列管式換熱器說明書

1、目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)2二、概述與設(shè)計(jì)方案簡介32.1 概述32.2設(shè)計(jì)方案簡介32.2.1 換熱器類型的選擇32.2.2流徑的選擇52.2.3流速的選擇52.2.4材質(zhì)的選擇62.2.5管程結(jié)構(gòu)62.2.6 換熱器流體相對(duì)流動(dòng)形式6三、工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算73.1確定設(shè)計(jì)方案73.2確定物性數(shù)據(jù)73.3計(jì)算總傳熱系數(shù)73.4計(jì)算換熱面積83.5工藝尺寸計(jì)算83.6換熱器核算103.6.1傳熱面積校核103.6.2換熱器內(nèi)壓降的核算11四、輔助設(shè)備的計(jì)算及選型124.1拉桿規(guī)格124.2接管12五、換熱器結(jié)果總匯表13六、設(shè)計(jì)評(píng)述13七、 參考資料14八、主要符號(hào)說明14九、致謝15一、設(shè)計(jì)任務(wù)學(xué)生

2、姓名班級(jí)指導(dǎo)教師題目設(shè)計(jì)基本參數(shù)處理能力：3000kg/h設(shè)備型式：列管式換熱器操作條件：加熱介質(zhì)： 水 ：入口溫度：95，出口溫度：70；果汁：入口溫度：36，出口溫度：72。設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容1、設(shè)計(jì)方案簡介對(duì)給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的形式進(jìn)行簡要論述。2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。3、輔助設(shè)備的選型典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計(jì)算，設(shè)備規(guī)格型號(hào)的選定。4、編寫設(shè)計(jì)說明書將設(shè)計(jì)所選定的工藝流程方案、主要步驟及計(jì)算結(jié)果匯集成工藝設(shè)計(jì)說明書。應(yīng)采用簡練、準(zhǔn)確的文字圖表，實(shí)事求是地介紹設(shè)計(jì)計(jì)算過程和結(jié)果。設(shè)計(jì)說明書要求在6000

3、字以上，A4紙打印。設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容：（1） 封面（課程設(shè)計(jì)題目、學(xué)生班級(jí)、姓名、指導(dǎo)教師、時(shí)間）（2） 目錄（3） 設(shè)計(jì)任務(wù)書（4） 概述與設(shè)計(jì)方案簡介（5） 工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算（6） 輔助設(shè)備的計(jì)算機(jī)選型（7） 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表（8） 設(shè)計(jì)評(píng)述（9） 參考資料（10） 主要符號(hào)說明（11） 致謝各階段時(shí)間安排（以天為單位）用一周時(shí)間集中進(jìn)行1、 設(shè)計(jì)方案選定：0.5天2、 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：2天3、 輔助設(shè)備的選型：0.5天4、 編寫設(shè)計(jì)說明書：2天二、概述與設(shè)計(jì)方案簡介2.1 概述在工業(yè)生產(chǎn)中用于實(shí)現(xiàn)物料間熱量傳遞的設(shè)備稱為換熱設(shè)備，即換熱器。換熱器是化工、動(dòng)力、食品及其他許多部門中廣

4、泛采用的一種通用設(shè)備。換熱器的種類很多，根據(jù)其熱量傳遞的方法的不同，可以分為3種形式，即間壁式、直接接觸式、蓄熱式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點(diǎn)介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類

5、換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)

6、部門被大量采用。列管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。2.2設(shè)計(jì)方案簡介2.2.1 換熱器類型的選擇根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。1.固定管板式換熱器這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體

7、連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)余構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。2. U型管換熱器U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)

8、程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子壞了不能更換，因而報(bào)廢率較高。此外，其造價(jià)比管定管板式高10%左右。3.浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖1-3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。4.填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮

9、，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。其缺點(diǎn)是填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對(duì)于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。按照設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，冷流體流體果汁入口溫度36，出口溫度72，熱流體是水，入口溫度95，出口70，殼壁與管壁溫差較大，基于這些要求，應(yīng)選擇填料函式換熱器，填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。2.2.2流徑的選擇 在具體設(shè)計(jì)

10、時(shí)考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對(duì)于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。參考標(biāo)準(zhǔn)：（1） 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因管內(nèi)清洗方便；（2） 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕，且清洗、檢修方便；（3） 壓強(qiáng)高的流體宜走管程，以免殼體同時(shí)受壓；（4） 有毒流體宜走管程，使泄漏機(jī)會(huì)減少；（5） 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果；（7） 流量小或粘度大的流體宜走殼程，因折流檔板的作用可使在低雷諾數(shù)（Re100）下即可達(dá)到湍流，但也可在

11、管內(nèi)采用多管程；（6） 需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。（7） 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。綜合以上標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計(jì)為果汁走殼程，水走管程。2.2.3流速的選擇 表2-2 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì)流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 管程流速m/s1.02.00.81.50.53.0>1.00.81.80.51.5530殼程流速m/s0.51.50.51.

