換熱器課程設(shè)計83247

1、化工原理課程設(shè)計 純苯液體冷卻器前言化工原理是在研究化學(xué)工業(yè)共性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。本課程屬于技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要研究化工生產(chǎn)中的物理加工過程，按其操作原理的共性歸納成若干個“單元操作”，研究對象由過程和設(shè)備兩部分組成?；ぴ碚n程設(shè)計是化工原理教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，是完成以單元操作為主的一次設(shè)計實(shí)踐。通過課程設(shè)計使學(xué)生掌握化工設(shè)計的基本程序和方法，并在查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡潔文字和圖表表達(dá)設(shè)計結(jié)果、制圖以及計算機(jī)輔助計算等能力方面得到一次基本訓(xùn)練，在設(shè)計過程中可培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想和實(shí)事求是、嚴(yán)肅負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。本課程是化工原理課程教學(xué)的一個實(shí)踐環(huán)節(jié)，是使學(xué)生得到化工設(shè)計的初步

2、訓(xùn)練，為畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 換熱器按照結(jié)構(gòu)形式可分為：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器；U形管換熱器；填料函式換熱器。固定管板式換熱器由兩端管板和殼體構(gòu)成。由于其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)用比較廣泛,是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益。 編 者 于太原工業(yè)學(xué)院 目錄 第一章 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：純苯液體冷卻器二、設(shè)計條件：1、處理能力：14000kg

3、/h2、設(shè)備形式：列管式換熱器3、操作條件 流體 名稱 入口溫度 出口溫度 物料 苯（液） 80 60 加熱冷卻介質(zhì) 循環(huán)水 29 39 允許壓力將0.02Mpa 熱損失：按傳熱量的10%計算三、設(shè)計內(nèi)容1、前言2、確定設(shè)計方案（設(shè)備選型、冷卻劑選擇、換熱器材質(zhì)及載體流入空間的選擇）3、工藝設(shè)計初估換熱面積，并確定換熱器基本尺寸（包括管徑、管長、程數(shù)、每管程數(shù)、管子排列、壁厚、換熱器直徑、流體進(jìn)出管管徑等計算）4、換熱器核算、（1）核算總傳熱系數(shù)（傳熱面積）（2）換熱器內(nèi)流體的流動阻力校核（計算降壓）5、機(jī)械結(jié)構(gòu)選用（1）管板選用、管子在管板上的固定、管板與殼體連接結(jié)構(gòu)（2）封頭類型選用（3）

4、溫度補(bǔ)償裝置的選用（4）管法蘭選用（5）管、殼程接管6、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表7、結(jié)束語（包括對設(shè)計的自我評價及有關(guān)問題的分析討論）8、換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸（1#圖紙）9、參考資料目錄 第二章 固定管板式換熱器簡述 固定管板式換熱器概述固定管板式換熱器由兩端管板和殼體構(gòu)成。由于其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)用比較廣泛。固定管板式換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)

5、濟(jì)效益。固定管板式換熱器管程和殼程中，流過不同溫度的流體，通過熱交換完成換熱。當(dāng)兩流體的溫度差較大時，為了避免較高的溫差應(yīng)力，通常在殼程的適當(dāng)位置上，增加一個補(bǔ)償圈（膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。特點(diǎn)：固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，

6、管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn)：1、旁路滲流較?。?、鍛件使用較少，造價低；3、無內(nèi)漏；4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%30%。缺點(diǎn)：1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t50,當(dāng)t50時必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)；2、易產(chǎn)生溫差力，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；3、殼程無法機(jī)械清洗；4、管子腐蝕后連同殼體報廢，設(shè)備壽命較低。 第三章 純苯液體冷卻器設(shè)計內(nèi)容3.1 確定設(shè)計方案確定設(shè)計方案的原則：滿足工藝

7、和操作上的要求，確保安全生產(chǎn)，做到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的合理，及盡量節(jié)省設(shè)備和操作費(fèi)用。（1）選擇換熱器的類型1）兩流體的溫度變化情況：苯（熱流體）入口溫度為80，出口溫度為60；水（冷流體）入口溫度為29，出口溫度為39。從冷熱流體的溫度來看，換熱器的殼體溫度和管壁溫度二者的溫度差并不太大，初步確定選用固定管板式換熱器。2）冷熱流體井口溫度差80-29=51>50選用的固定管板式有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。 （3）管程安排查閱資料可知，不潔凈或易結(jié)垢的流體宜走便于清潔的管程，黏度大或者流量小流體的流體宜走殼程，溫度較高的流體應(yīng)在易散熱的流體宜走殼程。根據(jù)本設(shè)計的實(shí)際情況，水在操作溫度下平均黏度

