《環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)》

1、Yibin University環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)題 目 列管式換熱器的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 資環(huán) 學(xué)生姓名 陳皓 年 級(jí) 化工12級(jí)4班 指導(dǎo)教師 徐慎穎 化學(xué)與化工學(xué)院任務(wù)書一、設(shè)計(jì)目的培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)去完成換熱單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)的實(shí)踐能力二、設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)的設(shè)備必須在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的，操作上是安全的，環(huán)境上是友好的三、設(shè)計(jì)題目列管式換熱器設(shè)計(jì) 四、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 煤油 16萬噸/年 4*原料溫度煤油： 入口132，出口47 地點(diǎn)： 宜賓煤油物性數(shù)據(jù)允許壓降：不大于冷卻介質(zhì)任選五、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、概述2、設(shè)計(jì)方案的選擇3、確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)4、

2、設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算總傳熱系數(shù)計(jì)算傳熱面積需考慮設(shè)備與環(huán)境之間熱交換，保溫等條件5、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定傳熱面積、管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定接管尺寸的確定 6、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 7、設(shè)計(jì)心得目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc408736909 任務(wù)書 PAGEREF _Toc408736909 h 2 HYPERLINK l _Toc408736910 概述與設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc408736910 h 3 HYPERLINK l _Toc408736911 一、換熱器的類型 PAGEREF _Toc408736911 h 3 H

3、YPERLINK l _Toc408736912 二、換熱器 PAGEREF _Toc408736912 h 4 HYPERLINK l _Toc408736913 三、換熱器類型 PAGEREF _Toc408736913 h 4 HYPERLINK l _Toc408736914 1.固定管板式換熱器 PAGEREF _Toc408736914 h 4 HYPERLINK l _Toc408736915 型管換熱器 PAGEREF _Toc408736915 h 5 HYPERLINK l _Toc408736916 3.浮頭式換熱器 PAGEREF _Toc408736916 h 5 H

4、YPERLINK l _Toc408736917 4.填料函式換熱器 PAGEREF _Toc408736917 h 5 HYPERLINK l _Toc408736918 四、換熱器類型的選擇 PAGEREF _Toc408736918 h 6 HYPERLINK l _Toc408736919 五、流徑的選擇 PAGEREF _Toc408736919 h 6 HYPERLINK l _Toc408736920 六、材質(zhì)的選擇 PAGEREF _Toc408736920 h 7 HYPERLINK l _Toc408736921 七、管程結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc408736921 h

5、 7 HYPERLINK l _Toc408736922 設(shè)計(jì)計(jì)算 PAGEREF _Toc408736922 h 7 HYPERLINK l _Toc408736923 一、確定設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc408736923 h 7 HYPERLINK l _Toc408736924 1.選擇換熱器的類型 PAGEREF _Toc408736924 h 7 HYPERLINK l _Toc408736925 2.流動(dòng)空間及流速的確定 PAGEREF _Toc408736925 h 8 HYPERLINK l _Toc408736926 二、確定物性數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc4087

6、36926 h 8 HYPERLINK l _Toc408736927 三、計(jì)算總傳熱系數(shù) PAGEREF _Toc408736927 h 8 HYPERLINK l _Toc408736928 1.熱流量 PAGEREF _Toc408736928 h 8 HYPERLINK l _Toc408736929 2.平均傳熱溫差： PAGEREF _Toc408736929 h 8 HYPERLINK l _Toc408736930 3.冷卻水用量 PAGEREF _Toc408736930 h 8 HYPERLINK l _Toc408736931 4.總傳熱系數(shù)K PAGEREF _Toc4

7、08736931 h 9 HYPERLINK l _Toc408736932 四、計(jì)算換熱面積 PAGEREF _Toc408736932 h 9 HYPERLINK l _Toc408736933 五.工藝結(jié)構(gòu)尺寸 PAGEREF _Toc408736933 h 10 HYPERLINK l _Toc408736934 1.管徑和管內(nèi)流速 PAGEREF _Toc408736934 h 10 HYPERLINK l _Toc408736935 2.管程和傳熱管數(shù) PAGEREF _Toc408736935 h 10 HYPERLINK l _Toc408736936 3.平均傳熱溫差校正及殼

