換熱器課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)成績東南大學(xué)成賢學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目： 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)姓名：董佳琦專業(yè)：化學(xué)工程與工藝班級：11化工 2班學(xué)號：06111201指導(dǎo)教師：姚剛設(shè)計(jì)地點(diǎn)成賢院 315設(shè)計(jì)時(shí)間： 2013 年 09 月 02 日至 2013 年 09 月 12 日完成時(shí)間： 2013 年 09 月 12 日- 1 -課程設(shè)計(jì)目錄前言 ,31.管殼換熱器的設(shè)計(jì)書 ,62.設(shè)計(jì)方案的確定 ,62.1.管殼換熱器的型式 ,62.2.流程的選擇 ,63. 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇列管換熱器的型式,63.1.定性溫度 ,73.2.物性參數(shù) ,74. 換熱器的工藝計(jì)算 ,74.1.估算總傳

2、熱系數(shù) ,74.1.1.熱流量 ,74.1.2平均傳熱溫差 ,74.1.3冷卻劑水用量 ,84.1.4.選取 K 值，估算總傳熱系數(shù) ,84.2估算傳熱面積 ,85.換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) ,86.5.1.管徑和管內(nèi)流速 ,85.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) ,85.3.傳熱管排列和分程方法 ,85.4.計(jì)算平均傳熱溫差 ,95.5.殼體內(nèi)徑 ,95.6.折流板 ,95.7.計(jì)算殼程流通面積及流速 ,95.8.計(jì)算管程流通面積及流速,106.換熱器核算 ,106.1傳熱系數(shù)的校核 ,106.1.1傳熱面積 ,106.1.2.核算總傳熱系數(shù) ,116.1.3.污垢熱阻 ,116.1.4對流傳熱系數(shù) ,

3、116.1.5殼體對流傳熱系數(shù) ,116.1 6. 傳熱面積 ,116.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 ,126.2.1.管程流動(dòng)阻力 ,126.2.2.殼程流動(dòng)阻力 ,127.換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 ,138.在 ChemCAD中的結(jié)果 ,149.附圖 ,1510. 總結(jié) ,1711. 參考文獻(xiàn) ,17- 2 -課程設(shè)計(jì)前言換熱器是化工、 煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠， 換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用35%40%。換熱器在其他部門如動(dòng)力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和選擇得到使用、高效的換熱器對降低設(shè)備的造價(jià)和

4、操作費(fèi)用具有十分重要的作用。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡稱換熱器， 是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、 蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，如表2-1 所示。表 2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類類型特點(diǎn)剛性結(jié)構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般 50），管間不能清洗固定管式帶膨脹節(jié)有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力列浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合管U 型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難間管外填料函管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì)填料函式殼內(nèi)填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場合

5、式釜式殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮壁雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中式套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱螺旋管式噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝式板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱板螺旋板式可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用做回收低溫?zé)崮苊媸絺惆迨浇Y(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合1. 管殼式換熱器- 3

6、-課程設(shè)計(jì)管殼式換熱器又稱列管式換熱器， 是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備， 它具有結(jié)構(gòu)簡單， 堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種：（1）固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉， 但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強(qiáng)不高于600Kpa 的情況。（ 2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個(gè)不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自

7、由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。 浮頭式換熱器的管束可以拉出， 便于清洗和檢修， 適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。（ 3）填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹， 與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單， 造價(jià)低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。2. 蛇管式換熱器蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單， 操作最方便的一種換熱設(shè)備， 通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。3. 套管式換熱器套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U 型時(shí)管順次連接，外管與外管互相連接而成， 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單

