列管式換熱器課程設(shè)計(jì)(含有CAD格式流程圖和換熱器圖)

1 X X X X 大 學(xué) 材料工程原理 B課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：5.510 4t/y 熱水冷卻換熱器設(shè)計(jì) 專業(yè)：- 班級(jí)：- 學(xué)號(hào)：-姓名：- 日期：- 指導(dǎo)教師：- 設(shè)計(jì)成績(jī)：日期： 2 換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書 題目5.5104t/y 熱水冷卻換熱器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)基本參數(shù)設(shè)計(jì)基本參數(shù) 處理能力：5.5104t/y 設(shè)備型式：列管式換熱器 操作條件：(1）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水入口溫度：22，出口溫度：40 (2）熱水：入口溫度：80，出口溫度：60 （3）允許壓降：不大于 105Pa （4）每年按 330 天計(jì)，每天 24 小時(shí)運(yùn)行 設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 設(shè)計(jì)內(nèi)容； （1）方案簡(jiǎn)介：對(duì)選定的工藝流程、重要設(shè)備的形式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述； （2）設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：包括工藝參數(shù)的選定、物料平衡、熱量平衡、設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算以 及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （3）流程簡(jiǎn)圖：以單線圖形式繪制，繪出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料與氣流流向； （4）設(shè)備工藝圖：包括設(shè)備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性等 設(shè)計(jì)要求： （1）加深學(xué)生對(duì)本課程基本理論知識(shí)的理解，提高本課程基本知識(shí)的應(yīng)用能力； （2）要求學(xué)生能綜合運(yùn)用本課程和先修課程的基本理論和知識(shí)，獨(dú)立思考和分析問題，完成一個(gè) 單元操作過程和設(shè)備的工程設(shè)計(jì) ，得到材料工程設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。 （3）使學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)在生產(chǎn)、科研和工程建設(shè)中的地位與重要性，掌握工程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、 程序和方法，學(xué)會(huì)應(yīng)用有關(guān)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，提高繪圖能力，提高獨(dú)立分析和解決問題的 能力； 課程設(shè)計(jì)計(jì)算書要求內(nèi)容完整、計(jì)算正確，文字簡(jiǎn)潔通順；圖紙要求規(guī)范、整潔、齊全 各階段時(shí)間安排（以天為單位）各階段時(shí)間安排（以天為單位） （1）講課、布置任務(wù)：0.5 天 （2）查閱資料，搜集數(shù)據(jù)：1 天 （3）分析確定方案易操作參數(shù)：1 天 （4）工藝設(shè)計(jì)計(jì)算以及設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：3 天 （5）編制說明書、繪圖：4 天 （6）考核和答辯：0.5 天 3 目錄 1.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 2.工藝流程簡(jiǎn)介 3.工藝計(jì)算和主體設(shè)備設(shè)計(jì) 4.設(shè)計(jì)結(jié)果概要 5.附圖 6.參考文獻(xiàn) 4 1.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 1.11.1 列管式換熱器的類型列管式換熱器的類型 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 1） 固定管板式換熱器固定管板式換熱器 這類換熱器如圖 1-1 所示。固定管板式換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。 （2 2）U U 型管換熱器型管換熱器 U 型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，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 3）浮頭式換熱器浮頭式換熱器 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)，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。 5 (4)(4)填料函式換熱器填料函式換熱器 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。 