換熱器的設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)題 目:管殼式換熱器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 : 王忠系 別: 應(yīng)用化學(xué)系專 業(yè): 化學(xué)類年 級(jí): 13級(jí)學(xué) 號(hào): 201340600203成 績(jī):目 錄1前言 31.1換熱器簡(jiǎn)述 31.2換熱器分類 31.2.1按傳熱方式 31.2.2按換熱器的結(jié)構(gòu)分類 31.2.3市場(chǎng)規(guī)模及前景 32管殼試換熱器設(shè)計(jì) 4設(shè)備工藝設(shè)計(jì)計(jì)算如下 42.1確定設(shè)計(jì)方案 42.1.1選定換熱器類型 42.1.2選定流體流動(dòng)空間及流速 42.3.1計(jì)算熱負(fù)荷 52.3.2計(jì)算冷卻水用量 52.3.3計(jì)算逆流平均溫差 52.3.4初選總傳熱系數(shù) 52.3.5估算總傳熱面積 52.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 62.4.1管徑和管內(nèi)流速 62.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 62.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 首先計(jì)算P和R參數(shù)： 62.4.4傳熱管排列和分程方法 62.4.5殼體內(nèi)徑 72.4.6折流板 72.4.7其他附件 72.4.8接管 72.5換熱器核算 82.5.1傳熱能力核算 82.5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 102.6換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)果一覽表 11前言1.1換熱器簡(jiǎn)述在工業(yè)生產(chǎn)中，為了工業(yè)流程的需要，往往需要進(jìn)行各種不同方式的熱量變換， 如：加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等，換熱器就是用來實(shí)現(xiàn)上述熱量交換與傳遞的設(shè)備。通過各種設(shè)備，一邊使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。1.2換熱器分類1.2.1按傳熱方式換熱器按傳熱方式的不同可分為混合式、蓄熱式和間壁式三類?；旌鲜綋Q熱器是通過冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，化工廠和發(fā)電廠所用的涼水塔中，熱水由上往下噴淋，而冷空氣自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飛沫及水滴表面，熱水和冷空氣相互接觸進(jìn)行換熱，熱水被冷卻，冷空氣被加熱，然后依靠?jī)闪黧w本身的密度差得以及時(shí)分離。蓄熱式換熱器是利用冷、熱流體交替流經(jīng)蓄熱室中的蓄熱體(填料)表面，從而進(jìn)行熱量交換的換熱器，如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。間壁式換熱器的冷、熱流體被固體間壁隔開，并通過間壁進(jìn)行熱量交換的換熱器，因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。1.2.2按換熱器的結(jié)構(gòu)分類可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、 U形管板換熱器、板式換熱器等。1.2.3市場(chǎng)規(guī)模及前景2016年換熱器行業(yè)規(guī)模突破 1000億元，2020年實(shí)現(xiàn)由換熱器生產(chǎn)大國(guó)邁入世界換熱器強(qiáng)國(guó)的行列的奮斗目標(biāo)，為加快振興我國(guó)裝備制造業(yè)做出貢獻(xiàn)。產(chǎn)品精度、性能、壽命和可靠性達(dá)到同期國(guó)外大公司同類產(chǎn)品水平，重大裝備配套換熱器實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化：設(shè)第3頁(yè)共 12頁(yè)計(jì)和制造技術(shù)達(dá)到同期圈外大公司水平，有一批核心技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；有 3-5家擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和世界知名品牌、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)企業(yè)；行業(yè)生產(chǎn)和銷售總規(guī)模位居世界前列，有 2-3家內(nèi)資控股企業(yè)進(jìn)入世界換熱器銷售額前 10名；行業(yè)生產(chǎn)集中度達(dá)到80以上。這些都將為換熱器行業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間。未來，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)；要求產(chǎn)品性價(jià)比提高；對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化的需求趨勢(shì)強(qiáng)烈；逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用。管殼試換熱器設(shè)計(jì)某廠用地下水冷凝水蒸氣，允許壓強(qiáng)降不大于 1.0MPa，每年按330天計(jì)，每天24h連續(xù)進(jìn)行。