環(huán)境工程原理列管式換熱器課程設(shè)計(jì)

1、Yibin University環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)題 目 列管式換熱器設(shè)計(jì) 專 業(yè) 資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理 學(xué)生姓名 年 級(jí) 指導(dǎo)教師 化學(xué)與化工學(xué)院任務(wù)書一、設(shè)計(jì)目的培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)去完成換熱單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)的實(shí)踐能力二、設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)的設(shè)備必須在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的，操作上是安全的，環(huán)境上是友好的三、設(shè)計(jì)題目列管式換熱器設(shè)計(jì) 四、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 產(chǎn)量（萬噸）10131619222528石油1#7煤油814硝基苯1521原料溫度石油： 入口96，出口34 地點(diǎn)：蘭州石油物性數(shù)據(jù)煤油： 入口132，出口47 地點(diǎn)： 宜賓煤油物性數(shù)據(jù)硝基

2、苯：入口124，出口50 地點(diǎn)：廣州硝基苯物性數(shù)據(jù)允許壓降：不大于0.1MPa冷卻介質(zhì)任選五、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、換熱器概述換熱器是化工、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(dòng)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(duì)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(jiǎn)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，

3、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、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關(guān)內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動(dòng)，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(jiān)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(cuò)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

4、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(shí)，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，因此必須考慮這種熱膨脹的影響（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(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） 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

5、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）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。

6、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。（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(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2、設(shè)計(jì)方案的選擇（1）設(shè)計(jì)任務(wù)處理能力： 10萬噸/年設(shè)備型式： 列管式（2）操作條件煤油：入口

7、溫度132，出口47 地點(diǎn)： 宜賓冷卻介質(zhì)：循環(huán)水 入口溫度 20 出口溫度 40允許壓降：不大于0.1MPa煤油物性數(shù)據(jù)每年按300天機(jī)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行3、確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值殼程流體煤油的定性溫度為管程流體水的定性溫度為在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(冷卻水和植物油)的物性參數(shù)，見下表：密度/（/m3）比熱容/（kJ/kg）粘度/（Pas）導(dǎo)熱系數(shù)/（kJ/m）煤油8252.227.05×10-40.14水995.74.1748.07×10-40.6174、設(shè)計(jì)計(jì)算ms1=/h=3.86kg/s Q=ms1cp1(T1-T2

8、)=13888.89x2.22x(132-47)=2620833.543kJ/h=728.01kw平均傳熱溫差 計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差 暫時(shí)按單殼程、多管程計(jì)算。 逆流時(shí)，我們有煤油油：13247循環(huán)水： 4020從而， 而此時(shí)，我們有： 式中：熱流體（煤油）的進(jìn)出口溫度，單位；冷流體（循環(huán)水）的進(jìn)出口溫度，單位； 883.0)1551(16.02)1551(16.02ln516.0116.01ln1515222=+´-+-+´-´-+=>0.8符合要求則平均溫差：tm=×=0.883x44.82=39.58冷卻水用量 由以上的計(jì)算結(jié)果以及已知條

9、件，很容易算得冷卻水用量：Qc=2620833.543/4.174x(40-20)=31394.75/h=8.72/s由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)表1-6。，查得水與煤油之間的傳熱系數(shù)在290698w/(·)。初步設(shè)定K=500 w/(·)估算傳熱面積估算的傳熱面積為5、主要設(shè)備工藝尺寸計(jì)算（1） 管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定選用25×2.5的傳熱管（碳鋼管），管內(nèi)徑d1=0.025-0.0025×2=0.02,取管內(nèi)流速u1=1.2m/s（2） 管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定依據(jù)傳熱內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)ns=根按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng)=按單管程設(shè)計(jì)，

10、傳熱管過長(zhǎng)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6.5，則該換熱器管程數(shù)為Np=（管程）熱管總根數(shù)N=21×4=84(根)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。橫過管束中心線的管數(shù)為nc=1.1=1.1×11（根）(3)按管尺寸的確定殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為d=經(jīng)圓整采用114mm×5mm 熱軋無縫鋼管（GB8163-87），取標(biāo)準(zhǔn)管徑為114mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為d=經(jīng)圓整采用60×7mm熱軋無縫鋼管（GB8163-87），取標(biāo)準(zhǔn)管徑為60m

