化工原理換熱器課程設計-- 換熱器的設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p><b>　　換熱器的設計</b></p><p><b>　　姓名：</b></p><p><b>　　班級：</b></p><p><b>　　學院：</b>

2、;</p><p><b>　　學號：</b></p><p><b>　　指導老師：</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.1概述………………………………………………………………3</p><p>　　1.2.換熱器

3、設計任務書………………………………………………3</p><p>　　1.3換熱器的結構類型………………………………………………4</p><p>　　1.4換熱器材質的選擇………………………………………………6</p><p>　　1.5設計方案簡介……………………………………………………7</p><p>　　2.1設計參數(shù)…………………

4、………………………………………10</p><p>　　2.2計算總傳熱系數(shù)…………………………………………………10</p><p>　　2.3工藝結構尺寸……………………………………………………11</p><p>　　2.4換熱器核算………………………………………………………13</p><p>　　2.4.1.熱流量核算…………………

5、……………………………13</p><p>　　2.4.2．換熱器內流體的流動阻力……………………………15</p><p>　　3.1設計結果一覽表…………………………………………………17</p><p>　　3.2主要符號說明……………………………………………………18</p><p>　　4.1設計心得…………………………………………

6、………………18</p><p>　　5.1參考文獻…………………………………………………………19</p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　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。一種流體在關內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管

7、外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。</p><p>　　其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，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)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。</p><

8、;p>　　列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和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，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。</p><p>　　1.2設計任務及操作條件</p><p>　　1.2.1處理能力：356000kg/h的混合氣體</p><p>　　1

9、.2.2.設備形式：列管式換熱器</p><p>　　1.2.3.操作條件</p><p>　　1.2.4混合氣體：入口溫度103°C出口溫度42°C</p><p>　　1.2.5冷卻介質：自來水 入口溫度21°C出口溫度32°C</p><p>　　1.2.6允許壓降:不大于100Kpa</p

10、><p>　　1.2.7混合氣體定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　密度90kg/m3 粘度1.5*10-5pa.s</p><p>　　比熱容3.297kj/(kg.°C)導熱系數(shù)0.0279W/m.°C</p><p>　　1.2.7選擇適宜的列管換熱器并核算</p><p>　　1.2.

11、7.1傳熱計算</p><p>　　1.2.7.2管，殼程流體阻力的計算</p><p>　　1.2.7.3計算結果表</p><p><b>　　1.2.7.4總結</b></p><p>　　1.3換熱器的結構類型 </p><p>　　換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備

12、，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。</p><p>　　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。</p><p>　　1）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

13、傳給冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。</p><p>　　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。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。</p><p>　　2）蓄熱式換熱器又稱回

14、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。當蓄熱體與熱流體接觸時，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，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。</p><p>　　工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結構特點，間壁式換

15、熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。</p><p>　　3）緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。</p><p>　　4）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)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，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

16、應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。</p><p>　　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。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。</p><p>　　1.4換熱器制材的選擇</p><p>　　在進行換

17、熱器設計時，換熱器各種零、部件的材料，應根據(jù)設備的操作壓力、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。當然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。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，而且也大大提高設備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結構有著密切關系。

18、一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 1.4.1.1碳鋼 價格低，強度較高，對堿性介質的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。 1.4.1.2不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的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。</p><p&

19、gt;　　正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。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列排列居多，也有正三角形排列。 </p><p>　　（A） （B）（C）</p><p>　?。―） （E）</p><p>　　換熱管在管板上的排列方式

20、(A)正方形直列 （B）正方形錯列 (C)三角形直列</p><p>　?。―）三角形錯列 （E）同心圓排列 </p><p>　　1.3.2管板 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。脹接法是利用脹管器將管子擴脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，

21、管板為碳素鋼或低合金鋼，設計壓力不超過4MPa，設計溫度不超過350℃的場合。</p><p><b>　　1.5設計方案簡介</b></p><p>　　1.5.1 換熱器類型的選擇</p><p>　　根據(jù)列管式換熱器的結構特點，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。</p><p>