熱水入口溫度85℃、出口溫度60℃，循環(huán)水入口溫度25℃、出口溫度50℃，處理能力為2.0×105t/a設(shè)備工藝設(shè)計(jì)計(jì)算如下兩流體均為無(wú)相變，本設(shè)計(jì)按非標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的一般設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1確定設(shè)計(jì)方案2.1.1選定換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體入口溫度為 85℃，出口溫度為 60℃；冷卻水入口溫度為25℃，出口溫度為 50℃。兩流體的定性溫度如下：熱流體的定性溫度 Tm=(85+60)/2=72.5℃循環(huán)水的定性溫度 tm=(50+25)/2=37.5℃兩流體的溫差 Tm-tm=72.5-37.5=35℃（<50℃）由于兩流體溫差不大，且熱流體污垢較少故可選用固定管殼式換熱器。2.1.2選定流體流動(dòng)空間及流速因循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于污垢清洗故選用地下水走管程，水蒸氣走殼程。同時(shí)選用25mm×2.5mm的較高級(jí)冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=1.10m/s。2.2確定物性數(shù)據(jù)查化工原理附錄，兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)見下表。第4頁(yè)共 12頁(yè)物定性溫度密度黏度比熱容熱導(dǎo)率性/℃/(kg/m3)mPa?skJ/(kg?℃)W/(m?℃)水蒸氣72.5977.80.40614.1870.667地下水37.5993.20.6884.1780.6432.3估算傳熱面積2.3.1計(jì)算熱負(fù)荷按管間水蒸氣計(jì)算，即m12.0105103(33024)25252.5kghQm1Cp1(T1T2)25252.54.178103（85-60）3600732.7kw2.3.2計(jì)算冷卻水用量忽略熱損失，則水的用量為732.71037.01kgs 25253.4kgh4.178103（50 25）2.3.3計(jì)算并流平均溫差并流溫差(6050)(8525)℃tm，并(8527.91ln[(60-50)25)]2.3.4初選總傳熱系數(shù)查傳熱手冊(cè)，參照總傳熱系數(shù)的大致范圍，同時(shí)考慮到合成器壓力較高，故可選用較大的傳熱系數(shù)，現(xiàn)假設(shè)K1250W（m2℃）。2.3.5估算總傳熱面積A'Q732.7103221mtm，并125027.91考慮10.5%的面積裕度 A=1.15A' 1.05 23 22m2第5頁(yè)共 12頁(yè)2.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.4.1管徑和管內(nèi)流速前已選定，管徑為 25mm×2.5mm，管內(nèi)流速為ui=1.50m/s。2.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)nsV7.01993.2s2215（根）n0.785diui0.7850.021.5按單管程計(jì)算所需換熱管的長(zhǎng)度LLS2218（米）nsdo153.140.025按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，根據(jù)本題實(shí)際情況，取傳熱管長(zhǎng)l=4.5m，則該換熱管的管程為NpL18.0（4管程）l4.5傳熱管的總根數(shù)NT15460（根）2.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)首先計(jì)算P和R參數(shù)：Pt2t150250.42RT1T285601T1t18525t2t15025單殼程四管程屬于 1-2折流，現(xiàn)用1-2折流的公式計(jì)算溫差校正系數(shù)和傳熱平均溫度差。由圖得Ψ=0.921(t2t1)tmR2ln2P(1RR1)22P(1RR1)tm121(5525)32.96C12ln20.42(111)20.42(11121)2.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列取管心距 t 1.25d,第6頁(yè)共 12頁(yè)則t=1.25×25≈32mm隔板中心到其最近一排管中心的距離 s：按凈空不小于6mm的原則確定，亦可按以下公式求?。篠=t/2+6mmS=32/2+6=22mm分程隔板兩側(cè)相鄰管排之間的管心距t 2S 2 22 44mma管中心距t與分成隔板槽兩側(cè)相鄰管排中心距 ta的計(jì)算結(jié)果，與表給出的數(shù)據(jù)完全一致，證明可用。2.4.5殼體內(nèi)徑采用兩管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.6，則殼體內(nèi)徑D 1.05t N/ 1.05 32600.6 336mm 圓整取D=400mm2.4.6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%，則切去的圓缺高度為h0.25400100mm取折流板間距為B=0.3D，則B0.3400120mm。則折流板數(shù)NB傳熱管長(zhǎng)4500（塊）折流板間距1137120折流板圓缺水平面安裝。2.4.7其他附件拉桿直徑為 12mm，其數(shù)量不少于 10跟。殼程入口應(yīng)設(shè)置防沖擋板。2.4.8接管2.4.8.1殼程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)液體流速為 5m/s，則接管內(nèi)徑4V 4 25252.5（3600 977.8）d==0.043mu3.145第7頁(yè)共 12頁(yè)取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 40mm 1.5mm2.4.8.2管程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為 1.5ms，則接管內(nèi)徑4V4（）d=3.141.50.077mu（取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 75mm 1.2mm）其余接管略。