換熱器方案設計書1

1、換熱器設計一、設計的目的和要求意義 :化工原理課程設計是一個具有總結性的實踐教學環(huán)節(jié)。是綜合應用本課程和相關課程知識， 完成以某單元操作為主的一次設計實踐。 為畢業(yè)設計和今后從事技術工作打下一定的基礎。1.鞏固和掌握本課程的主要知識；2.培養(yǎng)綜合運用所學知識去解決生產(chǎn)實際問題的能力；3.掌握化工設備的工藝設計程序、方法和有關的設計原則。包括查閱技術資料、正確選擇工藝參數(shù)、 搜集有關公式和使用圖表手冊的能力， 以及正確進行工程計算的能力；4.樹立正確的設計思想，用工程觀念來考慮設計內(nèi)容。使理論正確、技術可行、操作安全、經(jīng)濟合理。5.熟悉有關的國家標準和部頒標準及技術規(guī)范。6.具有用簡潔的文字和正

2、確的圖表來表達自己設計思想與設計成果的能力。二設計說明書三概述與設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)點是單位體積所具有的傳熱面積大， 傳熱效果好， 結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣， 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

3、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，就可能由于熱應力而引起設備的變形， 甚至彎曲或破裂， 因此必須考慮這種熱膨脹的各種影響。換熱器是化工、 石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備， 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

4、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。 間壁式換熱器的應用廣泛， 形式繁多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，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，

5、將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。 其缺點是設備的體積龐大， 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)結構特點， 間壁式換熱器可以分為管殼式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)的標準換熱設備， 在許多工業(yè)部門被大量采用。 列管式換熱器的特點是結構牢固， 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，適應性強及處理

6、能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(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。換熱器分為 3 種，分別是板式換熱器、暖氣片式換熱器和釬焊板式換熱器 。換熱器是有體積的， 內(nèi)部可以儲存一定量的水。 片數(shù)越多體積越大的， 其內(nèi)部儲存的水自然也就更多， 如果片數(shù)達到了100 片，就可以儲存四分之一桶水。這些儲存的水在內(nèi)部和暖氣水長時間換熱，溫度會非常接近暖氣水溫。三、課程設計任務（一）設計一臺浮頭式換熱器1、生產(chǎn)能力

7、 16000kg/h2、由 110冷卻到 603、冷卻水進口溫度294、冷卻水出口溫度39某生產(chǎn)過程中，反應器的混合氣體經(jīng)與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混合氣體的流量為 1.6 ×104 kg/h ，壓力為 6.9Mpa。循環(huán)冷卻水的壓力為 0.4Mpa，循環(huán)水的入口溫度為 29，出口溫度為 39，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務。（二）設計項目1、確定冷卻器的類型、結構、型式；根據(jù)列管式換熱器的結構特點， 主要分為以下四種。 以下根據(jù)本次的設計要求，有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

8、 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， 它的結余構簡單； 在相同的殼體直徑內(nèi)， 排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難， 所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。 當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型管換熱器結構特點是只有一塊管板，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， 當殼體與 U 型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力。 U 型管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單， 只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺

9、點是管內(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構如下圖 1-3 所示。其結構特點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。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，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

10、的結構如圖 1-4 所示。其特點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力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構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)管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高， 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。安裝方式的選擇安裝方式有立式、臥式兩種。安置方式應根據(jù)廠房條件、 工藝要求、傳熱效果、 檢修清洗方便等多方面考慮確定。 立式安裝特點：占地面積小，不用支承板，結構簡單，清洗方便。但用于冷凝時傳熱效果較差。臥式安裝

11、特點： 重心穩(wěn)，維修方便，用于冷凝時傳熱效果較好。 但占地面積大，換熱器內(nèi)須裝支承板。四、確定設計方案1.選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度110 出口溫度 60；冷流體進口溫度 29，出口溫度為 39，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大， 因此初步確定選用浮頭式換熱器。2.管程安排從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結垢， 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，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。五、計算定性溫度，確定流體特性定性溫度：對于一般氣體和

