熱水冷卻器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、化工原理課程設(shè)計(jì)熱水冷卻器的設(shè)計(jì)：響學(xué)號(hào)： 2011033216班級(jí)：化學(xué)工程與工藝 112 班一、設(shè)計(jì)題目： 4二、設(shè)計(jì)目的： 4三、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 ： 4四、設(shè)計(jì)容 ： 5五、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的容 5四、參考書(shū)目： 5前 言 6一、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介： 61.1 換熱器的選擇： 6一、方案簡(jiǎn)介 7二、方案設(shè)計(jì) 81確定設(shè)計(jì)方案 92、確定物性數(shù)據(jù) 93初選換熱器規(guī)格 9(2) 冷卻水用量 105. 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 105.1 管徑和管流速及管長(zhǎng) 105.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 105.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 115.4 傳熱管排列和分程方法 115.5 殼體徑 125.6 折流板 125.7

2、 接管 126 換熱器核算 136.1 熱量核算 136.2 換熱器流體的壓力降 15三、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽 17任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目：熱水冷卻器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的：通過(guò)對(duì)熱水冷卻的列管式換熱器設(shè)計(jì)，達(dá)到讓學(xué)生了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念?lèi)型，同時(shí)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(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。三、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：51. 處理量2.510 噸/年熱水2. 設(shè)備型式列管換熱器3. 操作條件：(1) 熱水：入口溫度 80 C,出口溫度 60 C(2) 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 25 C,出口溫度35 C5(3) 允許壓降：三10 Pa(4

3、) 水在定性溫度70 E下的物性數(shù)據(jù)：3h 995.7Kg/mh 4.061 10 4 Pa SCph 4.187KJ /(Kg C )0.6676W /(m C)（5）水在定性溫度70C下的物性數(shù)據(jù):995 .7Kg/m48.00710 4 Pa SC pc 4.147 KJ /( KgC)0.6176 W /( m C )（4）每年按 300天計(jì)，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行4. 建廠地址:地區(qū)四、設(shè)計(jì)容 :隔板及接管（1）設(shè)計(jì)計(jì)算列管換熱器的熱負(fù)荷、傳熱面積、換熱管、殼體、管板、封頭、 等。）（2）繪制列管式換熱器的裝配圖。（3）編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。五、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的容設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中應(yīng)包括所

4、有論述、原始數(shù)據(jù)、計(jì)算、表格等，編排順序如下:（1）標(biāo)題頁(yè)；（2）設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)；（3）目錄；（2）設(shè)計(jì)方案1. 選擇換熱器的類(lèi)型 2. 管程安排（5）確定物性數(shù)據(jù)（6）主要工藝參數(shù)計(jì)算（熱負(fù)荷，平均溫差、總換熱系數(shù)、換熱面積等）（7）壓降計(jì)算；（8）設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表（9）附圖（工藝流程簡(jiǎn)圖、主體設(shè)備工藝條件圖）（10）參考文獻(xiàn)四、參考書(shū)目:1. 敏恒等，化工原理 . 上下冊(cè) . :化學(xué)工業(yè)， 2002.2. 賈紹義，柴誠(chéng)敬等， 化工原理課程設(shè)計(jì) ，大學(xué)， 1994.3. 匡國(guó)柱，史啟才等化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) ，化學(xué)工業(yè)， 2002.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

5、業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備。它不僅可以單獨(dú)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(shí)， 一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入， 在管流動(dòng)， 從封頭另一端的出口管流出， 這稱(chēng)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(chēng)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(jì)， 熱水冷卻器的設(shè)計(jì)。 通過(guò)對(duì)熱水冷卻的列管式換熱器設(shè)計(jì)， 了 解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念?lèi)型， 同時(shí)還能根據(jù)傳熱的基本原理， 選擇流程，確定換熱

6、器的基本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，養(yǎng)成科學(xué)探索精神，細(xì)心鉆研，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)，理論聯(lián)系實(shí)際，并進(jìn)一步熟練相關(guān)的軟件，Microsoft office , ChemBioOffice , Origin85 , AutoCAD2008等。、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)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(shí)， 一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)， 從封頭另一端的出口管流出， 這稱(chēng)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