1.21.2 換熱器類型的選擇以及流經(jīng)的選擇換熱器類型的選擇以及流經(jīng)的選擇 所設(shè)計(jì)的換熱器用于冷卻熱水，水黏度較小，不易產(chǎn)生水垢，而且兩流體的溫差不 大于 50，所以選用固定管板式換熱器，熱水走殼程，循環(huán)水走管程。 1. 3 流速的選擇流速的選擇 表 2-2 換熱器常用流速的范圍 介 質(zhì) 流速 循環(huán)水新鮮水一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油氣體 管程流速， m/s 1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530 殼程流速， m/s 0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215 由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)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(dòng)力消耗就增多。故擬取循環(huán)水流速為 1.0m/s。 1.41.4 材質(zhì)的選擇材質(zhì)的選擇 6 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(lái)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，可以選擇使用碳鋼材料。 1.51.5 管程結(jié)構(gòu)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 由于正三角形排列較緊湊，對(duì)于相同殼體直徑的換熱器排的管子較多，傳熱效果也 較好，而且這個(gè)換熱器不易產(chǎn)生水垢，不需要考慮清洗問題。 所以綜上所述，采用正三角形形錯(cuò)列排列 2、工藝流程簡(jiǎn)介、工藝流程簡(jiǎn)介 4 工藝計(jì)算和主體設(shè)備設(shè)計(jì)工藝計(jì)算和主體設(shè)備設(shè)計(jì) 7 4.1 初算換熱器規(guī)格初算換熱器規(guī)格 （1）確定流體進(jìn)入空間：熱水走殼程，循環(huán)水走管程 （2）確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù) 定性溫度：冷卻水 31 2 2240 t熱水 70 2 6080 T 冷卻水（31） )(1086. 7 )/(618. 0 )/(174. 4 )/(8 .994 4 3 sPa mw KgKJC mKg p 熱水（70） )(10061. 4 )/(668. 0 )/(187. 4 )/(8 .977 4 3 sPa mw KgkJC mkg p （3）計(jì)算熱負(fù)荷 Q Wo=5.51041000330246945kg/h Qo=Wocpoto=69454.187(80-60)=581760 kJ/h=161.6 kW 循環(huán)水的流量hg Q W O /k7 .7740 2240174. 4 581760 tc ipi i ）（ (4)計(jì)算平均溫度差，并確定殼程數(shù) 60T 80T 40 22 2 1 2 1 t t 111. 1 6080 2240 11 12 tT tt P3103. 0 2240 6080 12 21 tt TT R 查表知957. 0 t 平均傳熱溫差3 .3739957. 0 mtm tt 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適 1 s N即 8 （5） 初選換熱器規(guī)格 管內(nèi)管外均為水，初選傳熱系數(shù)） 2 0 /(1000mWK 選用mmmm5 . 225（碳鋼）mdmd025. 0,02. 0 21 )(33. 4 3 .371000 1016.16Q A 2 4 0 m tK m 估 考慮 15的面積裕度，S=1.15S=4.98(m2) 估算單程管的根數(shù) 根788. 6 0 . 102. 0785. 0 8 .9943600 7 .7740 4 2 1 2 1 1 ud q n v 單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 )(10 7025. 014. 3 98. 4 2 m nd A L 估 取管長(zhǎng)為 2.5m 則4 5 . 2 10 p N（管程數(shù)） mL5 . 12874N 取管心距 t=1.25 d0 t=1.252532(mm) 殼體內(nèi)徑 D=200mm 采用弓形折流板，圓缺高度 mmh5020025. 0 1 折流板間距 mmh150 折流板數(shù)151 150 2500 1 h L N p （7）接管）接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)熱水流速為 u1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 m05. 0 0 . 114. 3 8 .9773600/69454 u 4 d1 ）（ V 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 50mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)冷卻水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為 m043. 0 5 . 114. 3 8 .9943600/5817604 d2 ）（ 取45mm 無(wú)縫鋼管。 