管殼式換熱器的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì) 化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 管殼式換熱器選型 班 級：2012級一班姓 名：季恩卉學(xué) 號：2012507072指導(dǎo)教師：郭瑞麗完成日期：2015年 5 月 25 日化 工 系 目錄前言31.管殼換熱器的設(shè)計(jì)書62.設(shè)計(jì)方案的確定6 2.1.管殼換熱器的型式6 2.2.流程的選擇63.確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇列管換熱器的型式6 3.1.定性溫度7 3.2.物性參數(shù)74.換熱器的工藝計(jì)算7 4.1.估算總傳熱系數(shù)7 4.1.1.熱流量7 4.1.2平均傳熱溫差7 4.1.3冷卻劑水用量8 4.1.4. 選取K值，估算總傳熱系數(shù)8 4.2估算傳熱面積85. 換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸

2、設(shè)計(jì)86. 5.1.管徑和管內(nèi)流速85.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)85.3.傳熱管排列和分程方法85.4.計(jì)算平均傳熱溫差95.5.殼體內(nèi)徑95.6.折流板95.7.計(jì)算殼程流通面積及流速95.8.計(jì)算管程流通面積及流速 106. 換熱器核算10 6.1傳熱系數(shù)的校核10 6.1.1傳熱面積106.1.2.核算總傳熱系數(shù)11 6.1.3.污垢熱阻116.1.4對流傳熱系數(shù)116.1.5殼體對流傳熱系數(shù)116.16.傳熱面積11 6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力12 6.2.1.管程流動阻力12 6.2.2.殼程流動阻力12 7. 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果13 8.在ChemCAD中的結(jié)果149.附

3、圖 1510.總結(jié)1711.參考文獻(xiàn)17 前 言 換熱器是化工、煉油工業(yè)中普遍應(yīng)用的典型的工藝設(shè)備。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%20%，在煉油廠約占總費(fèi)用35%40%。換熱器在其他部門如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有著廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和選擇得到使用、高效的換熱器對降低設(shè)備的造價(jià)和操作費(fèi)用具有十分重要的作用。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，即簡稱換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備。換熱器的類型按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，如表2-1所示。表2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類類型特點(diǎn)間壁式管殼式列管式

4、固定管式剛性結(jié)構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗帶膨脹節(jié)有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難填料函式外填料函管間容易泄露，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì)內(nèi)填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場合釜式殼體上部有個蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中套管式能逆流操作，用于傳熱面積較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器螺旋管式沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板面式板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較

5、大的液體間換熱螺旋板式可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用做回收低溫?zé)崮軅惆迨浇Y(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈板殼式板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合1.管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種：（1） 固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫

6、差小于50且殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于70且殼方流體壓強(qiáng)不高于600Kpa的情況。（2） 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗和檢修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。（3） 填料涵式換熱器填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理易燃，易爆的流體。2.蛇管式換熱器蛇管式換

7、熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡單，操作最方便的一種換熱設(shè)備，通常按照換熱方式不同，將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋式兩類。3.套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管，其內(nèi)管用U型時(shí)管順次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動，有利于傳熱。此換熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。1 平蓋 2 平蓋管箱(部件) 3 接管法蘭 4 管箱法蘭 5 固定管板 6 殼體法蘭 7 防沖板 8 儀表接口 9 加強(qiáng)圈 10 殼體(部件) 11 折流板 12 旁路擋板 13 拉桿

8、14 定距管 15 支持板 16 雙頭螺柱或螺栓 17 螺母 18 外頭蓋墊片 19 外頭蓋側(cè)法蘭 20 外頭蓋法蘭 21 吊耳 22 放氣口 23 凸形封頭 24 浮頭法蘭 25 浮頭墊片 26 球冠形封頭 27 浮動管板 28 浮頭蓋(部件) 29 外頭蓋(部件) 30 排液口 31 鉤圈 32 接管 33 活動鞍座(部件) 34 換熱管 35 擋管 36 管束(部件) 37 固定鞍座(部件) 38 滑道 39 管箱墊片 40 管箱圓筒(短節(jié)) 41 封頭管箱(部件) 42 分程隔板換熱器材質(zhì)的選擇 在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性

9、能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個復(fù)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(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)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(yīng)用是合理的。（2） 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹

10、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。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)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。 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。1化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：管殼式換熱器選型 設(shè)計(jì)任務(wù)書： 操作條件 ：有機(jī)物：入口溫度78，出口溫度21 冷卻介質(zhì)：河水，入口溫度20