11、m根據(jù)以上的計(jì)算可以得到如下的計(jì)算結(jié)果表DN,mm400管程數(shù)4殼程數(shù)1管子規(guī)格25*2.5管子根數(shù)60中心排管數(shù)9管程流通面積，m20.005966換熱面積，m226.41換熱管長(zhǎng)度，mm6000通過查表，可以發(fā)現(xiàn)下面的結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器和所需的比較接近，故而選擇該種換熱器：DN,mm400管程數(shù)4殼程數(shù)1管子規(guī)格25*2.5管子根數(shù)84中心排管數(shù)11管程流通面積，m20.0060換熱面積，m237.2換熱管長(zhǎng)度，mm65006.換熱管6.1換熱管的規(guī)格及尺寸偏差經(jīng)過查表，對(duì)于碳鋼、低合金鋼的換熱管的規(guī)格及尺寸偏差見下表4-2：材料換熱管標(biāo)準(zhǔn)管子規(guī)格高精度、較高精度偏差外徑，mm厚度，mm外徑

12、偏差，mm壁厚偏差，mm碳鋼GB/TB8163143022.5±0.2+12%低合金鋼GB9948-10%6.2傳熱管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的為圖4-1所示的（a）、（b）、（c）、（d）四種，即正三角形排列（排列角為30°）、同心圓排列、正方形排列（排列角為90°）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為45°）。當(dāng)管程為多程時(shí)，則需采取組合排列，圖1-10為二管程時(shí)管小組合排列的方式之一。圖4.1.管子在管板上的排列方式和組合排列示意圖采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。換熱管的中心距經(jīng)查表4-3可得：（mm）換熱管

13、外徑d換熱管中心距t分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的中心距2532446.3橫過管束中心線的管數(shù)nc=采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，殼體內(nèi)徑為D=7.折流板折流板間距系列為：100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，見表4-4所列數(shù)據(jù)。表4-4. 折流板厚度/ mm殼體公稱內(nèi)徑/mm相鄰兩折流板間距/mm3003004504506006007507502002503561010400700561010127001000681012161000610121616支承板厚度一般不應(yīng)小于表4-4(左)中所列數(shù)

14、據(jù)。支承板允許不支承的最大間距可參考表4-5（右）所列數(shù)據(jù)。殼體直徑/mm4004008009001200管子外徑/mm19253857支承板厚度/mm6810最大間距/mm1500180025003400表4-5支承板厚度以及支承板允許不支承的最大間距經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，取弓形折流圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：h=100mm取折流板間距B=0.7D，則：B=0.5×400=200mm可取B=200mm因而查表可得：折流板厚度為5mm，支承板厚度為8mm，支承板允許不支承最大間距為1800mm。折流板數(shù)NB折流板圓缺面水平裝配。8.接管8.1.殼程流體進(jìn)出口

15、時(shí)接管取接管內(nèi)植物油流速為u=0.1m/s則接管內(nèi)徑為：d=所以，取標(biāo)準(zhǔn)管的內(nèi)徑為50mm。8.2.管程流體進(jìn)出口時(shí)的接管取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑：d=取標(biāo)準(zhǔn)管徑為60mm。9.壁厚的確定、封頭9.1壁厚查GB151-99P21表8得圓筒厚度為：8 mm 查JB/T4737-95，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即8mm9.2橢圓形封頭示意圖如下：查表可得其尺寸數(shù)據(jù)，見下表4-6公稱直徑DN/mm曲面高度/mm直邊高度/mm碳鋼厚度/mm內(nèi)表面積 A/容積 V/質(zhì)量M/kg4001502580437400353274710.管板管板除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個(gè)重

16、要的受壓器件。10.1.管板結(jié)構(gòu)尺寸 查（化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)P25-27）得固定管板式換熱器的管板的主要尺寸：公稱直徑Dbcd螺栓孔數(shù)4005304904985453610232810.2.管板厚度考慮到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動(dòng)等原因，建議最小厚度應(yīng)大于20mm。表4-7. 管板的最小厚度換熱器管子外徑/mm25323857管板厚度/mm3/4222532換熱管的外徑為25mm，因而管板厚度取為3/4=18.75，取上述的最小厚度20mm。六、換熱器核算1.熱量核算（1）殼程對(duì)流傳熱系數(shù)可采用克恩公式，取當(dāng)量直徑de，由于是正三角形排列de=殼程流通截面積A0=

