化工原理課程設(shè)計(jì)-煤油冷卻器的設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)化工原理 課程設(shè)計(jì)說 明 書 設(shè)計(jì)題目 列管式換熱器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師:孔江榕 學(xué)院:化學(xué)化工學(xué)院 專業(yè)班級(jí):化工1202 姓名:劉亮學(xué)號(hào):1505120711 設(shè)計(jì)日期:2014-9-17 目錄一、 概述.2二、 設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù).13三、 換熱器的類型和特點(diǎn).14四、 論述本換熱流程結(jié)構(gòu)的選擇和材料選擇.15五、 有關(guān)換熱器計(jì)算.15六、 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表.21七、 后記.23八、 參考資料.24九、 主要符號(hào)說明.25 一、概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡(jiǎn)稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量

2、。3540。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 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。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。 換熱器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，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為管殼式換熱

3、器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），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 固定管板式 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(chǎng)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 管間容易泄漏，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(chǎng)合 釜式 殼體上部有個(gè)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(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中 套管

4、式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、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，可用作回收低溫?zé)崮?平板式 結(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(chǎng)合 完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求。 （1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流

5、體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。 增大傳熱系數(shù)? 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的前提下，盡量選擇高的流速。 提高平均溫差? 對(duì)于無(wú)相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時(shí)，可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。 妥善布置傳熱面? 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以

6、加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側(cè)有相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 （2）安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4）經(jīng)濟(jì)合

7、理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為1年）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等）的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。 動(dòng)力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。 傳熱面上垢層的產(chǎn)生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進(jìn)行清洗。在清洗時(shí)不僅無(wú)法傳遞熱量，還要支付清洗費(fèi)，這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償，因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。 嚴(yán)格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應(yīng)

8、以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。但要解決這樣的問題難度很大，當(dāng)影響換熱器的各項(xiàng)因素改變后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)，按照上述觀點(diǎn)單獨(dú)地對(duì)換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。1.2換熱器的結(jié)構(gòu)形式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(jiǎn)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：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(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于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

9、，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。浮頭式換熱器浮頭式換熱器的管板有一個(gè)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(wú)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。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(jiǎn)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熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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

10、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(jiǎn)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(dòng)，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。1.3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。流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來(lái)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(lái)考慮，是比較容易達(dá)到

11、的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)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(duì)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(wú)耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無(wú)縫鋼管，其常用的材料為10號(hào)和20號(hào)碳鋼。 （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

12、；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(guó)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(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板 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(lái)。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過 350的場(chǎng)合。（3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，

13、封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時(shí)需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)16程，常用的有2、4、6程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。1.4管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)(1) 換熱效率高,熱損失小  

14、0;     在最好的工況條件下, 換熱系數(shù)可以達(dá)到6000W/ m2K, 在一般的工況條件下, 換熱系數(shù)也可以在30004000 W/ m2K左右,是管殼式換熱器的35倍。設(shè)備本身不存在旁路,所有通過設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進(jìn)行充分的換熱。完成同一項(xiàng)換熱過程, 板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/ 31/ 4。(2) 占地面積小重量輕        

15、;除設(shè)備本身體積外, 不需要預(yù)留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0. 60. 8mm。同樣的換熱效果, 板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3) 污垢系數(shù)低        流體在板片間劇烈翻騰形成湍流, 優(yōu)秀的板片設(shè)計(jì)避免了死區(qū)的存在, 使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。(4) 檢修、清洗方便        

16、換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當(dāng)檢修、清洗時(shí), 僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。(5) 產(chǎn)品適用面廣        設(shè)備最高耐溫可達(dá)180 , 耐壓2. 0MPa , 特別適應(yīng)各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面, 在低品位熱能回收方面, 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。各類材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對(duì)腐蝕性的要求。      &

17、#160; 當(dāng)然板式換熱器也存在一定的缺點(diǎn), 比如工作壓力和工作溫度不是很高, 限制了其在較為復(fù)雜工況中的使用。同時(shí)由于板片通道較小,也不適宜用于雜質(zhì)較多,顆粒較大的介質(zhì)。1.5列管式換熱器的結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 （1）換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有19×2 mm、25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、25×2.5 mm(碳鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較?。煌瑫r(shí)，對(duì)于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金屬耗量更少。換熱管管板上的排列方式有正方形直

18、列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列。  （A） （B）（C）  （D） （E）圖 1-4 換熱管在管板上的排列方式(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 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(guó)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(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。 （2）管板

19、 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(lái)。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過350的場(chǎng)合。 （3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時(shí)需拆下管箱，因