12、水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為11060T=85管程流體的定性溫度為t= 39 2934 2經(jīng)查得混合氣體在 85下有關物性數(shù)據(jù)：密度 1=90kg/m3 ,定壓比熱容 Cp1=3.297kJ/(kg*) ；熱導率 1=0.0279W/(m*) ；1-5pa*s 。粘度 =1.5×10循環(huán)水在 34 下的物性數(shù)據(jù)：密度2 =994.3 /m3定壓比熱容c p 2 =4.174kJ/ （kg*K）熱導率2 =0.624w/ （m*K）粘度-3Pa*s2 =0.742 × 10六、估算傳熱面積1、確定冷卻水的用量由熱量衡算： Q

13、熱 =Q冷 +Q 損式中 Q 損 =（35%） Q熱Q冷 =qm 2 c p 2 ( t 2t1 )Q熱 =qm1 c p1 (T1 T2 )冷卻水的用量：qm2=(熱 -Q損 )/c p 2(t 2t1)Q=16000×3.297 ×（110-60 ）×（1-0.04 ） /4.174 ×(39-29)=60663.5kg/h2、計算熱負荷 Q由于熱流體走殼程，熱損失不經(jīng)過傳熱面積，所以Q= Q冷因為冷流體在換熱過程中無相變化，則熱負荷Q =Q冷 = qm2 c p 2 ( t2t1 )=703.36kw3. 計算流體平均溫度差tm本設計兩流體采用折流

14、（多管程）t mt t m逆熱流體 TT1 T2冷流體 tt1 t 2t 大-t 小t m 逆t大nt 小=(110-39)-(60-29)/l n(11039) /(6029) =48.3 平均溫差校正系數(shù)：R=（110-60 ）/(39-29)=5P=(39-29)/(110-29)=0.124按單殼程，雙管程結構t mtt m逆 =0.96×48.3=46.4K由于平均傳熱溫差 校正系數(shù)大于 0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4. 假定一個傳熱系數(shù) K ( 參化原 )換熱器傳熱系數(shù) K 值的大小取決于流體的物性、 傳熱過程的操作條件和所用換熱器的類型等，現(xiàn) 操作條件

15、 （d， L，u 等 ) 尚未確定 , 無法計算 , 可根據(jù)經(jīng)驗值初選。根據(jù)經(jīng)驗選取 ,K =290 w/( (m2k )A=Q/(K Xt m )=703.36 ×10 3 /290 ×46.4=52 .27 m2考慮（ 15%25%）安全系數(shù)，則設計初估實際需要的面積 : A初 =(1.15 1.25)A =1.2×52.27=62.73m2七、工藝結構尺寸1. 選擇管徑、管長 , 確定換熱管數(shù)目我國列管式換熱器標準中常用的鋼管規(guī)格（外壁×壁厚）有：19× 2； 25×2.5 ； 38×2.5 等。常用管長有： 1.5

16、；2；3； (4)；6m。考慮到折流擋板數(shù)目不宜太多及換熱器體積大小適中，取單根管長 l=3 m 2管徑和管內(nèi)流速選用 25× 2.5 傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1 =1.2m/s。3管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)n=4V23.14 di u=4 ×60663.5/(3600 ×994.3) /(3.14 ×0.022 ×根1.2)=45按單程管計算，所需的傳熱管長度為L= 初×A/(3.14 d o n)=62.73/(3.14×0.025 ×45)=17.76 m按單程管設計，傳熱管過

17、長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長 l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為N P =L/l =17.76/3=6傳熱管總根數(shù)N=45×6=270 根對于管式換熱器，其傳熱面積可由管子的直徑、長度和管數(shù)的多少而定。即A0 實3.14nd 0 L=3.14 ×45×0.025 ×17.76=62.73m2式中： A0 實 - 以管的外表面積計算的傳熱面積，m2；d0 - 管子的外徑， m；L-管子的長度， m；n-管子的根數(shù)，對于套管式換熱器而言,n=1 。4. 選擇管徑、管長 , 初定換熱管數(shù)管子的選取，一般應保證有較大的流速 ,

