化工原理課程設計---固定管板式換熱器的設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p>　　課題名稱 固定管板式換熱器的設計 </p><p>　　專業(yè)班級 食品091班 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號

2、 </p><p>　　指導老師 </p><p><b>　　2011年12月</b></p><p>　　固定管板式換熱器設計任務書</p><p>　　一、設計題目：煤油冷卻器的設計（6人/組）</p><p><

3、b>　　二、設計任務</b></p><p>　　1.煤油處理能力： 12萬噸/年煤油</p><p>　　2.設備形式：固定管板式換熱器</p><p><b>　　3.操作條件：</b></p><p>　　① 煤油：入口溫度120℃，出口溫度40℃ </p><p>　?、?/p>

4、 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30℃，出口溫度40℃ </p><p>　?、?允許壓降：不大于105Pa</p><p>　?、?每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行</p><p><b>　　設計要求</b></p><p>　　根據(jù)換熱任務設計確定設計方案</p><p>　　初步確定換熱

5、器的結構和尺寸</p><p>　　核算換熱器的傳熱面積和流體阻力</p><p>　　確定換熱器的工藝結構</p><p>　　進行設備結構圖的繪制（A1圖紙）</p><p><b>　　編寫設計說明書</b></p><p><b>　　小組組員分工合作。</b><

6、;/p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、概述5</b></p><p>　　1.換熱器的選擇及特點5</p><p>　　2.通過殼程、管程流體的確定5</p><p><b>　　3.流速的確定6</b></

7、p><p>　　4.管子的規(guī)格和排列方法6</p><p>　　5.管程和殼程數(shù)的確定6</p><p><b>　　6.折流擋板7</b></p><p>　　7.最后材料選用7</p><p>　　8.其他構件的選用  7</p><p>　　二、確定設

8、計方案8</p><p>　　三、確定物性數(shù)據(jù)8</p><p>　　四、計算總傳熱系數(shù)9</p><p><b>　　1.熱流量9</b></p><p>　　2.平均傳熱溫差9</p><p><b>　　3.冷卻水用量9</b></p><

9、;p>　　4.總傳熱系數(shù)K9</p><p>　　五、計算傳熱面積10</p><p>　　六、工藝結構尺寸10</p><p>　　1.管徑和管內(nèi)流速10</p><p>　　2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)11</p><p>　　3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)11</p><p>　　

10、4.傳熱管排列和分程方法12</p><p><b>　　5.殼體內(nèi)徑12</b></p><p><b>　　6.折流板12</b></p><p><b>　　7.接管13</b></p><p>　　七、換熱器計算13</p><p>&

11、lt;b>　　1.熱量核算13</b></p><p>　?。?）殼程對流傳熱系數(shù)13</p><p>　　（2）管程對流傳熱系數(shù)14</p><p>　?。?）傳熱系數(shù)K15</p><p>　　（4）傳熱面積S15</p><p>　　2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力16</p>

12、<p>　?。?）管程流動阻力16</p><p>　　（2）殼程阻力16</p><p>　　八、換熱器主要結構尺寸和計算結果17</p><p><b>　　膨脹節(jié)18</b></p><p><b>　　殼體壁厚18</b></p><p>&l

13、t;b>　　封頭設計18</b></p><p><b>　　鞍座18</b></p><p>　　拉桿的直徑和數(shù)量18</p><p><b>　　九、設計小結18</b></p><p><b>　　十、文獻參考19</b></p>

14、<p>　　十一、主要符號說明20</p><p><b>　　十二、附錄21</b></p><p>　　表1.流體的污垢熱阻21</p><p>　　表2.流體的污垢熱阻21</p><p>　　表3. 管殼式換熱器中常用的流速范圍21</p><p>　　表4.某些工業(yè)

15、管材的絕對粗糙度21</p><p>　　表5.GB-151-199922</p><p>　　表6.拉桿直徑的選取22</p><p>　　表7.拉桿數(shù)量22</p><p>　　圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù)23</p><p><b>　　圖2.關系24</b></p>

16、<p><b>　　一、概述</b></p><p>　　根據(jù)任務書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設計列管式換熱器中的固定管板式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否易結垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，冷流體走管程，熱流體走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，確定傳熱管數(shù)，標準傳熱管

17、長為6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設計步驟，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設計殼程和管程的內(nèi)徑。分別對換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。最后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，如果在設計范圍內(nèi)就能完成任務。</p><p>　　1.換熱器的選擇及特點</p><p&