8、， 能耐高壓， 傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動(dòng)，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。1 平蓋2平蓋管箱 ( 部件 )3接管法蘭4管箱法蘭5固定管板6殼體法蘭- 4 -課程設(shè)計(jì)7防沖板8儀表接口9加強(qiáng)圈10殼體(部件) 11折流板12旁路擋板13拉桿14定距管15支持板16雙頭螺柱或螺栓17螺母18外頭蓋墊片19外頭蓋側(cè)法蘭20外頭蓋法蘭21 吊耳22放氣口23凸形封頭24浮頭法蘭25浮頭墊片26球冠形封頭27浮動(dòng)管板28浮頭蓋 (部件)29外頭蓋 (部件)30排液口31鉤圈32接管33活動(dòng)鞍座 ( 部件 ) 34換熱管

9、35擋管36管束( 部件 ) 37固定鞍座(部件)38滑道39管箱墊片40管箱圓筒 ( 短節(jié) )41封頭管箱(部件)42分程隔板換熱器材質(zhì)的選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、 部件的材料， 應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥， 不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。一般

10、換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。（1）碳鋼價(jià)格低，強(qiáng)度較高， 對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。（2）不銹鋼奧氏體系不銹鋼以 1Crl8Ni9Ti 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的 18-8 奧氏體不銹鋼， 有穩(wěn)定的奧氏體組織， 具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊； 正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器， 外圓管布管均勻， 結(jié)構(gòu)更為緊湊。 我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊； 正方形排列便于機(jī)械清洗； 同心圓排列用于小殼徑換熱器， 外圓管布管

11、均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。- 5 -課程設(shè)計(jì)1化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目 ：水冷卻氯苯換熱器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書 ：操作條件：氯苯：入口溫度120，出口溫度21冷卻介質(zhì)：河水，入口溫度20允許壓強(qiáng)降：不大于100KPa每年按 330 天計(jì)，每天24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)作處理能力 ： 41 萬噸 /年設(shè)備型式 ：管殼式換熱器設(shè)計(jì)要求 ：1. 選定管殼式換熱器的種類和工藝流程2. 管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸設(shè)計(jì)3. 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表4. 設(shè)備簡圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）5. 對本設(shè)計(jì)的評

12、述及有關(guān)問題的討論2設(shè)計(jì)方案的確定2.1. 管殼換熱器的型式：用河水做冷卻劑時(shí)， 出口溫度不宜超過40 度，選定出口溫度為30 度。兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 120，出口溫度 21；冷流體進(jìn)口溫度 20，出口溫度為 30，該換熱器用循環(huán)河水冷卻， 冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，兩側(cè)的溫差比較大。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、制造較容易、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。故因此初步確定選用列管式換熱器。2.2 流程的選擇：從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使氯苯走管程，循

13、環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，氯苯走殼程。3. 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇管殼換熱器的型式3.1. 定性溫度- 6 -課程設(shè)計(jì)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。氯苯的定性溫度為：12021T70.52水的定性溫度為：2030t252管程冷卻水的定性溫度為t=25 ( °C) 殼程氯苯的定性溫度為T=70.5 ( °C)3.2.物性參數(shù)根據(jù)在定性溫度，分別查詢殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。氯苯在 70.5 ° C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 0=1053

14、 / m3定壓比熱容Cp0=1.47 kJ/（ kg.k ）導(dǎo)熱系數(shù) 0=0.118（ W/m.k）粘度 0=0.00045 （ Pa.s ）循環(huán)冷卻水在25° C 下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 i=995.6 / m3定壓比熱容cpi=4.18kJ/（ kg.k ）導(dǎo)熱系數(shù) i=0.613（ W/m.k）粘度 i=0.000801 （ Pa.s ）4. 換熱器的工藝計(jì)算4 1 估算總傳熱系數(shù)4 1.1 熱流量（忽略熱損失）Q m0ct04100000001.47 (120 21) 7.50 10 6 ( KJ / h) 2.085 106 ( w)330244 1 2 平均傳熱溫差（

15、忽略熱損失）t 2(120 90)(21 20)t1tmt1ln (12090)19.8lnt2(2120)- 7 -課程設(shè)計(jì)4 1.3冷卻水用量QT7.50 106qmt4.18 (30179426( kg / h)C p i20)4 1 4 估算總傳熱系數(shù)選取 K 值=489W/( . )4. 2 估算傳熱面積由 Q=KA tm 得SQ2085000224.41m2K 估 t489195換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)5.1 管徑和管內(nèi)流速選用 252.5mm 的碳鋼管，管內(nèi)流速取1.0m / s 。5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑流速確定單程傳熱管數(shù)：qv179426Ns3600 999.

