熱水冷卻器的設(shè)計

1、 華東交通大學(xué) 課程設(shè)計說明書 設(shè)計題目：熱水冷卻器的設(shè)計學(xué) 院： 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級： 應(yīng)用化學(xué)一班 學(xué)生姓名： 王業(yè)貴 學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 周枚花老師 完成日期： 2013.6.28 目錄任務(wù)書3一、設(shè)計題目：3二、設(shè)計目的：3三、設(shè)計任務(wù)及操作條件3四、設(shè)計內(nèi)容3五、課程設(shè)計說明書的內(nèi)容4六、主要參考書4七、設(shè)計時間 4前言5一、設(shè)計方案簡介61.1換熱器的選擇61.2設(shè)計概述71.3設(shè)計方案71.4管程安排8二、確定物性數(shù)據(jù)8三、主要工藝參數(shù)計算93.1熱負(fù)荷93.2平均傳熱溫差93.3冷卻水用量93.4初算傳熱面積93.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸10管徑和管內(nèi)流速10平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)

2、10傳熱管排列和分程方法11殼體直徑11折流板11接管12四、壓降核算124.1傳熱面積校核12管程傳熱膜系數(shù)12殼程傳熱膜系數(shù)13污垢熱阻和管壁熱阻14總傳熱系數(shù)K14傳熱面積校核144.2換熱器內(nèi)壓降的核算15管程阻力15殼程阻力16五、主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果17六、心得體會18七、參考文獻(xiàn)18八、附圖（工藝流程、主體設(shè)備工藝條件圖）18任務(wù)書一、設(shè)計題目： 熱水冷卻器的設(shè)計二、設(shè)計目的： 通過對熱水冷卻的列管式換熱器設(shè)計，達(dá)到讓學(xué)生了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念愋停瑫r還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力。三、設(shè)計任務(wù)

3、及操作條件1.處理量t/a熱水2.設(shè)備型式列管換熱器 3.操作條件（1）熱水：入口溫度80 ，出口溫度 55 （2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 25 ，出口溫度 37 （3）允許壓降：不大于Pa（4）每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。4.建廠地址：江西地區(qū)四、設(shè)計內(nèi)容（1）設(shè)計計算列管換熱器的熱負(fù)荷、傳熱面積、換熱管、殼體、管板、封頭、隔板及接管等。）（2）繪制列管式換熱器的裝配圖。（3）編寫課程設(shè)計說明書。五、課程設(shè)計說明書的內(nèi)容 設(shè)計說明書中應(yīng)包括所有論述、原始數(shù)據(jù)、計算、表格等，編排順序如下： （1）標(biāo)題頁； （2）設(shè)計任務(wù)書； （3）目錄； （4）設(shè)計方案 1.選擇換熱器的類型

4、2.管程安排 （5）確定物性數(shù)據(jù) （6）主要工藝參數(shù)計算（熱負(fù)荷，平均溫差、總換熱系數(shù)、換熱面積等）； （7）壓降計算； （8）設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表 （9）附圖（工藝流程簡圖、主體設(shè)備工藝條件圖）； （10）參考文獻(xiàn)；六、主要參考書1.錢頌文主編，換熱器設(shè)計手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，2002.2.賈紹義，柴誠敬等，化工原理課程設(shè)計，天津大學(xué)出版社，1994.3.匡國柱，史啟才等化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社，2002.4.王志魁主編，化工原理，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.5.姚玉英主編，化工原理天津大學(xué)出版社，1992.6.陳恒敏，叢德茲等化工原理（上、下冊）（第二版），北京：化學(xué)工

5、業(yè)出版社，2000.7.何潮洪等編，化工原理，科學(xué)出版社，2001年。七、設(shè)計時間 一周 前言換熱器是化學(xué)，石油化學(xué)及石油煉制工業(yè)以及其它一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備。它不僅可以單獨作為加熱器，冷凝器使用而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備。因此在化工生產(chǎn)中占有重要的地位。在進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程 。主要的換熱器有：1 固定管板式換熱器：2 浮頭式換熱器：3 U型管式換熱器：4. 填料函式換熱器：這次的化工原理課程設(shè)計，熱水冷卻器的設(shè)計。通過對熱水冷卻的列管式