9 4.2 核算總傳熱系數(shù)核算總傳熱系數(shù) K （1）計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) 1 管內(nèi)循環(huán)水流速： sm nd q u m /983. 0 702. 0785. 0 )8 .9943600/(7 .7740 4 )3600/( 2 2 1 11 1 4 4 1 111 1 1049. 2 10860. 7 8 .994983. 002. 0 ud Re 30. 5 618. 0 10860. 710174. 4 43 1 11 1 p r c P )/(1 .385230. 5)1049. 2( 02. 0 618. 0 023. 0023. 0 23 . 08 . 04 3 . 0 1 8 . 0 1 1 1 1 mWPR d re （2）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 2 換熱器中心附近管排中流體流通橫截面積： 230 1 1056. 6) 032. 0 025. 0 1 (2 . 015. 0)1 (m t d hDA sm A q u m /3 . 0 1056. 6 )8 .9773600/(6945)3600/( 3 1 22 0 熱水流速： 三角形排列的當(dāng)量直徑： m020. 0 025. 014. 3 )025. 0 4 032. 0 2 3 (4) 42 3 (4 2222 o o e d dt d 14608 10016. 4 8 .9773 . 002. 0 4 2 20 2 ud R e e 55. 2 668. 0 10061. 410187. 4 43 2 22 2 p r c P )/(6 .304695. 055. 2)14608( 02. 0 668. 0 36. 0 )(36. 0 23/155. 0 14. 0 3/1 2 55. 0 2 2 2 mW PR d w re e 10 (3)確定污垢熱阻 R 熱水污垢熱阻 WmR WmR d d /1021. 0 /1009. 0 23 2 23 1 循環(huán)水污垢熱阻 （4）總傳熱系數(shù) 由總傳熱系數(shù)計(jì)算傳熱面積 1 .970 201 .3852 25 20 25 109 2045 25002. 0 101 . 2 6 .3046 1 1 1 1 54 11 2 1 2 1 2 2 2 0 d d d d R d bd R K d m d 2 3 0 47. 4 3 .371 .970 106 .161 m tK Q A m 2 o m28. 5284 . 2025. 014. 3) 1 . 0(dNLS %11%1 .18 47. 4 47. 428. 5 A AS 滿足換熱器的裕度要求 4.3 計(jì)算壓強(qiáng)降計(jì)算壓強(qiáng)降 (1)計(jì)算管程壓強(qiáng)降 t psi FNNPPP )( 21 由 4 1 1049. 2Re ，傳熱管相對(duì)粗糙度005. 0/ l 參考圖Re雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖得033. 0 流速smu/983. 0 1 ， 3 1 /8 .994mkg )(6 .1982 2 983. 08 .994 02. 0 5 . 2 033. 0 2 2 2 11 1 1 Pa u d l P 的壓強(qiáng)降：直管中因摩擦阻力產(chǎn)生 )(9 .1441 2 983. 08 .994 3 2 3 2 2 11 2 Pa u P 的壓強(qiáng)降：回彎中因摩擦阻力產(chǎn)生 11 4 . 1F, 4, 1 t ps NN )(10917. 14 . 14)9 .14411982( 4 PaPi管程流體阻力在允許范圍之內(nèi) （2）計(jì)算殼程壓強(qiáng)降 stN FPPP)( 210 ， 其中： 5 . 1, 1 ts FN結(jié)垢校正系數(shù)： 561. 0146080 . 5Re0 . 5 , 5 . 0 228. 0 228. 0 20 f F 殼程流體的摩擦系數(shù)： 的校正系數(shù)：管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降 6281 . 11 . 1nnc：橫過管束中心線的管數(shù)， 15 B N折流板數(shù)： 按殼程流通橫截面積： 2 00 0075. 0)025. 062 . 0(15. 0)(mdnDhA c sm A q u m /263. 0 0075. 08 .9773600 6945 3600 02 2 0 則流體流經(jīng)管束產(chǎn)生的壓強(qiáng)降： 2 ) 1( 2 0 01 u NnFfP Bc )(62.910 2 263. 08 .977 ) 115(6561. 05 . 0 2 Pa 流體流過折流板缺口產(chǎn)生的壓強(qiáng)降： 2 ) 2 5 . 3( 2 0 2 u D h NP B ，其中mDmh2 . 0,15. 0， 則)(5 .1014 2 263. 08 .977 ) 2 . 0 15. 02 5 . 3(15 2 2 PaP )(7.28875 . 1)5 .101462.910()( 210 PaNFPPP st 殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi) 12 8 8、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表 附表1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 參數(shù)管程殼程 流率/（Kg/h)77406945 進(jìn)（出）口溫度/22（40）80（60） 13 8 8、附圖、附圖( (見附頁(yè)見附頁(yè)) ) 9 9、參考文獻(xiàn)、參考文獻(xiàn) 1王志魁、劉麗英、劉偉編化工原理M,.北京：化學(xué)工