20、此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)16程，常用的有2、4、6程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。1.6管板式換熱器的類型及工作原理        板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式; 按照

21、密封墊可以分為粘結(jié)式和搭扣式。各種形式進(jìn)行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對(duì)性。比如同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結(jié)式還是搭扣式密封墊而有所不同, 采用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對(duì)板片的腐蝕, 并且設(shè)備拆裝更加方便。又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器, 可以達(dá)到250 、2. 5MPa 。因此同樣是板式換熱器, 因其形式的多樣性,可以應(yīng)用于較為廣泛的領(lǐng)域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。 雖然板式換熱器有多種形式, 但其工作原理大致相同。板式換熱器主要是通過外

22、力將換熱板片夾緊組裝在一起, 介質(zhì)通過換熱板片上的通孔在板片表面進(jìn)行流動(dòng), 在板片波紋的作用下形成激烈的湍流, 猶如用筷子攪動(dòng)杯中的熱水, 加大了換熱的面積。冷熱介質(zhì)分別在換熱板片的兩側(cè)流動(dòng),湍流形成的大量換熱面與板片接觸, 通過板片來(lái)進(jìn)行充分的熱傳遞,達(dá)到最終的換熱效果。冷熱介質(zhì)的隔離主要通過密封墊的分割, 或者通過大量的焊縫來(lái)保證, 在換熱板片不開裂穿孔的情況下, 冷熱介質(zhì)不會(huì)發(fā)生混淆。1.7確定設(shè)計(jì)方案1選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140 出口溫度40；冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度為40

23、，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)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，因此初步確定選用列管式換熱器。2 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使煤油走管程，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(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。 二、設(shè)計(jì)題目：列管式換熱器的設(shè)計(jì)（一） 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：1. 處理能力：（12.8×10）噸/年煤油2. 設(shè)備型式：浮頭式換熱器3. 操作條件：（1） 煤油入口溫度140，出口溫度40；（2） 冷卻介質(zhì)循環(huán)水，入口溫度25，出口溫度40；

24、（3） 允許壓強(qiáng)降不大于105Pa;（4） 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度為825kg/m3；粘度為：7.5×10-4Pa.S;比熱容為：2.22kJ/（kg. ）；導(dǎo)熱系數(shù)為：0.14W/（m. ） 水定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度為994kg/m3；粘度為：7.27×10-4Pa.S;比熱容為：4.187kJ/（kg. ）；導(dǎo)熱系數(shù)為：0.626W/（m. ）（5） 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 三、換熱器類型：浮頭式換熱器 換熱器特點(diǎn): 兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)，稱為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼

25、體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會(huì)主生熱應(yīng)力。 四、論述本換熱流程結(jié)構(gòu)的選擇和材料選擇。1、選擇換熱器的類型：兩流體溫度變化情況：煤油進(jìn)口溫度為140，出口溫度40，冷流體進(jìn)口溫度25，出口溫度40；設(shè)煤油壓力為0.3MPa，冷卻水壓力為0.4MPa。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2、 流程安排: 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。選用25×2.5的碳鋼管（換熱管標(biāo)準(zhǔn)：GB8163）。 五、有關(guān)換熱器計(jì)算1、估算傳熱面積1.1

26、熱流量m0=（kg/h）Qo=m0cp0t0=1.6161××2.22××(140-40)/（140-40）=9.97×W1.2平均傳熱溫差() 1.3傳熱面積 假設(shè)K=300W/(m2·K),則估算面積為：AP=Q0/(K×tm)=9.97×/(300×35.168)=95(m2) 1.4冷卻水用量=57132（kg/h）2、工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 1.5m/s2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)10

27、4（根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：=6（m）按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)為l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為：NP=L/l=2；傳熱管總根數(shù)： NT=104×2=208（根）2.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)：由于平均傳熱溫差校正系數(shù)約等于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.4傳熱管排列和分程方法管子排列方法為正方形斜轉(zhuǎn)45°。（見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖3-13）取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.2532(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=3

28、2/2+6=22（mm）。各程相鄰的管心距為44mm。管束的分程方法，每程各有傳熱管104根，其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖3-14選取。2.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.8，則殼體內(nèi)徑為D=600(mm)2.6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，則切去的圓缺高度為h0.25×700=175（mm）。折流板間距B=0.3D,則B=0.3×700=210mm。折流板數(shù) NB=傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1=6/0.15-139(塊)，折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖3-15。2.7其他附件拉桿數(shù)