11、允許壓強(qiáng)降：不大于100KPa 管路布置如圖（參考圖），已知泵進(jìn)口段官場L進(jìn)=5m，泵出口段管長L出=15m（均不包括局部阻力損失）。 設(shè)備型式：管殼式換熱器 設(shè)計(jì)要求：1. 選用一個合適的換熱器；2. 合理安排管路；3. 選用一臺合適的離心泵。 2設(shè)計(jì)方案的確定2.1.管殼換熱器的型式：用水做冷卻劑時(shí)，出口溫度不宜超過40度，選定出口溫度為30度。兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度78，出口溫度60，該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，兩側(cè)的溫差比較大。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、制造較容易、

12、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。故因此初步確定選用列管式換熱器。2.2流程的選擇： 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使氯苯走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，氯苯走殼程。3. 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇管殼換熱器的型式3.1.定性溫度定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。有機(jī)物的定性溫度為： 水的定性溫度為： 管程冷卻水的定性溫度為t=25(°C) 殼程有機(jī)物的定性溫度為T=69(°C) 3.2.物性參數(shù)根據(jù)在定性溫度，分

13、別查詢殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。有機(jī)物在69C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 0=997 / m3定壓比熱容 Cp0=2.22 kJ/（kg.k）導(dǎo)熱系數(shù) l 0=0.16 （W/m.k）=0.6mPa·s循環(huán)冷卻水在25°C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 i=995.6 / m3定壓比熱容 cpi=4.18kJ/（kg.k）導(dǎo)熱系數(shù) l i=0.613 （W/m.k）粘度 i=0.000801（Pa.s）4.換熱器的工藝計(jì)算 41估算總傳熱系數(shù) 41.1熱流量（忽略熱損失） =532.8kw 412平均傳熱溫差（忽略熱損失） 41. 3冷卻水用量 =9.105kg/h 414

14、估算總傳熱系數(shù)1 管程傳熱系數(shù)2 殼程傳熱系數(shù)先假設(shè)殼程傳熱系數(shù)0=1500w/(m2*) 污垢熱阻為 Rsi=0.00017179m2*/w Rs0=0.00017179m2*/w 管壁的導(dǎo)熱系數(shù)k=45w/(m2*) 4. 2 估算傳熱面積 考慮到15%的面積裕度，S=S*15%=24.305換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)5.1管徑和管內(nèi)流速選用的碳鋼管，管內(nèi)流速取=0.5m/s。5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑流速確定單程傳熱管數(shù)：按單程管計(jì)算，所需的傳熱管的管長度為：由上面的計(jì)算結(jié)果可知，按單程管設(shè)計(jì)的話，傳熱管過長，應(yīng)該采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器管程數(shù)為： 管內(nèi)流

15、速為： 5.3傳熱管排列和分程方法采用組合排列方法，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)： 5.4.計(jì)算平均傳熱溫差 平均傳熱溫差校正系數(shù) 由R和P查“查化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)圖2-6(a)”得 平均傳熱溫差： 5.5.殼體內(nèi)徑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)入和排出之用。采用多管程結(jié)構(gòu)，取管的利用率=0.7，則殼體的內(nèi)徑為： 圓整可取D=450mm 5.6.折流板 安裝折流板的目的是為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流速度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以流體橫向穿過管束，增加流體速度，以

16、增強(qiáng)傳熱，同時(shí)用以支撐管束、防止管束震動和管子彎曲的作用。弓形折流板簡單，性能優(yōu)良，在實(shí)際中最常用。本次設(shè)計(jì)采用弓型折流板。圓缺高度采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的35%，則圓缺高度為： h=0.35*400=140mm折流板間距B=600mm折流板數(shù)折流板數(shù) 5.7接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)有機(jī)物流速u1=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為： 圓整后可取內(nèi)徑為146mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為： 圓整后可取內(nèi)徑為102mm。 5.7.計(jì)算殼程流通面積及流速 殼程流通截面積： 殼程流體流速極其雷諾數(shù)分別為： 5.8.計(jì)算管程流速

17、管內(nèi)柴油流速： 雷諾數(shù)： 6.換熱器核算 6.1傳熱系數(shù)的校核 6.11殼體對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可用Kern公式： 當(dāng)量直徑： 殼程流通截面積： 殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為： 普朗特?cái)?shù)：殼程對流傳熱系數(shù)： （2）管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積： Si=0.785*(0.022)*(96-12)/2=0.026376m2 管程流體流速： 管程給熱系數(shù) （3） 傳熱系數(shù) （4）傳熱面積 該換熱器的面積裕度為：H=（Sp-S）/S）*100%=16.247%該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流體阻力換熱器壓降的計(jì)算 為直管及回管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降；結(jié)垢校正因數(shù)

