浮頭式換熱器設計

1、大學生物工程專業(yè)化工原理課程設計說明書 題目名稱 浮頭式換熱器的設計 專業(yè)班級 學 號 學生姓名 指導教師 2012 年 06 月 08 日目錄1、設計方案 1 2、衡算12.1 確定設計方案1 換熱器的類型 12.1.2 管程安排 1 2.2 確定物性數(shù)據(jù)1 2.3 估算傳熱面積 22.3.1 熱負荷 22.3.2 熱流體用量 2 2.3.3 平均傳熱溫差 . 22.3.4 初算傳熱面積 22.4 換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸設計 32.4.1 管徑和管內(nèi)流速 3 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 32.4.3 平均傳熱溫差校正 32.4.4 傳熱管排列 42.4.5 殼體直徑 42.4.6 折流板 4 接管 4 3

2、、換熱器核算5 3.1傳熱面積校核 5 管程傳熱膜系數(shù) 5 3.1.2 殼程傳熱膜系數(shù)53.1.3 總傳熱系數(shù) 6 3.1.4 傳熱面積校核73.2 換熱器內(nèi)壓降的核算7 3.2.1 管程阻力 73.2.2 殼程阻力 84、設備選型84.1 管子排列方式的選擇 84.2 折流板的選擇 94.3 除污垢措施的選擇 94.4 材料的選擇 95、附錄及圖表106、設計總結(jié)117、參考文獻 121、設計方案在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛地使用各種換熱器，且他們是上述這些行業(yè)的通用設備，并占有十分重要的地位。在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%-20%。在某工廠的生產(chǎn)過程中，因生產(chǎn)需要，

3、需用水回收甘油的熱量。已知水將甘油從120冷卻至50，且甘油的壓力不大于0.1MPa。水的流量為50m3/h，水的入口溫度為28，出口溫度為78，壓力不大于0.1MPa，請設計一臺換熱器能完成上述任務。2、衡算2.1 確定設計方案換熱器的類型 兩流體的溫度變化情況：水的進口溫度28，出口溫度為78；甘油的進口溫度為120，出口溫度為50，本組為浮頭式換熱器。 管程安排 對于一般壓力較高的流體流經(jīng)管內(nèi)，因為管子直徑小，承受高壓能力好，所以水走管程，又被冷卻物料一般走殼程，便于散熱，所以甘油走殼程。2.2 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進、出口溫度平均值。故

4、殼程甘油的定性溫度為 管程流體的定性溫度為 在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(水和甘油)的物性參數(shù)，見下表：表1 冷熱流體的物性參數(shù)物質(zhì)密度(kg/m3)比熱容(kJ/kg·) 黏度(Pa·s)導熱系數(shù) (W/m·)甘油水 810985.62.224.1760.9×10-3509.6×10-60.1865.4×10-22.3 估算傳熱面積 熱負荷（忽略熱損失）KJ/hkW 熱流體用量（忽略熱損失） kg/h 平均傳熱溫差 先按純逆流計算，得 初算傳熱面積 參照列管式換熱器中K值大致范圍表1,可假設K=350W/(m2·)

5、則估算的傳熱面積為m22.4 換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸設計 管徑和管內(nèi)流速 參照列管式換熱器內(nèi)常用的流速范圍表3，取管內(nèi)流速為m/s，并取=24管徑用下式計算 mm又由于考慮到市場上管徑的一般規(guī)格大小，所以我們選用30×1.0mm的管子。利用試差法，計算管內(nèi)流速為：m/s 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 由于=24，按照單管程，所需的傳熱管長度為m按照單管程設計，由于傳熱管太長，故宜采用多管程設計。根據(jù)實際情況，采用非標準管長設計，取傳熱管長m，則該換熱器的管程數(shù)為傳熱管總根數(shù) 平均傳熱溫差校正 平均溫差校正系數(shù)計算如下按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查閱溫度差校正系數(shù)值的表2，查得平均傳熱溫差 （）由于平均傳熱