6、換熱器設(shè)計，了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念愋?，同時還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力。通過這次課程設(shè)計，養(yǎng)成科學(xué)探索精神，細(xì)心鉆研，自己動手設(shè)計，理論聯(lián)系實際，并進(jìn)一步熟練相關(guān)的軟件，Microsoft office，ChemBioOffice，Origin85，AutoCAD2008等。一、設(shè)計方案簡介1.1換熱器的選擇列管式換熱器是目前化工上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動，從

7、封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種： 1 固定管板式換熱器： 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為

8、了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。 2 浮頭式換熱器： 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生

9、溫差應(yīng)力。其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。3 U型管式換熱器： U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。4. 填料函式換熱器： 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。熱流體進(jìn)口溫度80，出口溫度55；冷流體進(jìn)口溫度25，出口溫度37。換熱器用循環(huán)冷卻水（自來水）冷卻，冬季操作時進(jìn)口溫度

10、會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定用浮頭式換熱器。 1.2設(shè)計概述根據(jù)估算數(shù)據(jù)，先選取一比估算面積稍大的換熱器，然后進(jìn)行換熱器換熱面積的校核及管程、殼程的阻力壓降，逐步調(diào)節(jié)折流擋板間距等措施，最終使所選取的換熱器符合要求，同時要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗，為以后做準(zhǔn)備。本設(shè)計是在給定部分任務(wù)和條件下，估算所需換熱器的換熱面積，然后選擇一標(biāo)準(zhǔn)列管換熱器，再對換熱器進(jìn)行驗證，符合要求者合格。估算K值大小，應(yīng)首先估計對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的對流傳熱系數(shù)。設(shè)計換熱設(shè)備既要考慮設(shè)備費用，也就是既要使阻力降不能太高，也不能使傳熱面積較大，使管程的冷卻水有一個合適的流速 。設(shè)計中

11、應(yīng)注意的幾點：恰當(dāng)估算換熱面積；正確選取換熱器的型號；認(rèn)真校核換熱面積及阻力壓降。1.3設(shè)計方案1) 估算所需要的換熱面積，選取一個合適的換熱器。2) 校核傳熱面積及管程、殼程的壓力降。3) 結(jié)果匯總及評述。4) 符號說明、參考文獻(xiàn)及附圖。1.4管程安排 在列管式換熱器設(shè)計中，冷、熱流的流程，進(jìn)行合理安排，一般應(yīng)考以下原則。 易結(jié)垢流體應(yīng)走易于清洗的側(cè).對于固定管板式、浮頭式換熱器，一般應(yīng)使易結(jié)垢流體流經(jīng)管程，而對于l一I鉀換熱器，易結(jié)垢流體應(yīng)走殼程、 有時在設(shè)計上需要提高流體的速度，以提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，在這種情況下，應(yīng)將需要提高流速的流體放在管程。這是因為管程流通截面積一般較小，且易于采用

12、多用管程結(jié)構(gòu)以提高流速. 其有腐蝕性的流體應(yīng)走管程，這樣可以節(jié)約耐腐蝕材料用降低換熱器成本:， 壓力高的流體應(yīng)走管程。這是因為管子直徑小，承壓能力強，能夠避免采用耐壓的殼體和密封措施。 具有飽和蒸汽冷凝的換熱器，應(yīng)使飽和蒸汽走殼程，便于排出冷凝液。， 粘度大的流體應(yīng)走殼程，因為殼程內(nèi)的流體在拆流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數(shù)下就可達(dá)揣流狀態(tài)。 應(yīng)該說明的是，上述要求常常不能同時滿足，在設(shè)計中應(yīng)考慮其中的主要問題，首先滿足其中較為重要的要求。由于當(dāng)液體溫度升高時，粘度隨著減小，故有循環(huán)水走殼程，因為殼程內(nèi)的流體在拆流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數(shù)下就可

13、達(dá)揣流狀態(tài)。在兩流體的粘度力看，應(yīng)該使熱水走管程，循環(huán)冷卻水走殼程，但是由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢的增長速率，使換熱器熱流量下降，所以，從總體考慮，應(yīng)該使熱水走殼程，循環(huán)冷卻水走管程。二、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：殼程熱水的定性溫度為管程循環(huán)冷卻水的定性溫度為已知循環(huán)水在31下的物性參數(shù)為：密度，黏度，比熱Cp=4.174KJ/kg.，熱導(dǎo)率=61.8W/(m.k)又知67.5熱水下的物性參數(shù)密度，黏度，比熱Cp=4.187KJ/kg.，熱導(dǎo)率=66.8W/(m.k)三、主要工藝參數(shù)計算3.1熱負(fù)荷3.2平均傳熱溫差 3.3冷卻水用量 3.4初算傳熱面積 由于殼程熱水的壓力較

