管式換熱器課程設(shè)計

1、成績 .列管式換熱器的工藝設(shè)計說明書題 目: 列管式換熱器的工藝設(shè)計和選用 課 程 名 稱: 化工原理課程設(shè)計 專 業(yè): 化學(xué)工程與工藝 班 級: 化工B092班 學(xué) 生 姓 名: 蘇倩倩 學(xué) 號: 200901034208 指 導(dǎo) 教 師: 張榮光評 語：設(shè)計起止時間：2011 年12月12日至2011 年 12月23日設(shè)計題目：列管式換熱器的工藝設(shè)計和選用一、 設(shè)計條件 煉油廠用原油將柴油從175冷卻到130。柴油流量位12500kg/h；原油初溫為60，經(jīng)換熱后升溫到110。換熱器的熱損失可忽略。管、殼程阻力壓降不大于30kPa。污垢熱阻均取0.0003·/W。試設(shè)計能完成上述

2、任務(wù)的列管式換換熱器。二、 設(shè)計說明書的內(nèi)容1、設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù)；2、目錄；3、概述或前言：設(shè)計方案的確定；4、工藝計算及主體設(shè)備設(shè)計；5、輔助設(shè)備的計算及選型；（主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等）；6、設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計結(jié)果匯總表；7、參考資料、參考文獻(xiàn)；8、設(shè)計總結(jié)及體會。目錄1 前言··························&#

3、183;·································3二設(shè)計條件及主要物性的確定··············

4、··························31定性溫度的確定······················

5、83;························3 2流體有關(guān)物性························

6、·························4三. 確定設(shè)計方案·······················&#

7、183;····························41 選擇換熱器的類型···················

8、83;·························42流程安排·······················

9、83;·····························5四 估算傳熱面積···················

10、······························51. 傳熱器的熱負(fù)荷··················&

11、#183;····························52. 平均傳熱溫差···················

12、83;·····························53. 平均傳熱溫差校正··················

13、83;··························54. 傳熱面積估算······················

14、;···························6五 工程結(jié)構(gòu)尺寸·····················&#

15、183;···························61. 管徑和管內(nèi)流速····················

16、83;··························62. 管程數(shù)和傳熱管數(shù)·····················

17、83;·······················63. 傳熱管排列和分程方法························&

18、#183;················64. 殼程內(nèi)徑································

19、;·····················75. 折流板···························

20、3;···························76. 其他附件·····················&#

21、183;·······························77. 接管·················&#

22、183;·······································7六換熱器核算·········&

23、#183;············································8 1.熱流量核算···

24、3;·················································8 （1

25、）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)··········································8 （2）管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)····&#

26、183;·····································9 （3）污垢熱阻和管壁熱阻··········

27、······························9 （4）傳熱系數(shù)K··················&#

28、183;·····························9 （5）傳熱面積裕度··················

29、83;··························10 2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力·····················

30、;···················10 （1）管程流動阻力·····························

31、;················10 （2）殼程流動阻力································

32、;·············113.壁溫核算···································

33、83;··················11七換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表····························&

34、#183;12八設(shè)備參數(shù)表················································

35、;·····13九設(shè)計計算結(jié)果匯總表···········································

36、;··13十設(shè)計總結(jié)··············································

37、3;········14十一.參考文獻(xiàn)········································&

38、#183;·············15一、前言 列管式換換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有很悠久的歷史。現(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，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設(shè)計、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。

39、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，性能各異。在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計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)計時應(yīng)滿足以下各項要求： （1）合理地實現(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)的計算，經(jīng)過反復(fù)計算比較，使所設(shè)計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。具體方法有：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

40、熱器是壓力容器，在進(jìn)行強度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計算時，應(yīng)遵照我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對保證設(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)合理評價換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時間內(nèi)（通常為一年）固定費用（設(shè)備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。二、設(shè)計條件及主要物性參數(shù)2.1設(shè)計條件由設(shè)計任務(wù)書可得設(shè)計條件如下表：數(shù)參類型質(zhì)量流量（標(biāo)準(zhǔn)kg/h）進(jìn)口溫度（）出口溫度（）操作壓力（Mpa）設(shè)計壓力（Mpa）柴 油（管內(nèi)）12500175 1301.11.2原油（管外）-60110

