水蒸氣走管程流量廢酸的換熱器課程設(shè)計

1、南 京 工 業(yè) 大 學(xué)材料工程基礎(chǔ)課程設(shè)計設(shè)計題目： 水蒸氣走管程流量為12.5t/h的廢酸的換熱器設(shè)計 專 業(yè)： xxxxxxxxxxxxxxxx 班 級： xxxxxx 學(xué) 號：xxxxxxxx 姓 名： xxx 日 期： 2012.6.182012.6.29 指導(dǎo)教師： xxxx 設(shè)計成績： 日 期： 目錄一、課程設(shè)計任務(wù)書-2二、概述與設(shè)計方案簡介-3三、設(shè)計方案確定與物性數(shù)據(jù)-10四、工藝結(jié)構(gòu)及尺寸計算-14五、換熱器核算-16六、設(shè)計結(jié)果一覽表-19七、參考文獻(xiàn)-21八、附圖（工藝流程圖、主體設(shè)備工藝圖）-23工程原理課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名徐經(jīng)峰班級浦高材0904學(xué)號p110209

2、0423指導(dǎo)教師葉旭初題目水蒸氣走管程流量為12.5t/h的廢酸換熱器的設(shè)計設(shè)計基本參數(shù)處理能力：物料：12.5t/h 設(shè)備型式：列管式換熱器操作條件：（1）預(yù)熱液體：20%硫酸、2%鹽酸、3%硝酸，其余為水，入口溫度20，出口溫度80，物料走殼程。 （2）熱源介質(zhì)：蒸汽：120；壓力：0.4mpa, 流量300kg/h。蒸汽，管內(nèi)。 （3）管程長度：750mm，管徑：252.5750設(shè)計要求及內(nèi)容1、設(shè)計方案簡介 對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的形式進(jìn)行簡要論述。2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算 物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算。3、輔助設(shè)備的選型 典型輔助

3、設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備規(guī)格型號的選定。4、編寫設(shè)計說明書 將設(shè)計所選定的工藝流程方案、主要步驟及計算結(jié)果匯集成工藝設(shè)計說明書。應(yīng)采用簡練、準(zhǔn)確的文字圖表，實(shí)事求是的介紹設(shè)計計算過程和結(jié)果。設(shè)計說明書要求在6000字以上，a4紙打印。 設(shè)計說明書內(nèi)容：（1）設(shè)計任務(wù)書；（2）目錄；（3）設(shè)計方案簡介；（4）工藝流程簡圖；（5）工藝計算和主體設(shè)備設(shè)計；（6）設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表；（7）附圖（工藝流程圖、主體設(shè)備工藝圖）；（8）參考文獻(xiàn)二、 概述與設(shè)計方案簡介 換熱器的類型 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(dǎo)作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封

4、頭等組成。一種流體在關(guān)內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)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(nèi)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。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(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂

5、，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。2.1換熱器 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 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。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?zhèn)鹘o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(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點(diǎn)介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換

6、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(jié)構(gòu)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(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回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(dāng)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(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間壁式換熱器可以分為管殼式

7、換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。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(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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，適應(yīng)性強(qiáng)及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。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(nèi)。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。2.2

8、設(shè)計方案簡介2.2.1 換熱器類型的選擇根據(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)計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。1 固定管板式換熱器這類換熱器如圖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(jié)余構(gòu)簡單；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，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.u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

9、型環(huán)熱管由溫差時，不會產(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，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。3. 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，互不約束，不會產(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)

10、雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。4.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)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；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，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。2.3.1換熱器類型的選擇 按照設(shè)計任務(wù)書的要求，預(yù)熱液體是由20的硫酸，2的鹽酸，3硝酸，其余為水組成的廢酸入口

11、溫度為20，出口溫度為80。熱源介質(zhì)是120的水蒸汽?；谶@些要求，應(yīng)選擇固定管板式換熱器，是由于它具有管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力、制造方便和易于清洗的特點(diǎn)。2.3.2流徑的選擇 在具體設(shè)計時考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。參考標(biāo)準(zhǔn)：(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。(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。

12、(3) 壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力高，宜走管程。(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，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強(qiáng)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，宜走殼程，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(re100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。(8) 若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數(shù)較大的流體溫度，以

13、減小管壁和殼壁的溫度差。綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定果漿應(yīng)走殼程，水走管程。2.3.3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/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215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。故擬取循環(huán)水流速為1.2m/s。2

14、.3.4材質(zhì)的選擇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，可以選擇使用不銹鋼材料。2.3.5管程結(jié)構(gòu)換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列（b）正方形錯列 (c) 三角形直列 （d）三角形錯列 （e）同心圓排列 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程

15、內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 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。2.3.6殼程結(jié)構(gòu)與相關(guān)計算公式介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內(nèi)對各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來滿足設(shè)計的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側(cè)介質(zhì)對傳熱管最有效的流動，來提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護(hù)

16、列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。 殼體內(nèi)徑d取決于傳熱管數(shù)n、排列方式和管心距t。計算式如下： 單管程 d=t(nc-1)+(23)d0式中 t管心距，mm； d0換熱管外徑，mm； n

17、c橫過管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 n排列管子數(shù)目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.85 4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 4管程 =0.450.65殼體內(nèi)徑d的計算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比)通常為2050。垂直圓缺