14、高，故可選取較大的K值，假定總傳熱系數(shù)K=700w/(m) 3.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.5.1管徑和管內(nèi)流速選25×2.5mm碳鋼管，取管內(nèi)流速為1.3m/s。管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(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，所需要的傳熱管的長度為：管程數(shù)：按單程管設(shè)計傳熱管太長，采用多管程結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取傳熱管長 傳熱管總根數(shù)： 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)： 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查得平均傳熱溫差：由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。傳熱管排列和分程方法采用正三角形排列，取管心距，則隔板中心到離其最近的一排管中心距離為：各程相鄰管心距為2Z

15、=44。3.5.5殼體直徑采用多管程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行殼體直徑估算，取管板利用率為=0.8，則殼體直徑為：按卷制殼體的50mm進(jìn)級檔，可取D=2503.5.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20，則切去的圓缺高度為：h=0.2×250=50取折流板間距B=0.3D (0.2D<B<D),則B=0.3×250=75折流板數(shù)目：接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)熱水的 流速為，則接管的內(nèi)徑為：取整后取管內(nèi)內(nèi)徑為350。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)冷卻水的流速為，則接管內(nèi)徑為：取整后取管內(nèi)直徑為400。四、壓降核算4.1傳熱面積校核管程傳熱膜系數(shù)管程流

16、體流通截面積：管程流體流速：雷諾數(shù)：普朗特數(shù)：殼程傳熱膜系數(shù)管子按正三角形排列，傳熱當(dāng)量直徑：殼程流通面積：殼程流體流速：雷諾數(shù)：普朗特數(shù)：黏度校正：污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：m2 /W管內(nèi)污垢熱阻： m2 /W碳鋼在此條件下的熱導(dǎo)率為：50W/m·已知管壁厚度為：?？倐鳠嵯禂?shù)K平均直徑：傳熱面積校核所計算的傳熱面積是：換熱器的實際傳熱面積是：換熱器的面積裕度為： 由于傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.2換熱器內(nèi)壓降的核算管程阻力由Re=12949.5，傳熱管相對粗糙度為0.01，參考圖雙對數(shù)坐標(biāo)圖得 =0.043，流速，管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力流體

17、流經(jīng)管束的阻力： 其中：則：流體流過折流板缺口的阻力：其中：則：總阻力：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。五、主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 參數(shù)管程殼程流量kg/h115925555.55進(jìn)/出口溫度/25/3780/55物性定性溫度/3167.5密度/（kg/m3）995.37977.8定壓比熱容/kj/（kgk）4.1744.187粘度/（Pas）7.840×4.74熱導(dǎo)率（W/mk） 0.6180.668普朗特數(shù)5.292.616設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/250臺數(shù)1管徑/25×2.5管心距/32管長/4500管子排列正三角形管數(shù)目/根32折流板數(shù)/個65傳熱面積/

18、11.304折流板間距/75管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.640.58表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（k）2738.68875.5污垢熱阻/（k/W）0.000171970.00017197六、心得體會 通過一周的課程設(shè)計，讓我們對化工原理有了更多的了解，對這門學(xué)科也有了更深的了解。我覺得課程設(shè)計時讓我們更好的去理解一門學(xué)科，也是讓我們能更好的去了解我們到底學(xué)到了什么東西。學(xué)會了什么東西，課程設(shè)計一開始，我覺得茫然，不知道要去做什么，也不知道我們做成什么，不過一點一點慢慢來，當(dāng)圖紙畫滿線條的時候，覺得自己是成功的，成功的完成了繪圖，成功的學(xué)到了以前認(rèn)為不重要的東西，生活中的好多事要我們?nèi)W(xué)習(xí)的，從一點一滴的學(xué)習(xí)當(dāng)中我們能感到自己的成長，也能不斷地充實自己。做每一件事情的時候，我們應(yīng)該認(rèn)真，應(yīng)該多動動腦子，這樣才能勞有所獲，以后的生活中，我應(yīng)該注重這些，這樣才能有所成就。此次設(shè)計讓我們學(xué)習(xí)了更多化工原理基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了化工設(shè)計能力，通過這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使我掌握化工設(shè)計的基本方法，熟悉查詢和