41、 0.30.4注：要求設(shè)計的冷卻器在規(guī)定壓力下操作安全，必須使設(shè)計壓力比最大操作壓力略大，本設(shè)計的設(shè)計壓力比最大操作壓力大0.1MPa。2.2確定主要物性數(shù)據(jù)2.2.1定性溫度的確定計算熱負(fù)荷，根據(jù)化工原理(第二版)上冊P220，公式5-32(a)，柴油給出的熱量為 Qi = qmi Cpi(T1T2) =3.875×105 W 原油的質(zhì)量流量：Qo = Qi = qmo Cpo (t2t1) 3.875×105 = qmo×2.2×（11060） qmo = 12682kg/h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

42、t = 2.2.2流體有關(guān)物性數(shù)據(jù)根據(jù)由上面兩個定性溫度數(shù)據(jù)，查閱參考書可得原油和柴油的物理性質(zhì)。運用內(nèi)插法可得殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。原油在85，1.2MPa下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度o（kg/m3）定壓比熱容cpo kJ/(kg)粘度o（Pa·s）導(dǎo)熱系數(shù)o（W·m-1·-1）原油 8152.23×10-3 0.128 柴油在152.5的物性數(shù)據(jù)如下：物性密度i（kg/m3）定壓比熱容cpi kJ/(kg)粘度i（Pa·s）導(dǎo)熱系數(shù)i（W·m-1·-1）柴油715 2.480.64×10-30.133

43、三、確定設(shè)計方案3.1 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和殼程壓強超過0.6Mpa時，由于補償圈過厚，難以伸縮，會失去溫差補償?shù)淖饔?。因而，本次設(shè)計不宜采用固定管板式。而浮頭式換熱器則針對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，另一端則可相對于殼體作某些移動，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

44、束之間不會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，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)垢的場合。由于本設(shè)計為油品換熱器，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，可以提高對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，提高傳熱效率。3.2 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)時即可達(dá)到湍流，有利于提高其傳熱膜系數(shù)。四、估算傳熱面積4.1熱流量Q = 3.875×105 W4.2平均傳熱溫差先按照純逆流計算，根據(jù)化工原理(第二版)上冊P225，公式5-3

45、9，4.3平均傳熱溫差校正平均傳熱溫差校正系數(shù)溫度校正系數(shù)為tm= =67.5×0.94=63.5( )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。4.4估算傳熱面積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·-1根據(jù)化工原理(第二版)上冊P225，公式5-38，則估算的傳熱面積為 m2 五工程結(jié)構(gòu)尺寸5.1管徑和管內(nèi)流速選用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ui1.1m/s，用u i計算傳熱膜系數(shù)，然后進(jìn)行校核。5.

46、2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P62，公式3-9可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)(根)按單程管計算，所需的傳熱管長度為 m按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 l= 6m ，則該換熱器管程數(shù)為Np=L / l=23.5/64（管程）傳熱管總根數(shù) n = 15×4= 60（根）單根傳熱管質(zhì)量 7850×6×3.14×0.0225×0.0025=8.319kg5.3 傳熱管的排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按旋轉(zhuǎn)45°正四邊形排列，其優(yōu)點為管板強度高，流體走短路的機(jī)會少，且管外流體擾動較大

47、，因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查熱交換器原理與設(shè)計P46，表2-3 管間距，取管間距：mm 由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P67，公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離mm取各程相鄰管的管心距為32mm。5.4 殼體內(nèi)徑 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)計采用正方形排列，四管程，所以在0.450.65，取管板利用率=0.6，mm , 查閱化工原理（上）P275，附錄二十三：熱交換器，取Di =400mm。5.5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25%，

48、則切去的圓缺高度為h=0.25×400=100 mm ，故可取h=100 mm。取折流板間距B=150 mm。取板間距H150mm，則：折流板數(shù) 塊折流板圓缺面水平裝配。5.6其他附件直徑為16mm的拉桿4根。5.7接管（1）殼程流體進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)液體流速=0.5m/s, (m)圓整后取管內(nèi)直徑為150mm.(2) 管程流體進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)液體流速=1.1m/s, 圓整后取管內(nèi)直徑為100 mm六換熱器核算6.1熱量核算6.1.1殼程表面流傳熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用克恩公式。由化工原理(第二版)上冊P241，公式5-63a得 其中：粘度校正為=1.05當(dāng)量直徑，管子