18、用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板。三、換熱器設(shè)計方案

19、的確定1.換熱器類型的選擇:按照設(shè)計任務(wù)書的要求，預(yù)熱液體是由20的硫酸，2的鹽酸，3硝酸，其余為水組成的廢酸入口溫度為20，出口溫度為80。熱源介質(zhì)是120的水蒸汽?；谶@些要求，應(yīng)選擇固定式換熱器，是由于它具有管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力、制造方便和易于清洗的特點(diǎn)。2流體路徑的選擇:廢酸是粘度較大的液體，且需要加熱，所以選擇走殼程，并且，填料函式換熱器具有不論管內(nèi)還是管間都易于清晰地優(yōu)點(diǎn)，又給廢酸走殼程增添了有力的理論依據(jù)。這樣，加熱水即走管程。按照一般情況，選用規(guī)格為25*2.5mm的鋼管。3.材質(zhì)：鋼。4.管徑：25*2.5mm5.需設(shè)計五個列管換熱器，彼

20、此之間串聯(lián)，且每個換熱器都通入120水蒸氣。 理由如下： 根據(jù)已知條件，通過計算得如下物性參數(shù)：水蒸氣 t=110 廢酸 t=50所以得如下表格：項目水95142330.685廢酸111439970.504因為120水蒸氣變成100水時的熱量為： =w而預(yù)熱介質(zhì)廢酸由20升至80時，所需熱量為： 因為，所以這個熱源不能通過一次預(yù)熱就能使廢酸從20升至80，所以采用若干換熱器串聯(lián)，每個換熱器都通相同條件的熱源。下面計算需要多少個換熱器進(jìn)行串聯(lián)：(1) 第一個換熱器水蒸氣發(fā)生相變時所產(chǎn)生的熱量使廢酸升溫至， =183750w 又 由于逆流，所以 水蒸氣由120降至100時，傳熱使廢酸升溫至， 則

21、同理 (2) 第二個換熱器同理得， 同理 (3) 第三個換熱器同理得， 同理 (4) 第四個換熱器同理得， 同理 (5) 第五個換熱器同理得，已達(dá)到80。 同理 所以需設(shè)計五個列管換熱器串聯(lián)且每個換熱器均需通入120水蒸氣進(jìn)行預(yù)熱。6.初算傳熱面積參照傳熱系數(shù)的k的大致范圍，取k=2000 w/ 。則估算第一個換熱器傳熱面積 取實(shí)際面積為估算面積的1.15倍， 同理，第二個換熱器的 =0.67 =0.77 第三個換熱器的 =0.83 =0.95 第四個換熱器的 =1.09 =1.25 第五個換熱器的 =2.24 =2.58四、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （1） 選定換熱管規(guī)格依據(jù)流體粘度來選定換熱管規(guī)格。

22、由于管內(nèi)走水，換熱管采用鋼管 ，則其內(nèi)徑 ，外徑 。（2）取管內(nèi)流體流速0.5m/s,則估算換熱管數(shù)量 根據(jù)實(shí)際面積，估算第一個換熱器的換熱管長度 現(xiàn)取傳熱管長l=0.75m，則換熱器的管程數(shù)為 傳熱管總根數(shù) 同理，第二個換熱器的 第三個換熱器的 第四個換熱器的 第五個換熱器的 （3）傳熱管的排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距，則 橫過管束中心線的管數(shù) 第一個換熱器的 第二個換熱器的 第三個換熱器的 第四個換熱器的 第五個換熱器的 （4）殼體直徑取管板利用率則第一個換熱器的殼體直徑為 第二個換熱器的殼體直徑為 第三個換熱器的殼體直徑為 d

23、取200mm。 第四個換熱器的殼體直徑為 d取219mm。 第五個換熱器的殼體直徑為 d取325mm。（5）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%，則第一個，第二個，第三個換熱器的切去的圓缺高度為，故可取h=50mm。取折流板間距，則，可取b=75mm。第四個換熱器的 h=54.75mm，故取60mm 則b=65.7mm 可取75mm。第五個換熱器的 h=81.25mm，故取 80mm 則b=97.5mm 可取100mm。折流板數(shù) 第一個至第四個換熱器的 第五個換熱器的折流板圓缺面水平裝配。（6）接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為，則接管內(nèi)徑為，圓整后可取管內(nèi)

24、徑為70mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為 ，則接管內(nèi)徑為 ，圓整后可取管內(nèi)徑為20mm。五 、換熱器核算【1】 熱量核算 （1）殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用克恩公式 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 殼程流通截面積 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 2000 為層流 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 又因為廢酸被加熱，所以=1.05 （2）管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積 管程流體流速 為湍流 （3）傳熱系數(shù)k 查表得 (4) 傳熱面積s 該換熱器的實(shí)際傳熱面積 經(jīng)核算得其傳熱面積裕度合適，故該換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)。按照同樣方法核算，得到第二個，第三個，第四個，第五個換熱器也能完成生產(chǎn)任務(wù)。【2】 換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1） 管程流動阻力 ， ， 由re=20562, ,查莫狄圖得=0.035，所以 第一個換熱器的 ，第二個換熱器的 ，第三個換熱器的 ，第四個換熱器的 ，第五個換熱器的 ， 即管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)（2） 殼程阻力 第一個換熱器的 流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 即殼程流動阻力也比較適宜。第二個換熱器的 第三個換熱器的 第四