22、　　1.5.1.1固定管板式換熱器</p><p>　　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，它的結余構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質的泄漏。</p><p>　　1.5.1.2

23、U型管換熱器</p><p>　　U型管換熱器結構特點是只有一塊管板，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，當殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內程管子壞了不能更換，

24、因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。</p><p>　　1.5.1.3浮頭式換熱器</p><p>　　浮頭式換熱器的結構如下圖1-3所示。其結構特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力；管束可以從殼體內抽搐，便與管內管間的清洗。其缺點是結構

25、較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質的混合。</p><p>　　1.5.1.4填料函式換熱器</p><p>　　填料函式換熱器的結構如圖1-4所示。其特點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，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式

26、的低；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質不適用。</p><p><b>　　2.1設計參數(shù)</b></p><p>　　混合氣體的定性溫度：</p><p><b>　　水的定性溫度：</b></p>&

27、lt;p>　　定性溫度下流體的物性</p><p>　　2.2計算總傳熱系數(shù)</p><p>　　2.2.1熱流量的計算</p><p>　　Qo=m0cp0Δt0=</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　2.2.2冷卻水的用量</p><p>

28、　　2.2.3計算傳熱面積</p><p>　　求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得煤油和水之間的傳熱系數(shù)在350 W/(㎡·℃)左右，先取K值為300W/(㎡·℃)計算</p><p><b>　　由Q=KA△tm得</b></p><p><b>　　㎡</b></p><p&

29、gt;<b>　　2.3工藝結構尺寸</b></p><p>　　2.3.1．管徑和管內流速選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速u=0.5m/s。</p><p>　　2.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) </p><p>　　可依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>

30、;　　Ns=</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為 </p><p><b>　　L=</b></p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為</p><p><b>　　Np=

31、</b></p><p>　　傳熱管總根數(shù) Nt=3379×2=6758</p><p>　　2.3.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) </p><p><b>　　R=</b></p><p><b>　　P=</b></p><p>　　按單

32、殼程，雙管程結構得：</p><p>　　平均傳熱溫差 ℃ </p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　2.3.4傳熱管排列和分程方法 </p><p>　　采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列。</p><p>　　取管心距a=1.

33、25d0</p><p>　　a=1.25×25=31.25≈32mm</p><p>　　橫過管中心線管數(shù) b=1.1=1.1×=90.1 取91殼體內徑 采用多管程結構，殼體內徑應等于或稍大于關閉的直徑：</p><p>　　式中 D——殼體內徑,mm；</p><p>　　a ——管心距，mm；</p

34、><p>　　b——最外層的六角形對角線上的管數(shù)；</p><p>　　e——六角形最外層管中心到殼體內壁距離，一般取e=(1~1.5)d，取29mm。</p><p><b>　　2.3.5折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為：</p>

35、<p>　　h=0.25×2.758=00.6895m，故可取h=0.690m</p><p>　　取折流板間距B=0.4D，則 B=0.4×2.758=1.1032m</p><p><b>　　折流板數(shù)目NB=</b></p><p><b>　　2.4換熱器核核算</b></p

36、><p>　　2.4.1熱流量核算</p><p>　　2.4.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：</p><p><b>　　當量直徑：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p>&l

37、t;p><b>　　㎡</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p><b>　　粘度校正：</b></p><p>　　2.3.1.2管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：</p><p>

38、;　　管程流體流通截面積：</p><p><b>　　㎡</b></p><p><b>　　管程流體流速：</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p>　　2.4.1.3污垢熱阻和管壁熱阻：</p><p><b&g

39、t;　　管外側污垢熱阻 </b></p><p><b>　　管內側污垢熱阻 </b></p><p>　　管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導率為45w/(m·K)</p><p>　　2.4.1.4傳熱系數(shù)： </p><p>　　2.4.1.5傳熱面積裕度 </p><p>