12、50.21.5>0.50.41.00.30.8215由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。故擬取流速為0.5m/s。2.2.4材質(zhì)的選擇列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。2.2.5管程

13、結(jié)構(gòu)換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列    （b）正方形錯(cuò)列    (c) 三角形直列  （d）三角形錯(cuò)列  （e）同心圓排列 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗。對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。2.2.6 換熱器流體相對(duì)流動(dòng)形式換熱器中流體的相對(duì)

14、流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。本次設(shè)計(jì)采用逆流的流動(dòng)方式。三、工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算3.1確定設(shè)計(jì)方案3.1.1換熱器類型：填料函式換熱器3.1.2流體流動(dòng)形式兩流體的溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫

15、度：95，出口溫度：70；冷流體進(jìn)口溫度：36，出口溫度：72。為了增大平均溫差，節(jié)省操作費(fèi)用，本次設(shè)計(jì)采用逆流的流動(dòng)方式。3.1.3管程安排考慮到水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下，所以使水走管程，果汁走殼程；由于果汁有弱酸性，又因不銹鋼管較碳鋼管有較好的抗酸腐蝕性，故選用的不銹鋼管。3.2確定物性數(shù)據(jù) 定型溫度：對(duì)于一般液體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)、出口溫度的平均值。故殼程果汁的定性溫度為 管程流體的定性溫度為 t=果汁在50下有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： ； ；水在80下有關(guān)物性數(shù)據(jù)： ； ；3.3計(jì)算總傳熱系數(shù)3.3.1熱流量3.3.2平均傳熱溫差

16、3.3.3水用量3.3.4總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)>4000(湍流區(qū))對(duì)流傳熱系數(shù)： 殼程傳熱膜系數(shù)：假設(shè) 查2附圖9得：管外污垢熱阻 管內(nèi)污垢熱阻不銹鋼熱導(dǎo)率3.4計(jì)算換熱面積 考慮15%的面積裕度：3.5工藝尺寸計(jì)算3.5.1管徑和流速：取的不銹鋼管 流速u=0.5m/s3.5.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)：依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)（根）按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長度為：傳熱管長：按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，現(xiàn)取傳熱管長=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為:管程數(shù)總根數(shù)：3.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)： 按雙殼程四管程結(jié)構(gòu)

17、圖，查圖得：平均傳熱溫差：3.5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，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。取管心距橫過管束中心線管數(shù)：隔板中心到其最近一排管中心距： 管心距為44mm3.5.5殼體內(nèi)經(jīng)采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可取D=159mm3.5.6折流板弓形折流板 高度為殼體內(nèi)經(jīng)的25%，則切去圓缺的高度取h=150mm折流擋板間距： 取B=100mm折流擋板數(shù)目：3.6換熱器核算3.6.1傳熱面積校核管程傳熱膜系數(shù)：管程流體流通截面積：管程流體流速：殼程傳熱膜系數(shù)：對(duì)圓缺形折流板,可采用克恩公式：當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積

18、：總傳熱系數(shù)K管外污垢熱阻 管內(nèi)污垢熱阻不銹鋼熱導(dǎo)率傳熱面積校核：換熱器試劑傳熱面積：傳熱面積裕度：H=該換熱器的面積裕度在15-25之間，則所設(shè)計(jì)換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.6.2換熱器內(nèi)壓降的核算管程阻力： 由Re=25869 傳熱管相對(duì)粗糙度/d=0.01 查2-Re 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖得：=0.041 流速 10Kpa < 13.0 Kpa <100 Kpa管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力： 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 流體流過折流板缺口的阻力 Re>500時(shí)，總阻力:所以殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。四、輔助設(shè)備的計(jì)算及選型4.1拉桿規(guī)格由于殼體直徑小于600mm，所以

19、拉桿選取外徑12mm的拉桿，共4根，均勻布置在管束外邊緣。4.2接管4.2.1管程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)液體流速為由 圓整后可取管內(nèi)徑為30mm4.2.2殼程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)液體流速為由 圓整后可取管內(nèi)徑為35mm五、換熱器結(jié)果總匯表參數(shù)管程殼程流率/(Kg/h)32803000進(jìn)（出）口溫度/95（70）36（72）物性定性溫度/82554密度/(kg/m3)971.81030定壓比熱容4.195kJ/(Kg·)3.183kJ/(Kg·)黏度/Pa·s0.355×10-31.8×10-3熱導(dǎo)率0.674W/(m·0.58W/(

20、m·普朗特?cái)?shù)2.219.88設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式填料函殼程數(shù)2殼體內(nèi)徑/mm159臺(tái)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24折流板數(shù)/個(gè)44傳熱面積/m28.48折流板間距/mm100管程數(shù)4材質(zhì)不銹鋼主要涉及結(jié)果管程殼程流速/(m/s)0.450.23表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(m2·31751655污垢熱阻/(m2·)/W0.0001720.000344阻力/Mpa0.0130.009熱流量/Kw94.59傳熱溫差/26.8傳熱系數(shù)/W/(m2·593裕度1.29六、設(shè)計(jì)評(píng)述通過本次的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)換熱器

21、的結(jié)構(gòu)和工作原理有了進(jìn)一步的理解。并在設(shè)計(jì)過程中掌握了一定的工藝計(jì)算方法。同時(shí)，也讓我更深刻的了解到全局觀念的重要性。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)：首先要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的換熱器形式。通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的核算，浮頭式和填料函式換熱器能夠滿足本次設(shè)計(jì)的基本需求。浮頭式換熱器雖然是從性能各方面看都是本次設(shè)計(jì)理想的換熱器，但是對(duì)于同樣能滿足需求的兩個(gè)換熱器來說，填料函式換熱器成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)簡單，易于維修和清洗。所以綜合考慮設(shè)計(jì)參數(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面條件后，我最終選擇了填料函式換熱器。其次，要選擇合適的流體流徑。根據(jù)選擇的主要因素分析，有好多理論相互之間是矛盾的，并不能使條件一一滿足。所以要抓住主要矛盾，依據(jù)傳熱效果好，清洗方便等具體情況分析，最終選擇了水走管程，果汁走殼程。根據(jù)平均傳熱溫差校正系數(shù)P、R查表得應(yīng)滿足的要求。而在單殼程流動(dòng)形式下達(dá)不