7、處流出，這稱(chēng)為殼程。列管式換熱器種類(lèi)很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要有以下幾種：1 固定管板式換熱器：這類(lèi)換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、 緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)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(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的， 而管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(shí)， 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。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50C以上

8、時(shí)，為安全起見(jiàn)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于 6070C和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過(guò)0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?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(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱(chēng)之為“浮頭” ，所以這種換熱器叫做浮 頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)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(shí)， 不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 其缺點(diǎn)為結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。3. U型管

9、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(bǔ)償問(wèn)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(diǎn)是管子壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適 用于高溫高壓條件。4. 填料函式換熱器：這類(lèi)換熱器管束一端可以自由膨脹， 結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單， 造價(jià)也比浮頭式低。 但殼程介質(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 80C，出口溫度60C；冷流體進(jìn)口溫度25C，出口溫度35C。本任務(wù)給定列管式換熱器。一、方案簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)任務(wù)是利用循環(huán)水給熱水降溫。利用熱傳遞過(guò)程

10、中對(duì)流 傳熱原則，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。下圖（圖 1）是工業(yè)生產(chǎn)中 用到的列管式換熱器 .選擇換熱器時(shí)，要遵循經(jīng)濟(jì)，傳熱效果優(yōu)，方便清洗，復(fù)合實(shí)際需 要等原則。換熱器分為幾大類(lèi)：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器， 噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，熱 管式換熱器，列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場(chǎng)合。而 列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容 易、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在咼壓、咼溫和大 型裝置中使用更為普遍。所以首選列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。二、方案設(shè)計(jì)需將熱水液體從80C冷卻到60C。處理能力為2.5 X 105噸/年

11、。冷卻介質(zhì)采 用循環(huán)水，入口溫度25C，出口溫度35C。要求換熱器的管程和殼程的壓降不 大于105Pa。試設(shè)計(jì)能完成上述任務(wù)的列管式換熱器。（每年按300天，每天24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）1. 確定設(shè)計(jì)方案(1)選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度80C，出口溫度60C冷流體。冷流體進(jìn)口溫度25C,出口溫度35C。從兩流體溫度來(lái)看，估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會(huì)很大，因此 初步確定選用固定管板式換熱器。(2 )流動(dòng)空間及流速的確定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)水垢，應(yīng)使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用0 25X 2.0的不銹鋼2、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。80+ 60

12、70C殼程熱水的定性溫度為:管程循環(huán)水的定性溫度為：t= 25土35 =30C2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)水在定性溫度70 r下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：3密度p h=997.8 kg/m定壓比熱容 Cph=4.187kJ/(kg C )導(dǎo)熱系數(shù)入h=0.6676 W/(m C )粘度卩 h=4.061 x 10-4 Pa s水在定性溫度30 C下的物性數(shù)據(jù)：3密度p c=995.7kg/m定壓比熱容 c pc=4.147 kJ/(kg C) 導(dǎo)熱系數(shù)入c=0.6176 W/(m C )粘度卩 c=8.007 x 10-4 Pa s3. 初選換熱器規(guī)格按照殼層熱水計(jì)算熱負(fù)荷(

13、1)熱流量5W=2.5 x 10 x 1000-300 - 24 34722.222kg/hQ=WhA th=34722.222 x 4.187 x (80-60)=2907638.703 kJ/h=807.7 kW (1 kW=1000W 3600s=3600kJ)(2) 冷卻水用量w Qo 2907638.703 ”一/uWi070114.268kg/hcpi ti 4.147 (35 25)(3) 平均傳熱面積(4) 計(jì)算傳熱面積由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=950W/(m C)則估算的傳熱面積為Ao=Qo807677.7950 39.7921.30m2實(shí)際面積為估

14、算面積的1.2 /1.15-1.25 )倍，則實(shí)際傳熱面積為：Ao =1.2 X Ao=1.15 X221.30=24.58 m5.工藝結(jié)構(gòu)尺寸5.1管徑和管流速及管長(zhǎng)選用巾25 X 2.5傳熱管(碳鋼)，取管流速u(mài)i=1.2m/s，選用管長(zhǎng)為3m5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管徑和流速確定單程傳熱管數(shù)A實(shí)24.58出Nsdol104根3.14 0.025 3W/(3600 995.7)ds4按單程管計(jì)算其流速為70114.268/(3600 995.7)20.607m/s3.14 0.021044按單管程設(shè)計(jì)，流速過(guò)小，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。則該換熱器管程數(shù)為NpUi1.2u 0.6072 （管