17、殼程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為u0m/sReo普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=W/(·)（2）管程對(duì)流傳熱系數(shù)誰在管程中是被加熱其中：管程流通截面積管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為m/sRei=普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr=故管程對(duì)流換熱系數(shù) W/(·)（3） 污垢熱阻和管壁熱阻查閱化工原理（上）P354，附錄20，得煤油側(cè)的熱阻R0=0.000172 ·/w循環(huán)水側(cè)的Ri=0.000344·/w鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為=45（4） 傳熱系數(shù)K解得K=508.05W/(·)傳熱面積S=實(shí)際傳熱面積Sp=（5） 傳熱面積裕度該換熱器的面積裕度為H=2壁溫核算由于換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)

18、使傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，減低了傳熱管和殼體的壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。 式中液體的平均溫度和為：（） （） W/m2W/m2傳熱管平均壁溫： 殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為： 由于換熱器殼程流體的溫差不大，殼程壓力不高，因此，選用固定管板式換熱器較為適宜。3.殼程和管程的壓力降的計(jì)算因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊?，所以要?duì)殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。（1）管程壓力降管程壓力降的計(jì)算公式為：Rei=41917.42

19、2（前面已求），為湍流。取絕對(duì)粗糙度查另外，式子中：殼程數(shù)Ns=1管程數(shù)Np=4代入公式中，有：=（3019.36+862.67）×1×4=15528.12Pa<35kpa（2）殼程壓力降由于殼程流體的流動(dòng)狀況比較地復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計(jì)算殼程壓力降：殼程壓力降埃索法公式為：流體橫過管束的壓力降，Pa；流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，無因次，對(duì)于液體取1.15，對(duì)于氣體取1.0；Ns殼程數(shù)；而=0.86，nc=11，NB=29,uo=0.097m/s。F管子排列方法對(duì)壓力降的校正

20、系數(shù)，對(duì)正三角形排列，F(xiàn)=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45o排列，F(xiàn)=0.4，正方形排列，F(xiàn)=0.3;fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re500時(shí)，nc橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)正三角形排列NB折流擋板數(shù)代入數(shù)值得：=0.5×0.86×11×30×950×=634.19Pa而，其中h=0.2m，d=0.4m，NB=29,D殼徑，mh折流擋板間距，mdo換熱器外徑，muo按殼程流通截面積S計(jì)算的流速，而S=h（D-ncdo）=0.025 故代入數(shù)值得： =29×（3.5-）× =168.74Pa對(duì)于液體=1.15，于是我們有：=1.15&#

21、215;1×（634.19+168.74）=923.37Pa<35kpa經(jīng)過以上的核算，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。處于要求的15%20%的范圍內(nèi)，該換熱器符合實(shí)際生產(chǎn)要求七、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總：見下表參數(shù)循環(huán)水煤油進(jìn)、出口溫度，20/40132/47壓力，Mpa400300密度，kg/m3995.7825定壓比熱容，kJ/（kg）4.1742.22粘度，Pas0.0008070.000705熱導(dǎo)率，W/m0.6170.14結(jié)構(gòu)參數(shù)形式管板式換熱器殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑，mm400臺(tái)數(shù)1管徑，mm管心距，mm32管長(zhǎng)，mm6500管數(shù)，根84管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果熱流量，KW7

22、28.01傳熱溫差，43.23傳熱系數(shù)，W/(m2K)508.05傳熱面積，m237.25八、設(shè)計(jì)心得 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型

23、。  由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。   流體每通過管束一次稱為一個(gè)管程；每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端

24、管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。進(jìn)行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便；腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時(shí)受腐蝕；壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無關(guān),且冷凝液容易排出；若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時(shí)，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應(yīng)力。 通過此次設(shè)計(jì)，了解了很多關(guān)于換熱器的知識(shí)，如換熱器的選型，換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸的確定，以及計(jì)算換熱器的傳熱面積和流體阻力等等。最最重要的是我深刻認(rèn)知做設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要非常小心，因?yàn)橐徊涣羯窬蜁?huì)出錯(cuò)，如果前面錯(cuò)了沒發(fā)現(xiàn)，后面就全錯(cuò)。這是設(shè)計(jì)中的禁忌。設(shè)計(jì)內(nèi)容很多，