18、，量綱為1，對的管子，取1.4；管程數(shù) 串聯(lián)的殼程數(shù) Re=11509.136 傳熱管粗糙度為：0.01/20=0.0005 查莫迪圖得 =（341.125+179.864）×1.4×1×2=0.014587mPa<0.1mPa(2)殼程壓降流體橫過管束的壓強(qiáng)降(Pa);流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降(Pa); 殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，液體可取1.15。管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對正三角形排列F=0.5殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時(shí),;橫過管束中心線的管子數(shù);折流擋板數(shù);折流擋板間距(m);按殼程流通截面積計(jì)算的流速(m/s);

19、 = (1108.675+1214.583) =2323.258<0.1mPa 結(jié)論：殼程流動阻力也比較適宜。7、換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表換熱器型式：固定管板式換熱器面積（）：41.12工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水某有機(jī)液體操作壓力，MPa0.021690.005447操作溫度，15/3278/60流量，kg/s9.10515流體密度，kg/995.6997流速，m/s0.34680.2547傳熱量，kw573.39總傳熱系數(shù)，w/·k532.8對流傳熱系數(shù)，w/·k2457.6441093.1134污垢系數(shù)，·k/w0.000171790.0001717

20、9阻力將，Pa2276.299024.38程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格.5管數(shù) 126管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下(共9個)間距32mm殼體內(nèi)徑/mm2758切口高度140mm三、安排管路和選擇合適的離心泵1管徑初選初取水合適流速 u=0.6m/s由于201.9mm不是標(biāo)準(zhǔn)管徑，因此確定d=203mm壁厚6mm的熱軋無縫鋼管：符合經(jīng)濟(jì)流速范圍故確定： d=191mm 壁厚6mm2.壓頭He在水槽液面及壓力表處列柏努利方程取，查圖得局部阻力： 底閥一個標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭3個 球心閥1個（全開）另外：突然減小=0.5，突然增大=1.0 故 換熱器壓降

21、對泵的壓頭安全系數(shù)取1.1，=1.110.798=11.878m對流量的安全系數(shù)取1.4，qve=1.432.92=46.0883.泵的選擇因?yàn)槭禽斔秃铀?，并且根?jù)和以及IS型離心泵系列特性曲線可以選用清水泵，由以上數(shù)據(jù)查表得取泵：IS100-65-200其參數(shù)為：離心泵的型號規(guī)格型號轉(zhuǎn)速n/(r/min)流量揚(yáng)程/m效率功率必需氣蝕量（NPSH）r/m質(zhì)量（泵/底座）/kgm3/hL/s軸功率電機(jī)功率IS100-65-20014505013.912.5732.334281/644、管路布置如圖所示：7. 管路選擇203mm×6mm的鋼管，至少使用下列零件：底閥1個；標(biāo)準(zhǔn)90

22、6;彎頭3個；球心閥1個。8. 由于計(jì)算所得有效壓頭為10.788m，（安全壓頭為11.878m）；有效流量為32.92m3/h（安全流量為46.088 m3/h），根據(jù)離心泵特性曲線和工作點(diǎn)，選取型號為IS100-65-250的離心泵。四、主要符號說明P壓力，Pa ; Q傳熱速率，W；R熱阻，·K/W； Re雷諾準(zhǔn)數(shù)；S傳熱面積，； t冷流體溫度，；T熱流體溫度，； u流速，m/s;質(zhì)量流速，/h; 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(·K);有限差值； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);粘度，Pa·s; 密度，/m3;校正系數(shù)。 r轉(zhuǎn)速，n/(r/min)H揚(yáng)程，m 必須汽蝕

23、余量，mA實(shí)際傳熱面積， Pr普郎特系數(shù)NB板數(shù)，塊 K總傳熱系數(shù)，W/(·K) 體積流量 Nt管數(shù)，根Np管程數(shù) l管長，mKC傳熱系數(shù)，W/(m·K) tm平均傳熱溫差，8.在ChemCAD中的結(jié)果 SUMMARY REPORT - General Data: Heat Transfer Data: Exch Class/Type R/AEL Effective Transfer Area 219.02 Shell I.D. 0.70 Area Required 380.44 Shell in Series/Parallel 1/1 COR LMTD 13.57 Num

24、ber of Tubes 320 U (Calc/Service) 428.70/744.66 Tube Length 9.00 Heat Calc 4585.74 Tube O.D./I.D. 0.0250/0.0200 Heat Spec 7965.53 Excess % -42.43 Tube Pattern TRI30 Foul(S/T) 1.761E-004/1.761E-004 Tube Pitch 0.03 Del P(S/T) 13.49/50.69 Number of Tube Passes 2 SS Film Coeff 697.13 Number of Baffles 57 SS CS Vel 0.35 Baffle Spacing 0.15 TW Resist 0.000056 Baffle Cut % 21 TS Film Coeff 2801.03 Baffle Type SSEG TS Vel 517.89 Thermodynamics: K: UNIFAC H: Latent Heat D: Li