8、程數(shù) PAGEREF _Toc408736936 h 10 HYPERLINK l _Toc408736937 4.傳熱管的排列和分程方法 PAGEREF _Toc408736937 h 11 HYPERLINK l _Toc408736938 5.殼體內(nèi)徑 PAGEREF _Toc408736938 h 11 HYPERLINK l _Toc408736939 6.折流板 PAGEREF _Toc408736939 h 11 HYPERLINK l _Toc408736940 7.接管 PAGEREF _Toc408736940 h 11 HYPERLINK l _Toc408736941

9、六、換熱器核算 PAGEREF _Toc408736941 h 12 HYPERLINK l _Toc408736942 1.熱量核算 PAGEREF _Toc408736942 h 12 HYPERLINK l _Toc408736943 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) PAGEREF _Toc408736943 h 12 HYPERLINK l _Toc408736944 總傳熱系數(shù)K。 PAGEREF _Toc408736944 h 13 HYPERLINK l _Toc408736945 傳熱面積校核 PAGEREF _Toc408736945 h 13 HYPERLINK l _Toc408736

10、946 2.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 PAGEREF _Toc408736946 h 14 HYPERLINK l _Toc408736947 管程阻力 PAGEREF _Toc408736947 h 14 HYPERLINK l _Toc408736948 殼程阻力 PAGEREF _Toc408736948 h 14 HYPERLINK l _Toc408736949 七、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表 PAGEREF _Toc408736949 h 15 HYPERLINK l _Toc408736950 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc408736950 h 16概述與設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介一

11、、換熱器的類型列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關(guān)內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和

12、殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。二、換熱器 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。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

13、冷、熱流體不允許直接接觸的場(chǎng)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(jiǎn)單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場(chǎng)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(jiǎn)單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其

14、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)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(jìng)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)

15、。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。三、換熱器類型根據(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熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)余構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)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。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，

16、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(jiǎn)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)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)

17、，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，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(jiǎn)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。四、換熱器類型的選擇 選擇

18、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：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。尤其在高壓、高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)。五、流徑的選擇 在具體設(shè)計(jì)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

19、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)：不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力高，宜走管程。飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)冷卻效果。 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。粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，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

20、變，在低Re(Re100)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因?yàn)楸跍亟咏鼈鳠崮は禂?shù)較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢且煤油粘度大并且泄露后危險(xiǎn)性大，水的體積小，所以為便于水垢清洗和安全適用，應(yīng)使水走管程，煤油走殼程的碳鋼管。六、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

21、，可以選擇使用不銹鋼材料。七、管程結(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。設(shè)計(jì)計(jì)算一、確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體（煤油）進(jìn)口溫度132，出口溫度47；冷流體（

22、江水）入口溫度35，出口溫度45。兩流體的定性溫度：煤油T=（132+47）/2=8自來水T=(35+45)/2=40流體溫差T1-T2=8-40 =49.5該換熱器用自來水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)出口溫度會(huì)降低，換熱器的管壁溫和殼體壁溫相差大，因此選用帶膨脹節(jié)的列管式換熱器。2.流動(dòng)空間及流速的確定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使水走管程，煤油走殼程的碳鋼管，選用的碳鋼管，管內(nèi)流速取二、確定物性數(shù)據(jù) 物性流體定性溫度密度粘度Pas導(dǎo)熱系數(shù)w/(m)比熱容kj/(kg)煤油825 自來水409947272774三、計(jì)算總傳熱系數(shù)1.熱流量2.平均傳熱溫差：3.冷卻水用量4.總傳熱系數(shù)K

23、其中 管程對(duì)流傳熱系數(shù)：（其中被加熱介質(zhì)n=0.4) 自選殼程傳熱系數(shù) 碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)污垢熱阻 四、計(jì)算換熱面積考慮15%的面積裕度五.工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速2.管程和傳熱管數(shù) 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，現(xiàn)取管長(zhǎng)為6m則（管程）則傳熱管數(shù)總根數(shù)3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)計(jì)算如下： 但R=4的點(diǎn)很難在圖上讀出，因而以相應(yīng)1/R代替R，PR代替P，按一殼程，二管程結(jié)構(gòu)，查表知平均傳熱溫差4.傳熱管的排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距=橫過管束中心線的管數(shù)5.殼體內(nèi)徑取管板利用率則殼體內(nèi)徑為計(jì)算得到的殼體直徑應(yīng)按換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整?？扇=380mm。6.折流板 采用弓形折流板圓缺高度為殼體