219表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·）852.0385.5污垢系數(shù)，m2·K/W0.00030.0003阻力降，Pa299425053熱流量，kw387.5傳熱溫差，

20、K63.5傳熱系數(shù)，W/（m2·）211裕度32.2七、輔助設(shè)備計(jì)算及選型7.1殼體、管箱殼體和封頭的設(shè)計(jì) 7.1.1壁厚的確定 a.殼體壁厚的確定 浮頭式換熱器，殼體用碳素鋼，殼體的公稱直徑為800mm，查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，殼體壁厚為10mm。 b.管箱殼體厚度 浮頭式換熱器，殼體的公稱直徑為800mm，材料為16MnR，查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，管箱厚度為10mm。 c.封頭 按JB/T 471492選擇，左側(cè)封頭長度400mm，右側(cè)為150mm。7.1.2 進(jìn)出口設(shè)計(jì) a.接管外伸長度 接管法蘭面到殼體外壁的長度： 查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，取長度為150mm。 b.接管和筒體、管箱殼體的連接

21、接管和筒體、管箱殼體（包括封頭）連接的結(jié)構(gòu)類型， 采用插入式焊接結(jié)構(gòu)。一般接管不得突出于殼體的內(nèi)表面，本次 設(shè)計(jì)不另行補(bǔ)強(qiáng)。殼體接口內(nèi)徑100mm，管程接口為150mm， 壁厚10mm。7.1.3、排氣、排液管 為提高傳熱效率，排除或回收工作殘液（汽）及凝液，在殼程，管程的最高，最低點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)排液，排氣接管。排氣。排液管接口一般不小于15mm。7.2.管板尺寸查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，在管程、殼程設(shè)計(jì)壓力相同的情況下取b=48mm，bf=38mm，C=14.5mm，D1=930mm ， D2=855mm ， D3=797mm， D4=842mm，D5=800mm，d2=23mm， DN=800mm，

22、 7.3.換熱管7.3.1換熱管的規(guī)格 換熱管選擇碳鋼制GB/T-8163，管徑為。7. 3.2換熱管排列方式換熱管以正四邊形排列，管中心距為32mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距為44mm7.3.3管程分程 本次設(shè)計(jì)采用單殼程，六管程的分程方式。7.4.殼體和管板、管板與換熱管的連接連接方式見附圖7.5 折流板和防沖板7.5.1折流板的形式（見附圖）采用弓形折流板，圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，即折流板高度為600mm，折流板跨距為150mm，厚度為8mm。共計(jì)29個(gè)。7.6拉桿和定距管7.6.1拉桿的尺寸和結(jié)構(gòu)（附錄五） 查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，由換熱管直徑25mm，選擇拉桿直徑16mm，拉桿尺 寸La=20mm，Lb=60mm，b=2.0mm，拉桿數(shù)量為4。拉桿