18、gt;　　在設計任務書中，老師已明確的給出換熱器是固定管板式。經(jīng)查閱資料，固定管板式具有以下特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的流體，比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進口溫度為30℃，出口溫度為40℃；熱流體煤油的進口溫度為120℃，出口溫度為40℃。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器

19、</p><p>　　2.通過殼程、管程流體的確定</p><p>　　通過殼程、管程流體的確定應根據(jù)以下原則：(1) 不潔凈和易結垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3) 壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈

20、，冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(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時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便

21、于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。</p><p><b>　　3.流速的確定</b></p><p>　　增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(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，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需

22、考慮結構上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠＿@些也是選擇流速時應予考慮的問題。在本次設計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速。</p><p>　　4.管子的規(guī)格和排列方法</p><p>　　選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過前面介紹的

23、流速范圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。在這里，我們選擇列管式換熱器系列標準中的φ25×2.5mm管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。此外，管長和殼徑應相適應，一般取l/D為4～6(對直徑小的換熱器可大些)。在這次設計中，管長選擇6m?！　?lt;/p><p>　　管子在管板上的排列方

24、法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等。等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當?shù)靥岣?。在這里選擇等邊三角形排列。 </p><p>　　5.

25、管程和殼程數(shù)的確定</p><p>　　當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導致管程流體阻力加大，增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)大致相等。</p>

26、;<p><b>　　6.折流擋板</b></p><p>　　安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切缺率通常為20%～50%，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)B為外殼內(nèi)徑D的(0.2～1)倍。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下

27、降。</p><p><b>　　7.最后材料選用</b></p><p>　　列管換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強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。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好

28、，但價格高且較稀缺，應盡量少用。這里選用的材料為碳鋼</p><p>　　8.其他構件的選用  </p><p>　?。?）封頭 　封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑的殼體。</p><p>　?。?）緩沖擋板　 為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設緩沖擋板。</p

29、><p>　　（3）導流筒　 殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間(死角)，為了提高傳熱效果，常在管束外增設導流筒，使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這個空間。 </p><p>　?。?）放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 </p><p>　　（5）接管尺寸　 換熱器中流體進、出

30、口的接管直徑由計算得出。</p><p><b>　　二、確定設計方案</b></p><p>　　該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進口溫度為30℃，出口溫度為40℃；熱流體煤油的進口溫度為120℃，出口溫度為40℃。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　由于循環(huán)冷卻水

31、較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。</p><p>　　選用φ25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.0 m/s</p><p><b>　　三、確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進口溫度的平均值</p><p>　　殼程煤油的定性溫度為</p&g

32、t;<p>　　管程流體的定性溫度為</p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程的有關物性數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　四、計算總傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　1.熱流量</b></p><p><b>　　2.平均傳熱溫差</b>

33、</p><p><b>　　(℃)</b></p><p><b>　　3.冷卻水用量</b></p><p><b>　　4.總傳熱系數(shù)K</b></p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)</b></p><p><b&g

34、t;　　W/(m2·℃)</b></p><p><b>　　殼程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　假設殼程的傳熱系數(shù)α0=300 W/(m2·℃)</p><p>　　根據(jù)附錄中表1.和表2.流體的污垢熱阻可得</p><p><b>　　污垢熱阻</b><

35、;/p><p>　　Rsi=0.000344 m2·℃/W</p><p>　　Rso=0.000172 m2·℃/W</p><p><b>　　管壁的導熱系數(shù)</b></p><p>　　λ=45 W/(m·℃)</p><p>　　=234.86 W/(m2

36、83;℃)</p><p><b>　　五、計算傳熱面積</b></p><p>　　考慮15%的面積裕度，</p><p><b>　　六、工藝結構尺寸</b></p><p><b>　　1.管徑和管內(nèi)流速</b></p><p>　　選用φ25&#

37、215;2.5傳熱管（碳鋼），根據(jù)附錄中表3.管殼式換熱器中常用的流速范圍,取管內(nèi)流速ui=1.0 m/s</p><p>　　2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>　　（根）</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為</p&g

38、t;<p>　　按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器管程數(shù)為</p><p><b>　?。ü艹蹋?lt;/b></p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)（根）</b></p><p>　　3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差

39、校正及殼程數(shù)</p><p>　　按單殼程，雙管程結構，溫差校正系數(shù)應查附錄中圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù)。</p><p>　　但R=8的點在圖上難以讀出，因而相應以1/R代替R,PR代替P，查同一圖線，可得 =0.83</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p><b>　　℃&l