49、為四邊形角形排列時，依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P72，公式3-22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)=0.15×0.4×（1）0.013 m2殼程冷卻水的流速及其雷諾數(shù)分別為uo =0.332 m/sReo2435普朗特準(zhǔn)數(shù)（<傳熱傳質(zhì)過程設(shè)備設(shè)計>P26，公式1-43）Pro =51.6因此，殼程水的傳熱膜系數(shù)ho為 =486.2W/(m2·)6.1.2管程表面流傳熱系數(shù)由流體力學(xué)與傳熱P158，公式4-52a、4-52b，得其中：管程流通截面積Si =0.0047m2 管程空氣的流速及其雷諾數(shù)分別為

50、ui =1.05m/sRei23461普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pri =11.93因此，管程空氣的傳熱膜系數(shù)hi為W/(m2·)6.1.3污垢熱阻和管壁熱阻l 污垢熱阻Rso、Rsi均為0.0003m2··W-16.1.4總傳熱系數(shù)K因此，依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P71，公式3-21 254W/ (m2·) 所以換熱器的安全系數(shù)為：6.1.5 傳熱面積裕度依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P75，公式3-35：QiSitm得：SiQi/(tm)24.0m2該換熱器的實際傳熱面積SpSp=3.14×0.025×6×60= 28.3m2依化工單

51、元過程及設(shè)備課程設(shè)計P76，公式3-36該換熱器的面積裕度為=17.9%6.2核算換熱器內(nèi)流體的壓力降6.2.1管程壓力降 由，取管壁粗糙度，則相對粗糙為，查莫狄圖得 總壓降：<30KPa（符合設(shè)計要求)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)，單殼程取1。 6.2.2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：（符合設(shè)計要求） 注：Fs為殼程壓強降的校正系數(shù)，對于液體取1.15。計算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設(shè)計條件。6.3 壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度

52、可按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P77，公式3-42計算。由于傳熱管內(nèi)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。但在操作早期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮。因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是按式3-42有式中，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P77，公式3-44、3-45計算Tm=0.4×175+0.6×130=148tm=0.4×60+0.6×110=90 486.2 W/ (m2·) 1008.8W/ (m2·)傳熱

53、管平均壁溫=129 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=12985 =44 七.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表參數(shù)管程殼程流量，kg/h1250012682物性操作溫度，175/13060/110定性溫度，152.585流體密度，kg/m3715815定壓比熱容，kJ/(kg.K)2.482.2黏度，pa.s傳熱系數(shù)，W/（m2·）0.1330.128普朗特數(shù)11.9351.6設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑，mm400殼程數(shù)1管徑，mm管心距，mm32管長，mm6000管子排列正方形旋轉(zhuǎn)45°管數(shù)目，根60折流板數(shù)39傳

54、熱面積，28.3折流板間距，mm150管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速，m/s1.050.332表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·）1008.8486.2污垢系數(shù)，m2·K/W0.00030.0003阻力降，Pa2896212524熱流量，kw387.5傳熱溫差，K63.5傳熱系數(shù)，W/（m2·）254裕度17.9八、設(shè)備參數(shù)表換熱器零部件及質(zhì)量統(tǒng)計于下表：序號各零部件數(shù)量單件重量/kg重量/kg1殼體（YB231-70）482.73482.732管板228.1456.283殼程接管21.012.024殼程接管法蘭2凹3.08/凸4.847.925管程接管22.074.146管程接管法蘭2凹4.36/凸5.59.867隔板2 55.1/23.4178.518封頭116.6016.609封頭法蘭117.8017.8012傳熱管603.79227.413拉桿2/29.24 / 8.7836.0414定距管L127.6815.09L227.4115折流板391.6764.916管箱123.0723.0717管箱法蘭117.8017.8018浮頭132.5132.51換熱器總重量/kg1092.679、 設(shè)計計算結(jié)果匯總表換熱