16、7160根20.7850.02 21.0di u4按單程管計(jì)算，所需的傳熱管的管長度為：LS估224.4117.9( m)d0 N s3.14 0.025160由上面的計(jì)算結(jié)果可知，按單程管設(shè)計(jì)的話，傳熱管過長，應(yīng)該采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 l=9m，則該換熱器管程數(shù)為：L17.92N p9l傳熱管數(shù)量為：N1602320(根）5.3傳熱管排列和分程方法采用組合排列方法，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t1.25d 0 ,則t=1.25 × 25 32mm- 8 -課程設(shè)計(jì)橫過管束中心線的管數(shù)：nc1.1 32019.6820(根 )5.4.計(jì)算平均傳熱

17、溫差計(jì)算逆流平均溫差t2t12020T1T2120219.9Pt1120200.1 Rt13020T1t2由 R 和 P 查“查化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)圖2-6(a)”得0.95因兩流體的平均溫差為：t mttm0.9519.8195.5.殼體內(nèi)徑殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。采用多管程結(jié)構(gòu)，取管的利用率 =0.7，則殼體的內(nèi)徑為：D1.05tN /1.050.032320 / 0.70.65m圓整可取D=700mm 。5.6.折流板安裝折流板的目的是為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流速度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用

18、以流體橫向穿過管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳熱， 同時(shí)用以支撐管束、防止管束震動(dòng)和管子彎曲的作用。弓形折流板簡單，性能優(yōu)良，在實(shí)際中最常用。本次設(shè)計(jì)采用弓型折流板。圓缺高度采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的35% ，則圓缺高度為：h=0.35 ×0.7=0.25m ，折流板間距折流板間距B=0.21D ，則：B=0.21 × 0.7=0.15mm ，折流板數(shù)折流板數(shù)傳熱管長9（塊）N B折流板間距-10.15-1 595.7.計(jì)算殼程流通面積及流速- 9 -課程設(shè)計(jì)殼程流通截面積：do) 0.150.7(10.0250.023m2s BD (1)ot0.032殼

19、程流體流速極其雷諾數(shù)分別為：wuos 360051767.68 /(36001053)0.6 m / s0.023Reou0 de c0.0270.6 10530.0004537908c5.8. 計(jì)算管程流速管內(nèi)柴油流速：1 /uim sui di 1 995.60.0224859雷諾數(shù)： Rei10 30.8016. 換熱器核算6.1傳熱系數(shù)的校核6.11殼體對流傳熱系數(shù)0對圓缺形折流板，可用Kern 公式：00.360 Re00.55 Pr1 / 3 (0 )0 .14dew當(dāng)量直徑：de4(t 24d02 )4(0.032 240.0252 )d00.027(m)0.025Re 0u0

20、dec0.027 0.61053379080.00045c普朗特準(zhǔn)數(shù)： Pr0C p31.47103 0.451030.1185.6粘度校正： (0 ) 0.14 1，則w-10-課程設(shè)計(jì)0 0.360 Re00.55 Pro1/3 (0 ) 0.14dew0.360.11837908 0.555.61/ 310.027921.55( w / m2）6.1 2 對流傳熱系數(shù)iC p4.1710 30.801 1035.45普朗特準(zhǔn)數(shù)： Pri0.613則管程對流傳熱系數(shù)為：i0.023Rei0.8 Pri0.3di0.0230.613(24859) 0.85.45 0.40.024561W /