15、程）傳熱管總根數(shù)N=104（根）5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)80 60 20 R235 2510P 35 2580 250.18255按單殼程，兩管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表?？傻胻 0.96平均傳熱溫差tm ttm 0.96 39.8 38.21C5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方 形排列。取管心距t=1.25 d 0，則t=1.25 X 25=31.25 32（mm）橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù)NC 11104 11.2 11根得到各程之間可排列11支管，即正六邊形可排 6層。則實(shí)際排 管數(shù)設(shè)為110根，其中4根拉桿，則實(shí)際換熱器為106根.

16、0.7，則殼體徑為5.5殼體徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率耳=丸1104D 1.05t ；1.05 32.409.5mmX 0.7圓整可取D= 400 mm5.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體徑的25%，則切去的圓缺高度為 h= 0.25 X400= 100mm故可取h= 100 mm 取折流板間距 B= 0.5D,貝U B= 0.5 X 400= 200mm可取B為200。折流板數(shù) 2=傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1=3000/200-1=14（塊）折流板圓缺面水平裝配。5.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管水流速為為u = 1.0 m/s，則接管徑d14 19.48/995.73

17、.14 1.00.250mm取標(biāo)準(zhǔn)管徑為108 mmX 11mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管冷卻水流速u(mài) = 1.5 m/s，則接管徑為J?4 34722222/(3600 7.8)0.082mV3.14 1.5取巾89mm 3.5mm無(wú)縫鋼管。6換熱器核算6.1熱量核算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式0.55 _ 1/30.36Re。 Pr （）de0.14當(dāng)量直徑，由正二角形排列得de4（仝 t22-do）44（仝 0.032222才.。25）0.020mdo3.14 0.025殼程流通截面積SoBD（1 空）0.2 0.4 （1 025） 0.0175mt0.032殼程流體流

18、速及其雷諾數(shù)分別為34722.222/（3600 997.8）0.01750.552m /sRe0.02 0.552 997.80.000406127126普蘭特準(zhǔn)數(shù)34.187 100.0004061Pr2.550.6676粘度校正（一）.141w0.36陛西 271260.550.022.551/3 14339W/（m2 C）管程對(duì)流傳熱系數(shù)i 0.80.4i 0.023Re Pr di管程流通截面積2 2S 0.785 0.02106/20.0166m管程流體流速Ui70114.268/(3600 995.7)0.01541.27m/sRei0.02 1.27 995.70.000800

19、731589.6普蘭特準(zhǔn)數(shù)c 4.147 1 03 0.0008007，Pr5.40.61760.61760 80 42i 0.02331589.6 .5.4 .5537.28W /(m C)0.02傳熱系數(shù)K(1) 污垢熱阻和管壁熱阻：管外側(cè)污垢熱阻Ro 0.000172m2 k/w管側(cè)污垢熱阻 R,0.0002m2 k/w管壁熱阻：查得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45.4w/(m C )。Rd。di有:Ro匕)255537.28 200.0002 25200.0025 2545.4 22.50.00017214339.211065.87w/m K傳熱面積SIISQKim807.677 1031

20、065.87 38.6119.62m2該換熱器的實(shí)際傳熱面積SpSpdoIN 3.14 0.025 (3 0.06) (106 11) 21.95m2該換熱器的面積裕度為Sp S 100% S21.95 19.6219.6211.9%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)6.2換熱器流體的壓力降管程流體阻力EA Pi=( P1 + A P2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5P1u2P2由Re- 27126.3，傳熱管相對(duì)粗糙度 0.2/20 = 0.001，查莫狄圖入 i = 0.028W/mC,流速 Ui = 0.864m/s , p = 995.7kg/m3，所以P1P223995.7 0.8640.028 -0.02 21560.9Pa995.7 0.864221114.9Pa管程壓力降在允許圍之622殼程壓力降P ( PF2) FtNsNs 1,Ft 1.15流體流