固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：固定管板式換熱器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院：生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 班 級：生物工程 13-1 班 姓 名：張錦玉 學(xué) 號： 20131106004 指導(dǎo)老師：阿不都吾甫爾肉孜 時(shí)間： 2015 年 12 月 23 日設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：有機(jī)物冷卻器的設(shè)計(jì)（第 1 組）二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1. 處理能力： 0.6 萬噸/年2. 設(shè)備形式：列管式換熱器3. 操作條件：（1）有機(jī)物：入口溫度 86C 出口溫度 30C（2）冷卻介質(zhì)：自來水 入口溫度 18C 出口溫度 26C（ 3）允許壓降 :不大于 100Kpa（4）有機(jī)物定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度 815kg/m3,粘度 7.0

2、*10-4pa.s比熱容 2.15kj/（kg. C）導(dǎo)熱系數(shù) 0.140W/m. C（5）每年按 310天計(jì)，每天 24h 連續(xù)運(yùn)行三、設(shè)計(jì)適宜的列管換熱器1. 傳熱計(jì)算2. 管，殼程流體阻力的計(jì)算3. 計(jì)算結(jié)果表4. 總結(jié)目錄1. 概述 12. 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 13. 方案設(shè)計(jì)和擬定 14. 設(shè)計(jì)計(jì)算 24.1 確定設(shè)計(jì)方案 24.1.1 流動(dòng)空間選擇 24.2 確定物性數(shù)據(jù) 34.3 設(shè)計(jì)總傳熱系數(shù) 34.3.1 熱流量 44.3.2 平均傳熱溫差 44.3.3 冷卻水用量 54.3.4 總傳熱系數(shù) K54.4 計(jì)算傳熱面積 54.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 54.5.1 管徑和管內(nèi)流速 54.5.2

3、管程數(shù)和傳熱管數(shù) 64.5.3 傳熱管排列和分程方法 64.5.4 殼體內(nèi)徑 64.5.5 折流板 64.6 換熱器核算 74.6.1 熱量核算 74.6.1.1 殼程對流傳熱系數(shù) 74.6.1.2 管程對流傳熱系數(shù) 84.6.1.3 傳熱系數(shù) K 94.6.1.4 傳熱面積 A94.6.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 94.6.2.1 管程流動(dòng)阻力 94.6.2.2 殼程阻力 104.6.2.3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 115. 設(shè)計(jì)小結(jié) 126. 參考文獻(xiàn) 127. 附圖表 138. 符號說明 141概述換熱器是實(shí)現(xiàn)將熱能從一種流體傳至另一種流體的設(shè)備， 在化工、 石油、動(dòng) 力、制冷、食品

4、等行業(yè)中廣泛使用， 并占有十分重要的地位。 由于生產(chǎn)條件不同， 所用的換熱器的類型也是多種多樣。不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。 在換熱器設(shè)計(jì)中， 首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型， 然后計(jì)算換熱所需傳熱 面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史， 它的結(jié)構(gòu)簡單， 在相同的殼體直徑 內(nèi)，排管較多，比較緊湊，因此，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè) 部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列 管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。 為此本課題對這類換熱器的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的 介紹。2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)某生產(chǎn)過程中 ,需將 0.6 萬 t a的有機(jī)物從

5、86冷卻到 30冷卻水初溫為 18終溫為 26，允許壓降不大于 100KPa.每年按 310天計(jì)算，每天按 24 小時(shí) 連續(xù)運(yùn)行。試設(shè)計(jì)一臺換熱器，完成生產(chǎn)任務(wù)。要求實(shí)際面積要在理論面積的 110%-130%范圍內(nèi)。3方案設(shè)計(jì)及擬定1. 列管式換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)比較固定管板式換熱器浮頭式換熱器U型管式換熱器優(yōu)點(diǎn)這類換熱器的結(jié)構(gòu) 比較簡單、緊湊、 造價(jià)便宜便于清洗、不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕， 適用于高溫高壓條 件。缺點(diǎn)管外不能機(jī)械清 洗，溫差應(yīng)力較大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高管子內(nèi)壁清洗困難， 管子更換困難，管板 上排列的管子少2. 設(shè)計(jì)方案因?yàn)楣潭ü馨迨浇Y(jié)構(gòu)簡單， 造價(jià)低廉， 管程程清洗和檢修簡單，

6、 殼程必須是 潔凈不易結(jié)垢的物料， 而我們設(shè)計(jì)的換熱器的流體是冷熱水， 不易結(jié)垢且兩熱流 體進(jìn)口溫度 86，出口溫度 30. 冷流體進(jìn)口溫度 18，出口溫度 26，兩流 體的溫度相差較小， 故不用考慮熱補(bǔ)嘗的問題， 再根據(jù)造價(jià)低， 經(jīng)濟(jì)的原則我們 選用固定管板式換熱器。該固定管板式換熱器為單殼程四管程， 三角形管束排列， 有機(jī)物走殼程， 水 走管程，管長為 3 米，共有折流擋板 29 塊，每塊擋板高 55mm間, 距為 100mm殼, 體內(nèi)徑為 219mm，選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，易結(jié)垢、粘度較大的液體 宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有 252.5mm 及 1