40、t;/b></p><p>　　4.傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25do，則</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　?。ǜ?lt;/b></p><p><b>

41、;　　5.殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結構，取管板利用率η=0.7，則殼體內(nèi)徑為</p><p>　　圓整可取D=650 mm。</p><p><b>　　6.折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板的切缺率為25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×65

42、0=162.5(mm),故可取h=160mm。</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則</p><p>　　B=0.3×650=195(mm)，可取B為200mm。</p><p><b>　　折流板數(shù) (塊)</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p&g

43、t;<b>　　7.接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為 </p><p>　　取標準管徑為80mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為 </p><p>　　取標準管徑為130mm。

44、</p><p><b>　　七、換熱器計算</b></p><p><b>　　1.熱量核算</b></p><p>　　（1）殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　對圓缺形折流板，可采用克恩公式</p><p>　　當量直徑，由正三角形排列得</p><

45、;p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p><b>　　普蘭特準數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p><b>　　W/(m2·℃)</b>&

46、lt;/p><p>　?。?）管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p><b>　　管程流體流速</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)</b></p><p><b>　　普蘭特準數(shù)</b&g

47、t;</p><p><b>　　W/(m2·℃)</b></p><p><b>　?。?）傳熱系數(shù)K</b></p><p>　　=356.21 W/(m2·℃)</p><p><b>　?。?）傳熱面積S</b></p><p&g

48、t;　　該換熱器的實際傳熱面積Sp、</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。</p><p>　　2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p><b>　?。?）管程流動阻力</b></p><p>　　根據(jù)附錄中表4.某些工業(yè)管材

49、的絕對粗糙度可得，傳熱管的絕對粗糙度ε=0.1，所以相對粗糙度</p><p>　　由，查附錄中圖2.關系圖可得，</p><p><b>　　W/(m·℃)</b></p><p>　　管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>　?。?）殼程阻力</b></p>

50、<p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p>　　殼程流動阻力也比較適宜。</p><p>　　八、換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p>　　固定管板式換熱器規(guī)格尺寸和計算結果如下：</p><p><b&g

51、t;　　膨脹節(jié)</b></p><p>　　因為管內(nèi)平均溫度35℃，管外平均溫度80℃，80-35=45<50℃。所以不需要膨脹節(jié)。</p><p><b>　　殼體壁厚</b></p><p>　　查GB-151-1999（附錄中表5),得圓筒厚度為：10 mm</p><p><b>　　

52、封頭設計</b></p><p>　　上下均選橢圓形封頭 JB/T4737-2002標準，DN650×2</p><p><b>　　鞍座</b></p><p>　　查JB/T4712-92 ，DN=650.mm，選用B1型鞍式支座</p><p>　　L>3000mm，LB=(0.5

53、~0.7)L，此取LB=4000</p><p><b>　　拉桿的直徑和數(shù)量</b></p><p>　　根據(jù)附錄中表6.拉桿直徑的選取，取得拉桿直徑為16mm。</p><p>　　根據(jù)附錄中表7.拉桿數(shù)量，取得拉桿數(shù)量為4根。</p><p><b>　　九、設計小結</b></p>

54、;<p><b>　　十、文獻參考</b></p><p>　　[1] 賈紹義，柴誠敬 主編．化工原理課程設計[M].天津：天津大學出版社，2002.8</p><p>　　[2] 譚天恩，竇梅，周明華等主編．化工原理:上冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.4</p><p>　　[3] 秦叔經(jīng)，葉文邦等編．換熱器[M].北

55、京：化學工業(yè)出版社，2002.12</p><p>　　[4] 潘繼紅等．管殼式換熱器的分析與計算[M]．北京：科學出版社，1996</p><p>　　[5] 化工設備技術全書編委會．換熱器設計[M]．上海：上?？茖W技術出版社，1988</p><p>　　[6] 匡國柱，史啟才．化工單元過程及設備課程設計[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2002</p>

56、<p>　　[7] 錢頌文主編. 換熱器設計手冊[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社. 2002</p><p><b>　　十一、主要符號說明</b></p><p><b>　　十二、附錄</b></p><p>　　表1.流體的污垢熱阻</p><p>　　表2.流體的污垢熱阻<

57、;/p><p>　　表3. 管殼式換熱器中常用的流速范圍</p><p>　　表4.某些工業(yè)管材的絕對粗糙度</p><p>　　表5.GB-151-1999</p><p>　　表6.拉桿直徑的選取</p><p><b>　　表7.拉桿數(shù)量</b></p><p>　　圖1