29、量與直徑按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書本圖表3-9選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑為16，拉桿數(shù)為6個(gè)。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。2.8接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為 圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為 圓整后去管內(nèi)徑為360mm 3. 換熱器核算3.1熱流量核算3.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，用克恩法計(jì)算：當(dāng)量直徑，由排列得：de=m殼程流通截面積：=0.028（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0=（m/s）Re0=87

30、23普朗特?cái)?shù)：Pr=；粘度校正：h0=585W/(m2·K) 3.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：hi管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×324/2=0.051（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：ui=0.488（m/s）Rei=13344（湍流）普朗特?cái)?shù)：Pr=hi=0.023×=2705W/ (m2·K)3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知可?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻 R0=0.00017 m2·K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.00034 m2·K/W管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m

31、83;K)。故RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/W）3.1.4計(jì)算傳熱系數(shù)KC：KC=361w/（m·）計(jì)算傳熱面積AC:AC=Q/(KC×tm)=997×103/（361×35.168）=78.5（m2）該換熱器的實(shí)際傳熱面積A：A=3.14×0.025×（6-0.1）×208=96（m2）3.1.5 安全系數(shù)為=20.3%3.2壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按式（3-42）計(jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度

32、為16，出口溫度為40計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼程和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管壁溫差肯能較大。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。于是有tw=式中液體的平均溫度tm=和氣體的平均溫度分別按式（3-44）和式（3-45）計(jì)算為tm=0.4×40+0.6×16=25.6（） Tm=0.5（140+40）=90（）hc=hi=5833W/ (m2·K) hh=h0=806.6W/ (m2·K)傳熱管平均壁溫t=33.4（）殼體壁溫，可近似取為

33、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t=90-32.5=57.5（）>50該溫差較大，故需設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。3.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力3.3.1管程流體阻力 計(jì)算公式如下：Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.4; Pi=。由Re=13344，傳熱管相對(duì)粗糙度0.1mm，查莫狄圖得=0.035，流速u=0.488m/s，=994kg/m3，故 Pi=1243（Pa）；Pr=355（Pa） Pt=（1243+355）×2×1.4=4474.4（Pa）<105 Pa管程流體阻力在允

34、許范圍之內(nèi)。3.3.2殼程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ；P0= Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.4,f0=5×6000-0.228=0.688, NTC=1.1 NT0.5=1.1×3240.5=19.8NB=27;u0（按流通面積S0=B(D- NTCd0)計(jì)算）=0.2m/s則流體流經(jīng)管束的阻力：P0=0.5×0.688×19.8×（27+1）×825×0.22/23146.77（Pa）流體流過折流板缺口的阻力Pi =NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.21m

35、; D=0.7m；故Pi=27×（3.5-2×0.21/0.7）×825×0.22/21291.95（Pa），則總阻力： PS=3146.77+1291.95=4438.72（Pa）<105 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。 六、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表?yè)Q熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表。參數(shù)管 程殼 程進(jìn)/出溫度/25/40140/40壓力/ MPa0.40.3物性定性溫度/32.590密度/（kg/m3）994825定壓比熱容/（kJ/（kg·K）4.1872.22粘度/（Pa·s）0.0007270.000715熱導(dǎo)率/w/（m&

36、#183;K）0.6260.140普朗特?cái)?shù)4.8611.3設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)1管徑/mm25×2.5管心距/mm32管長(zhǎng)/mm6000管子排列正方形斜轉(zhuǎn)45°管數(shù)目/根208折流板數(shù)/個(gè)39傳熱面積/m296折流板間距/mm150管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.4880.28表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（m2·K）2705585污垢阻力/（w/m2·K）0.000340.00017傳熱系數(shù)/w/（m2·K）361安全系數(shù)/%20.3 七、后記本次持續(xù)了兩周的化工原理課程設(shè)計(jì)是對(duì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)，列管式換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的專業(yè)設(shè)計(jì)。通過本次練習(xí)，我們鞏固和深化之前所學(xué)的理論知識(shí)，增強(qiáng)了獨(dú)立分析和解決工程實(shí)際問題的能力，也讓我們對(duì)自己學(xué)的知識(shí)有了一個(gè)工程上的概念。本次實(shí)習(xí)最重要的收獲就是知道了工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用的步驟及考慮問題的方法。同時(shí)，綜合設(shè)計(jì)也提高了識(shí)圖、制圖和使用相關(guān)工程技術(shù)資料的能力。而且經(jīng)過本次設(shè)計(jì)說明書的書寫，我們更加認(rèn)識(shí)到說明書規(guī)范化格式的重要性，同樣在排版能力上有了很大提高。本設(shè)計(jì)所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設(shè)計(jì)