2.5換熱器核算2.5.1傳熱能力核算2.5.1.1殼程對(duì)流給熱系數(shù) 對(duì)于圓缺型折流板，可采用克恩公式當(dāng)量直徑由正三角形排列的得4（30.03220.0252）240.020m3.140.025殼程流通截面積0.120.4（10.025）0.0105m20.032殼程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為25252.5（3600977.8）0.68msu0.01050.0200.68977.832746Reo1044.0614.1871034.061104Pro0.667=2.55o0.360.677327460.552.551315066.5W（m2C）0.020第8頁(yè)共 12頁(yè)2.5.1.2管程給熱系數(shù)管程流通截面積Si 0.785 0.0202 60/4 0.0066管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為7.01993.21.07msui0.00660.0201.07993.2Ri30893100000.00068841740.000688Pri0.6434.470故采用下式計(jì)算i0.0230.643308930.84.470.45365.8W（m2C）0.0202.5.1.3污垢熱阻與管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取RSO0.00017m2CW管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取Rsi0.000086m2CW管壁的熱導(dǎo)率：碳鋼的熱導(dǎo)率 45W(m C)2.5.1.4總傳熱系數(shù)0.0250.0000860.0250.00250.02515365.80.020.020450.02250.000175066.57.6104m2CWK=1315W2.5.1.5傳熱面積理論傳熱面積732.71032131532.9616.m9該換熱器的實(shí)際換熱面積第9頁(yè)共 12頁(yè)3.14 0.025（4.5 0.1）60 20.72m2面積裕度為20.72 16.916.9換熱器面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。2.5.2核算壁溫

22.6%因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁壁溫按下式計(jì)算：1tm1TmRcRhtch11RhRcchTm(T1T2)2(8550)272.5Ctm0.4t20.6t10.4500.62535C取 兩 側(cè) 污 垢 熱 阻 為 零 計(jì) 算 壁 溫 ， 得 傳 熱 管 平 均 壁 溫 ：Tm/ctm/h72.53745.3356238.77t1/13745.358.43C1/ch16238.77殼體平均壁溫，近似取殼程流體的平均溫度，即72.5C殼體平均壁溫與傳熱管平均壁溫之差：72.5-58.43=14.07C2.5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力2.5.3.1管程流動(dòng)阻力pi p1 p2FtNpNs（Ft結(jié)垢校正系數(shù)，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù)）取換熱管壁粗糙度為 0.01mm，則 d 0.005，而Rei 30893，查圖得 i 0.026流速ui 1.07ms，密度 993.2kgm3。所以：Lu24.5993.21.072p1idii0.0253198Pa20.022p23ui23993.21.0721706Pa22第10頁(yè)共12頁(yè)對(duì)252.5mm的管子有Ft=1.4，Np=4，Ns=1pip1'p2'FtNpN（31981706）1.44137462.4Pas2.5.3.2殼程流動(dòng)阻力po（p'1p'2）FsNs(Fs為結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)液體Fs1.15，Ns為殼程數(shù))流體流經(jīng)管束的阻力p1'FofcnNB1uo22式中F—管子排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形錯(cuò)列F=0.4。fo—?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng)Reo500時(shí)，fo5.0Reo0.2285.0327460.2280.467nc—橫過管束中心的管束，nc1.1NT1.1608.52折流板間距B=0.12m，折流板數(shù)NB=37，uo0.68msp'10.50.4679(37977.80.6821)218053Pa流體流經(jīng)折流板缺口的阻力'NB2Buo236（3.520.12977.80.68223601Pap23.52）2D0.4po（1805323601）1.15147902Pa經(jīng)參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)知該換熱器的壓降在合理的范圍之內(nèi)，故所設(shè)計(jì)的換熱器合適。2.6換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程流率/(kg/h)25253.45252.5溫度(進(jìn)/出)/℃25508560壓力/MPa0.10.15定性溫度/℃37.572.5物密度/(kg/m3)993.2977.8性比熱容/［kJ/(kg?℃)