8、較大，循環(huán)水易結(jié)垢，并且如果流速低的境況下，將會加快結(jié)垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，而苯為熱流體，大于苯在操作溫度下平均黏度故總體考慮，應(yīng)使水走管程，苯走殼程。 （4）流體參數(shù) 1） 定性溫度：對于低粘度的流體，其定性溫度可取流體進(jìn)、出溫度的平均值，所以苯和水的定性溫度如下： 苯的定性溫度：T=70 水的定性溫度：T=342）苯在定性溫度下的物性參數(shù)：密度 830.0kg/m³，比熱容 1.90kJ/(kg·)，導(dǎo)熱系數(shù) 0.335W/(m·），黏度 0.136×10-3 Pa·s。 3）水在定性溫度下的物性參數(shù)：密度994.3kg/m&#

9、179;，比熱容 4.17kJ/(kg·)，導(dǎo)熱系數(shù) 0.624W/(m·），黏度 0.737×10-3 Pa·s。3.2 估算傳熱面積（1）計算熱負(fù)荷 = (T1-T2)=×1.90×103 ×（80-60）=1.478×105W（2）冷卻水用量 = =3.19kg/s=11482 kg/h （3）傳熱平均溫度差 = = = 36（4）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫度校正系數(shù)的計算 R = = 2 P = = 0.196 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)查表可知 = 0.965 平均傳熱溫差 = = 0.965×3

10、6= 34.74 由于平均傳熱溫度校正大于0.8，同時殼程流體流量較大，故選取單殼程較為合適。 （5）初算換熱面積參照傳熱系數(shù)K的大致范圍為300K-800K，所以假設(shè)K = 600W/(·）則估算傳熱面積 A估= =6.38 3.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （1）管徑和館內(nèi)流速 選用25mm×2mm的無縫鋼管（碳鋼），取管內(nèi)流速1.1m/s。（2）總管數(shù)和管程數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計算，所需的傳熱管長度為取標(biāo)準(zhǔn)管長 L標(biāo) =3 m，所以傳熱管程數(shù)m=2傳熱總管數(shù)N = m Ns =14×2 = 28根所以總管數(shù)n=28+4=32根，即數(shù)據(jù)圓整為n

11、=36根（3）傳熱管排列和分程方法管程是雙程，所以采用組合排列法，每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。管子與管板采用焊接結(jié)構(gòu)。管心距取 PT= 1.25 = 1.25×25= 32 mm （4）殼體直徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，管板利用率 = 0.8 則殼體內(nèi)徑為：D = 1.05 =1.05×32×360.8= 225.39mm按殼體標(biāo)準(zhǔn)圓整數(shù)據(jù)取 D =273mm隔板中心到離其最近一排管中心距離（6）折流擋板采用弓形折流擋板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去圓缺高度為： h = 0.25×273=68.25mm取折流板間距 B =

12、150mm折流板數(shù) 3.4 換熱器計算校核 總傳熱系數(shù)核算 管程傳熱系數(shù) 流體被加熱 故W/(·）管外傳熱系數(shù) 管子按正三角形排列，傳熱當(dāng)量 殼程流通截面積 殼程流體流速 殼程中苯被冷卻，取 W/(·）管內(nèi)，外側(cè)熱阻分別取：·/W；·/W。已知管壁厚度b=0.002m;取碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·)?？倐鳠嵯禂?shù)K為 W/(·） 715-<50傳熱面積核算所需傳熱面積 前已算出換熱器的實(shí)際傳熱面積,則 ,故滿足生產(chǎn)要求。核算壓力降管程壓力降 已知：;；;(湍流)。對25mm×2mm的管子，；對于碳鋼管，取管壁相對粗糙度取 由

13、關(guān)系圖中查得 殼程壓力降已知：有 管子按正三角形排列 折流檔板間距 折流擋板數(shù) 殼程流通截面積 殼程流速 計算結(jié)果表明，管程與殼程的壓力降均能滿足設(shè)計要求。3.5換熱器相關(guān)設(shè)備的選用1) 換熱管的選擇 選用的是外徑 25mm，壁厚為2mm無縫鋼管。兩管程，公稱直徑D=219mm換熱器排列圖如下2) 定距管根據(jù)GB/TB163-2008.流體輸送用無縫鋼管，采用25mm×2mm的定距管，拉桿采用定距管結(jié)構(gòu)3) 管板與管子連接 管板與管子連接采用焊接法 4) 管箱的選擇因?yàn)镈N小于400mm,所以選用平蓋管箱5) 折流板間距S 折流板間距S=150mm6) 膨脹節(jié)的選用 選用U形膨脹節(jié)，

14、波的高度為70mm，圓弧半徑為22mm。7) 封頭的選用 上下兩端封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T 4737-95標(biāo)準(zhǔn)，封頭為：公 稱直徑DN為219mm,曲面高度h1=54.75mm，曲面高度h2=25mm，壁厚為8mm。8) 接管及法蘭的選用 根據(jù)流速選擇管徑 根據(jù)公式： 熱流體： 取 則： 冷流體： 取 則：1 管程流體進(jìn)出口接管用無縫鋼管，根據(jù)GB 6479標(biāo)準(zhǔn)，選外徑為60mm,壁厚為3.5mm的，配用法蘭PL60-0.25RF Q235A,采用HG20592標(biāo)準(zhǔn)。2 殼程流體進(jìn)出口接管用無縫鋼管，根據(jù)GB 6479標(biāo)準(zhǔn)，選外徑為50mm,壁厚為3.5mm的, 配用法蘭PL50