7、9 2mm兩種規(guī)格的管子。在這里選用 252.5mm規(guī)格的管子。常見的管 長規(guī)格有 1m、1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，在此次設(shè)計(jì)中選用 3m管長的管子。 傳熱系數(shù) K=300W/ , 傳熱面積約為 3.67m。4設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 流動(dòng)空間的確定 本次換熱器設(shè)計(jì)為單殼程四管程式的。 冷、熱流體通道的選擇在列管式換熱器中， 流體走殼程還是走管程， 可按下 列經(jīng)驗(yàn)原則確定：（ 1） 不潔凈易結(jié)垢的流體應(yīng)走便于清洗的一側(cè)。 所以對固定管板式換熱器應(yīng)走 管程（ 2） 需要冷卻的物料宜走殼程，便于散熱。(3) 流量小或粘度大的物料可走殼程，因?yàn)樵谡哿鲹醢宓淖饔孟拢?Re100 即 可達(dá)到湍流

8、。管內(nèi)流速取對流傳熱系數(shù)明顯較低的物料宜走管程 , 不潔凈易結(jié)垢的流體 應(yīng)走管程便于清洗的一側(cè) , 自來水易結(jié)垢，為了便于清洗，所以循環(huán)水走管程， 根據(jù)有機(jī)物的物理性質(zhì)應(yīng)走殼程，熱流體的物料宜走殼程，便于散熱。4.2 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程水的定性溫度：管程流體的定性溫度：根據(jù)定性溫度， 分別在化工原理 附錄中循環(huán)水的相關(guān)物理性質(zhì)的有關(guān)數(shù) 據(jù), 有機(jī)物的物理性質(zhì)已給定，如下表 1：表 1 物料的有關(guān)物性數(shù)據(jù)物料密度 m3Cp(Kj Kg- 導(dǎo)熱系數(shù) W (m)- 黏度 Pas水30.9978 1034.1830.6028-30.9579 10-3有機(jī)物30.815

9、 1032.150.14-30.7 10-34.3 設(shè)計(jì)總傳熱系數(shù)根據(jù)有機(jī)物的黏度為 0.7 10-3 Pas，查化工原理 P152，表4-7 列管式換 熱器中 K值大致范圍，此次設(shè)計(jì) K應(yīng)取 200-500W/(m2. oC)之間。4.3.1 熱流量4.3.2 平均傳熱溫差及校正平均溫度的確定熱流體 86 30冷流體 26 18 4.3.3 冷卻水用量4.3.4 總傳熱系數(shù) K4.4 計(jì)算傳熱面積4.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.5.1 管徑因自來水易結(jié)垢，故選用 25 2.5mm的管徑4.5.2 傳熱管數(shù)4.5.3 傳熱管排列和分程方法4.5.4 殼體內(nèi)徑4.5.5 折流板安裝折流擋板的目的， 是為

10、了加大殼程流體的速度， 使湍動(dòng)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， 切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的 1040，一般取 20 25，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（ 0.21 ）倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的 B 值為：固定管板式 的有 100、150、200、300、450、600、700mm七種，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) 下降，這次設(shè)計(jì)選用圓缺型擋板。4.6 換熱器核算4.6.1 熱量核算4.6.1.1 殼程對流傳熱系數(shù)4.6.1.2 管程對流傳熱系數(shù)4.6.1

11、.3 傳熱系數(shù) K查換熱器 P83，表 4-5 常見流體的污垢熱阻，可得水和有機(jī)物的污垢熱阻4.6.1.4 傳熱面積 A4.6.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力4.6.2.1 管程流動(dòng)阻力4.6.2.2殼程阻力4.6.2.3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式：固定管板式管口表換熱面積（ m2） :符號尺寸用途連接方式工藝參數(shù)A循環(huán)水入口名稱管程殼程B循環(huán)水出口物理名稱循環(huán)水有機(jī)物C有機(jī)物入口操作壓力D有機(jī)物出口操作溫度（攝氏度）E排氣口流量 (kg/h)F放凈口流體密度簡圖：流速傳熱量總傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)污垢系數(shù)壓力降程數(shù)推薦使用材料管子規(guī)格管數(shù)管長管間距排列方式正三角形折流板型式板間距：

12、mm切口高度25%殼體內(nèi)徑保溫層厚度5. 設(shè)計(jì)小結(jié)本說明書對換熱器中的列管換熱器做了一系列的分析， 從最初的初選換熱器 的型號、規(guī)格和尺寸到最后的核算都涉及到了諸多實(shí)際問題， 最終我們根據(jù)實(shí)際 可能改變選用條件， 反復(fù)試算， 確定選用列管換熱器中的管板式換熱器。 焊接采 用電焊，此換熱器計(jì)算出的換熱面積為，實(shí)際換熱面積為 . 選用換熱器的外殼直 徑為，管子尺寸為 252.5m，管子長為 , 管程數(shù)為 4，管中心距為。它的 結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；拆洗方便。經(jīng)核算，所 設(shè)計(jì)換熱器富裕度為 %，符合設(shè)計(jì)要求能夠完成換熱任務(wù)。6. 參考文獻(xiàn) ：1 王志魁主編 . 化工原理 .出版地：北京 . 化學(xué)工業(yè)出版社 .2010.2 董其伍主編 . 換熱器 . 出版地 . 北京. 化學(xué)工業(yè)出版社 .2008.7. 附圖表圖表 1：溫度校正表圖表 2：莫迪圖圖表 3：列管換熱器中 K 值大致范圍8. 符號說明B折流板間距， m；Re雷諾準(zhǔn)數(shù)；C系數(shù)，無量綱；A傳熱面積，；d管徑， m；t冷流體溫度，；D換熱器外殼內(nèi)徑， m；a管心距， m；f 摩擦系數(shù)；T-熱流體溫度 ，；F系數(shù)；u流速， m s；W質(zhì)量流量， s；h圓缺高度 m；K總傳熱系數(shù)， W；V 體積 m3s ；有限