6、溫差校正系數(shù)大于0.8，故可以采取單殼程合適。 傳熱管排列 采用組合排列法，每管程內(nèi)采用正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距,則mm隔板中心到離其最近一排管中心距離mm各程相鄰管的管心距為50mm。 殼體直徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體直徑按式mm可取mm 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體直徑的30%，則切去的圓缺高度為mm取折流板間距 ，則mm折流板數(shù)目 接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速為m/s，則接管內(nèi)徑為m圓整后可取管內(nèi)徑為D1=54mm，根據(jù)試差法計算管內(nèi)液體流速為m/s管程流體進出口接管：取接管內(nèi)流體流速m/s，則接管內(nèi)徑為 m圓整后可取管內(nèi)徑為=85m

7、m，根據(jù)試差法計算管內(nèi)液體流速為m/s3、換熱器核算3.1傳熱面積校核管程傳熱膜系數(shù) 按照下式進行計算管程流體流通截面積 m2m/s普朗特數(shù) W/(m2·) 殼程傳熱膜系數(shù) 用下式計算 管子是按照正三角形排列，傳熱當量直徑為m 殼程流通截面積為m2 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為m/s普朗特數(shù) 黏度校正 W/(m·) 總傳熱系數(shù) 首先對于污垢熱阻和管壁熱阻，參照壁面污垢熱阻的數(shù)值范圍表，管外側(cè)污垢熱阻(m·)/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻(m·)/W。已知管壁厚度m，查固體材料的熱導率表2，碳鋼在該條件下的熱導率為(W/m·)。 故總傳熱系數(shù)K為W/(m2&

8、#183;) 傳熱面積校核由下式可得所計算傳熱面積為m2換熱器的實際傳熱面積為Sm換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產(chǎn)任務。3.2 換熱器內(nèi)壓降的核算 管程阻力 管程總阻力可以采取下式計算式中 、分別為直管和回彎管中因摩擦阻力而引起的壓降，Pa結(jié)垢校正因數(shù)，對30×1.0mm管子取1.4管程數(shù)串聯(lián)的殼程數(shù)又，由，為湍流，又傳熱管的相對粗超度為0.01，查相關文獻中的雙對數(shù)坐標圖得W/m·，流速m/s，kg/m3，所以PaPaPa0.1MPa管程流體阻力在允許的范圍之內(nèi)。 殼程阻力按下式計算其中，流體流經(jīng)管束的阻力 m/s故 Pa流體流過折流板缺口的阻力為

9、其中m，m，則Pa總阻力Pa0.1MPa故殼程阻力在允許的范圍內(nèi)。4、設備選型4.1 管子排列方式的選擇管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形排列、正方形錯列，我們選擇了正三角形排列方式。正三角形排列的優(yōu)點是接湊度高，相同管板面積上可排管數(shù)多，殼程流體擾動性好，有較高的傳熱性能比，應用最為普遍，但其缺點就是不易清洗，常用于清潔的流體。本設計考慮到管子數(shù)目較多，又由于是4管程，則需采用組合排列，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。4.2 折流板的選擇安裝折流板的目的是提高殼程對流傳熱系數(shù)，為了取得良好的換熱效果，擋板的形狀和間距必須適當。相鄰擋板的距離(板間距)一般取換熱器

10、外徑你給的0.21.0倍。浮頭式換熱器的板間距有150mm、200mm、300mm、400mm、600mm五種。在此次設計中，根據(jù)計算和綜合各方面因素考慮，選擇板間距為150mm，并且采用弓形折流板。4.3 除污垢措施的選擇化學清洗易對設備產(chǎn)生腐蝕，因此在此次的除污垢措施中，采用軟機械清洗，這種清洗方法依靠插入物的在管內(nèi)的運動，與管子內(nèi)表面接觸，達到去除污垢的效果。這種軟機械清洗又稱在線軟件清洗，常見的方法有旋轉(zhuǎn)螺旋線法、液固流態(tài)化法、旋轉(zhuǎn)紐帶法、海綿膠球在線清洗法。而此次我們采用的是海綿膠球在線清洗法，此方法是將直徑比管子內(nèi)徑稍大的海綿球擠入管內(nèi)以起到除垢的目的。又查的，膠球循環(huán)一次所需時間