15、-0.25RF Q235A，采用HG20592標(biāo)準(zhǔn)。3 排氣口接管用無縫鋼管，根據(jù)GB 6479標(biāo)準(zhǔn)，選外徑為32mm,壁厚為2.5mm的，配用法蘭PL32-0.25RF Q235A，采用HG20592標(biāo)準(zhǔn)。4 排污口接管用輸送流體用無縫鋼管，根據(jù)GB 6479標(biāo)準(zhǔn)，選外徑為32mm,壁厚為2.5mm的，配用法蘭PL32-0.25RF Q235A，采用HG20592標(biāo)準(zhǔn)。9) 管板的選用 管板厚度40mm，用Q235A。10) 殼體厚度的確定殼體內(nèi)徑D=219，可選用壁厚為8mm.11) 支座的選用 選用鞍式支座，根據(jù)JB/T 4712-92標(biāo)準(zhǔn)，鞍座A273-F(S)。3.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)

16、尺寸和計算結(jié)果參數(shù)管程殼程流率/(kg/s)1.0470.538進(jìn)（出）口溫度/29(39)80(60)物性定性溫度/3470密度/(kg/m3)994.3862.4定壓比熱容/kj/kg4.1741.1880粘度/pa s0.0007420.00037熱導(dǎo)率/W/(m )0.6240.148普朗特數(shù)4.9634.7 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式固定管板式殼程數(shù)2殼體內(nèi)徑/mm219臺數(shù)1管徑/mm25×2管心距/mm32管長/mm4500管子排列正三角形管數(shù)目/根70折流板數(shù)/個22傳熱面積m26.939折流板間/mm200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.0470.53

17、8表/傳熱系數(shù)/W/(m2)4879.9401229.655 第4部分 主體裝置圖繪制（見圖紙） 第5部分 主要符號說明 P - 壓力，Pa - 熱阻，·/w N - 管數(shù)S - 傳熱面積， t（T） - 冷（熱）流體溫度，U - 流速,m/s - 對流傳熱系數(shù)，w/（·）D - 殼體內(nèi)徑 - 校正系數(shù) d - 管徑Q - 傳熱速率 - 粘度，Pa·s Re - 雷諾數(shù)K - 總傳熱系數(shù)，w/（·） Pr - 普朗特數(shù) 第6部分 結(jié)束語 從上述課程設(shè)計的結(jié)果不難看出，若要保證設(shè)計出的換熱器在K值假設(shè)與真實(shí)計算值之差、壓力差，面積富裕值等方面滿足要求，需假

18、設(shè)合適的K值、選用合適的標(biāo)準(zhǔn)管束及數(shù)目、擋板數(shù)、殼尺寸等等。 再通過這次課程設(shè)計，我們在以下幾個方面得到了培養(yǎng)和訓(xùn)練： （1）查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力。 （2）正確選用設(shè)計參數(shù)，樹立從技術(shù)上可行和經(jīng)濟(jì)上合理兩方面考慮的工程觀點(diǎn)，同時還需考慮到操作維修的方便和環(huán)境保護(hù)的要求。 （3）正確、迅速地進(jìn)行工程計算。設(shè)計計算是一個反復(fù)試算的過程，計算工作量很大，因此正確與迅速（含必要的編程能力）必需同時強(qiáng)調(diào)。 （4）掌握化工設(shè)計的基本程序和方法，學(xué)會用簡潔的文字和適當(dāng)?shù)膱D表表示自己的設(shè)計思想。 這次課程設(shè)計的訓(xùn)練讓我對自己的專業(yè)有了更加理性的認(rèn)識，這對我們的繼續(xù)學(xué)習(xí)是一個很好的指導(dǎo)方向，我們了解了工程設(shè)計的基本內(nèi)容，掌握了化工原理設(shè)計的主要程序和方法，增強(qiáng)了分析和解決工程實(shí)際問題的能力。同時，通 過 課 程 設(shè) 計，還 使 我 們 樹 立 正 確 的 設(shè) 計 思 想，培 養(yǎng) 實(shí) 事 求 是、嚴(yán) 肅 認(rèn) 真、高 度 負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，加強(qiáng)工程設(shè)計能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)更尤為重要。 最后，我還要感謝我們的指導(dǎo)老師對我們的教導(dǎo)與幫助，感謝老師的盡心盡力，感謝同學(xué)們的相互支持，與他們一起對一些問題的探討和交流讓我開拓了思路，也讓我