21、( m2 )6 1 3. 污垢熱阻（內(nèi)側(cè)） Rsi0.000210( m2 / w)（外側(cè)） R0.000176( m2 / w)s06 1 4. 計(jì)算總傳熱系數(shù) K 計(jì)以表面為基準(zhǔn)計(jì)算總傳熱系數(shù)K 計(jì) ，由下式可得：K計(jì)1bd0d0d010RsodmRsi dii di10.0250.000210 0.0250.00250.0250.000176145610.020.02500.0225921.55537.8(w / m2 ）6.15. 核算總傳熱系數(shù)K 計(jì)537.8K 估1.104896.16. 傳熱面積-11-課程設(shè)計(jì)S0Q2.08510 6204.05 m2K 計(jì) tm537.819該

22、換換熱器的實(shí)際傳熱面積：SPd0 LN3.140.0259 320 226.08m 2該換熱器的面積裕度為：SPS0 226.08204.05H10.8%S0204.05傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。殼程流動(dòng)阻力在允許的范圍內(nèi)。6.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力6.2.1.管程流動(dòng)阻力pt( pipr )N s N p FsN s1 , Np2 ,piilu2d i2由 Re=24859，傳熱管對粗糙度 0.01m，查莫狄圖得 i 0.041，流速 u=0.60m/s,995.6kg / m3 , 所以 :pi0.041912995.60.0229184.41Papr3 u23995

23、.6121493Pa22p1(9184.411493)21.429896.7Pa10887.52 Pa 小于 50K Pa所以：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。6.2.2.殼程流動(dòng)阻力pt( pi 'p' r ) N sFs （其中 Fs=1.15 ， Ns=1）-12-課程設(shè)計(jì)p0( p'p')FSNS12管子按正三角形排列F0.5Ff 0 nc (N Bu02p11)2ncN BA0u0Re0f 01.132019.682059h( D n c d 0 ) 0.15(0.7 200.025) 0.03m251767.680.6m / s360010530.023

24、d eu00.0270.6 1053379080.4510 35.0 Re00.2285.037908 0.2280.45p1'0.50.4520601053 0.6 251175.8Pa2p2'N B (3.52h)u0234347.4PaD2p0(51175.834347.4)1.1598351.6Pa98351.6Pa 小于 50K Pa所以：殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)7. 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果：參數(shù)流率（ kg / h ）進(jìn)（出）溫度 / oc壓力 /Mpa定性溫度 / oc密度 (kg / m3)定壓比熱容物性管程殼6820/301

25、20/21<0.1<0.12570.5995.610534.181.47/ kJ /( kg.oc)黏度 /pa.s0.8011030.4510 3熱導(dǎo)率 / w /(m.k)0.6130.118-13-課程設(shè)計(jì)普朗特?cái)?shù)5.455.6型式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑 /mm700臺數(shù)1管徑 /mm252.5管心距 /mm32設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)管長 /mm9000管子排列正三角形管數(shù)目 /根320折流板數(shù) / 個(gè)59傳熱面積 / m2226.08折流板間距 /mm150管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速 (m/s)10.6表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) / w /(m2.o c)456137908污垢熱阻

26、/ m 2.oc / w)0.2110 30.17610 3阻力 /kpa29.9098.35熱流量 /w2085000傳熱溫差 / oc19傳熱系數(shù) / w /(m2.o c)537.8裕度 /%10.88. 在 ChemCAD中的結(jié)果SUMMARY REPORT-General Data:Heat Transfer Data:Exch Class/TypeR/AELEffectiveTransferArea 219.02Shell I.D.0.70Area Required380.44Shell in Series/Parallel1/1COR LMTD13.57Number of Tub

27、es320U (Calc/Service)428.70/744.66Tube Length9.00 Heat Calc4585.74Tube O.D./I.D. 0.0250/0.0200Heat Spec7965.53Excess %-42.43-14-課程設(shè)計(jì)Tube PatternTRI30 Foul(S/T)1.761E-004/1.761E-004Tube Pitch0.03Del P(S/T)13.49/50.69Number of Tube Passes2 SS Film Coeff697.13Number of Baffles57 SS CS Vel0.35Baffle Spacing0