11、一般為30秒，膠球補充周期為膠球清洗系統(tǒng)累計運行7次，也可根據(jù)使用的具體情況不同調(diào)整補充周期。膠球的更換周期：根據(jù)國產(chǎn)球使用統(tǒng)計，其更換周期為膠球清洗字體累計運行60次。4.4 材料的選擇換熱器材料應該根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來選用。金屬材料：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅和鋁。非金屬材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃、普通膠球。不銹鋼和有色金屬材料抗腐蝕性能好，但價格相對較高。綜合考慮到經(jīng)濟、安全等因素，我們選擇了碳鋼管子。設備選型匯總表名稱規(guī)格型號數(shù)量廠家折流板換熱管殼體管程接管殼程接管螺柱法蘭支座定距管壓力閥普通膠球上管板下管板高250mm301.0mm厚1.0mm85mm54mmM20

12、RF 550-2.5耳式支座B2301.0mm25mm402-101H-07GB/T14976Q235-ABR01-ABR006JB-T4707-2000HG20615JB1165-732GB/14976-1994SL100XLPSJJ7A132-0-2PSJJ7A132-0-6199612272126511111海東不銹鋼有限公司寶豐鋼業(yè)淄博泰勒換熱設備有限公司上?；ぱb備有限公司上海化工裝備有限公司沙河市四方緊固件有限公司武漢威孚熱工技術有限公司河北同力自控閥門制造有限公司上海斯普熱能技術有限公司成都萊峰科技有限公司連云港式泰格電力設備有限公司澳昭美金屬材料有限公司澳昭美金屬材料有限公司5

13、、附錄及圖表 附表 1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果項目結(jié)果單位水的流量水的進(出)口溫度水的壓力甘油的進(出)口溫度水的密度水的比熱容水的熱導率水的黏度甘油的密度甘油的比熱容甘油的熱導率甘油的黏度熱負荷水的定性溫度甘油的定性溫度熱流體用量平均傳熱溫差管徑管長管數(shù)目管心距殼體直徑折流板的圓缺高度折流板的間距折流板的數(shù)目接管殼程內(nèi)徑接管管程內(nèi)徑管程流速殼程流速管程傳熱系數(shù)殼程傳熱系數(shù)管外側(cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻總傳熱系數(shù)傳熱面積裕度管程阻力殼程阻力50 28（78）0.01120（50）985.64.17665.4×10-2509.6×10-68102.220.180.91&

14、#215;10-35725385133206030×1.0396385001501501954850.4710.292845.96481.7197×10-41.7197×10-443627.12961.2445924092m3/hMPakg/m3kJ/kg·W/m·Pa·sKg/m3kJ/(kg/)W/m·Pa·skWkJ/hmmm根mmmmmmmm塊mmmmm/sm/sW/ (m2·)W/ (m2·)m2·/Wm2·/WW/ (m2·)m2PaPa6、設計總結(jié)在此次的化工原理課程設計中，我們所做的內(nèi)容是設計一臺浮頭式換熱器，用水回收甘油的熱量。對于此次的浮頭式換熱器，其本生存在著優(yōu)點和缺點，其中，該換熱器的管子和管間在清洗時方便，檢修也方便，且具有熱補償能力，但是其傳熱面不便于調(diào)整，結(jié)構(gòu)也復雜，造價又高。此次的傳熱管在管板上的排列方式選用了組合式的方法，每程內(nèi)均按正三角形排列，這樣可以在同樣的管板面積上排列最多的管束數(shù)，可以節(jié)省些材料。管子的管徑為30×1.0mm，對于一般易結(jié)垢