40、;<b>　　傳熱面積Ac為：</b></p><p>　　換熱器的實際傳熱面積為Ap</p><p>　　該換熱器的面積裕度為：</p><p>　　結論：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。</p><p>　　2.4.2換熱器內流體的流動阻力</p><p>　　2.4.2.1管程流

41、體阻力換熱器壓降的計算</p><p>　　——為直管及回管中因摩擦阻力引起的壓強降；</p><p>　　——結垢校正因數(shù)，量綱為1，對的管子，取1.4；</p><p><b>　　——管程數(shù)</b></p><p><b>　　串聯(lián)的殼程數(shù)</b></p><p>&l

42、t;b>　　查表得 </b></p><p>　　=（562.82+250.14）×1.4×1×2=2276.29Pa﹤100kPa</p><p>　　2.4.2.2殼程壓降</p><p>　　——流體橫過管束的壓強降(Pa);</p><p>　　——流體通過折流板缺口的壓強降(Pa);&

43、lt;/p><p>　　——殼程壓強降的結垢結垢校正因數(shù)，量綱為1，液體可取1.15。</p><p>　　——管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列F=0.5</p><p>　　——殼程流體的摩擦系數(shù)，當Re>500時,;</p><p>　　——橫過管束中心線的管子數(shù);</p><p><b>

44、;　　——折流擋板數(shù);</b></p><p>　　——折流擋板間距(m);</p><p>　　——按殼程流通截面積計算的流速(m/s);</p><p><b>　　而</b></p><p>　　= (7698.05+149.24) </p><p>　　結論：殼程流動阻力也比較

45、適宜。</p><p>　　3.1設計結果一覽表</p><p><b>　　3.2主要符號說明</b></p><p>　　P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W；</p><p>　　R——熱阻，㎡·K/W； Re——雷諾準數(shù)；</p>&

46、lt;p>　　S——傳熱面積，㎡； t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s;</p><p>　　——質量流速，㎏/h; ——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(㎡·K);</p><p>　　——有限差值； ——導熱系數(shù)，W/(m

47、3;K);</p><p>　　——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3;</p><p>　　——校正系數(shù)。 r——轉速，n/(r/min)</p><p>　　H——揚程，m ——必須汽蝕余量，m</p><p>　　A——實際傳熱面積，

48、 Pr——普郎特系數(shù)</p><p>　　NB——板數(shù)，塊 K——總傳熱系數(shù)，W/(㎡·K) </p><p>　　——體積流量 Nt——管數(shù)，根</p><p>　　Np——管程數(shù) l——管長，m</p><p>　　KC——傳熱系數(shù)，

49、W/(m·K) △tm——平均傳熱溫差，℃</p><p><b>　　4.1設計小結</b></p><p>　　本次化工原理課程設計是對列管式換熱器的設計，通過查閱有關文獻資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復計算核實，本列管式換熱器的設計可以說基本完成了。</p><p>　　本設計所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，通過本次設計，我學

50、會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設計不但鞏固了對主體設備圖的了解，還學習到了工藝流程圖的制法。通過本次設計不但熟悉了化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學課程有了更深的了解。但由于本課程設計屬我第一次設計

51、，而且時間比較短，查閱的文獻有限，本課程設計還有較多地方不夠完善，希望老師批評指正。</p><p><b>　　5.1參考文獻</b></p><p>　　1.王志魁，劉麗英，化工原理（第四版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010</p><p>　　1.夏清,陳常貴.化工原理(上冊)[M].天津:天津大學出版社,2005</p>

52、;<p>　　2.中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝35774 .計手冊(上冊) [M].北京:化學工業(yè)出版社,2003</p><p>　　3.《常用化學手冊》編寫組.常用化學手冊[M].北京:地質出出版社,1997</p><p>　　4. 陳敏恒,從德滋等.化工原理(上冊) [M].北京:化學工業(yè)出出版社,2006</p><p>　　5.《