18、 同時考慮流體的粘度或加熱程度，清洗，安裝和加工的難易程度等。初定換熱管總數(shù)A初n初d0 L=62.73/(3.14×0.025 ×3)=267（圓整）驗算單管程時水的流速V4Vu單2ANdi=4×60663.5/3600 ×994.3 /(270 ×3.14 ×0.02 2 )=0.199m/s若流速太?。ú辉诔Ｓ昧魉俜秶?，為了提高管程流速，從而提高管程對流傳熱系數(shù)，應考慮采用多管程結構。且為了制造和操作的方便，一般程數(shù)以偶數(shù)為宜。確定管程數(shù)和實際管數(shù)管城數(shù)： m=u/u單=1.2/0.199=6(取偶數(shù)）式中 u 為合理流速，

19、 m/s每程管數(shù)： n單n初 / m=267/6=45(圓整 )實際總管數(shù)： n總mn單=6X45=270(根）管程實際流速： ui4V /( n單 X 3.14Xd 12 ）=4 ×60663.5/(3600 ×994.3) /(3.14 ×45×0.02 2 )=1.199 m/s5. 選定管子排列方法、管中心距、初定殼體內(nèi)徑5.1 選定管子排列方法管子的排列方法 : 常用有正三角形法、正方形法、同心圓法。等邊三角形排列法在一定的管板面積上可以配置較多的管子數(shù)，且由于管子間的距離都相等，在管板加工時便于劃線與鉆孔。應用最多.5.2 管中心距 t管心距

20、 t 過大，則管束多時，不緊湊，所需殼徑大，過小會造成制造及清洗困難。管心距隨管子與管板的連接方法不同而異。通常脹接法： t=(1.31.5)d 2，且相連兩管外壁間距不應小于，即6mm t d06 。 t=1.4 ×25=35 mm t 25+6=31 mm根據(jù)所選的管徑和上表，選擇t= 32 mm5.3 初步確定殼體的內(nèi)徑殼體內(nèi)徑D1 . 151 . 35tn 總=1.25×32 ×270=658 mm圓整到 800 mm換熱器的長度與殼徑之比l/D =3000/658=4.6合格（一般臥式為 410）6折流擋板采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的

21、25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×800=200m，故可取 h=200mm取折流板間距 B=0.3D，則B=0.3× 800=240mm，可取 B 為 240mm。折流板數(shù)目 N B傳熱管長130001 12折流板間距240管子在管板上的固定方法有脹接法、焊接法、先脹后焊法。當操作壓力不大時，常用脹接法。八、換熱器核算1. 熱流量核算1.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算0 0.361 Re00 .551)0.14Pr 3 (d ew43 t 2d o2 當量直徑d e =240.02mdo殼程流通截面積：AhD (1d 2 / t )=0.2×0.8

22、5;（1- 25/32） =0.035 m2殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為u0qv1 / A16000 /(3600 90) / 0.035 1.41m / sRe0deu01 / 10.021.41 90/ 0.000015 169200普朗特數(shù)Prc p1 1/13297X0.000015/ 0.0279 1.773粘度校正0 .14式中液體被加熱時取 1.05，被冷卻時取 0.95w2 0.360.02791692000 .55 1.7331/ 30.95 433.6w /(m 2 K )0.021.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：i 0.023 i Re0 .8 Pr0.4 di管程流體流通截面積

23、：S1 =3.14×0.02 2 ×270 /6=0.01413 m 2管程流體流速：ui60663.5/3600994.3/ 0.014131.199m / s雷諾數(shù)：Re0.02 1.199994.3/ 0.00074332091普朗特數(shù)：PrC p4.1741030.742 1034.960.624i0.0230.624320910 .84.960.45485.1w /( m2K )1.30.02污垢熱阻取管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Rm2 k/wi0.0006管外側(cè)污垢熱阻Rm2k/wo0.0004管壁熱阻碳鋼在該條件下的熱導率為 45w/(m·K) 。R w=0.0

24、025=0.000056m2 .k/w45K 21 / d o /( i di ) Ri do / diRw do / d m Ro 1 / 2 =1/25/(5485.1 ×25)+0.0006 ×25/20+0.000056 ×25/22.5+0.0004+1/433.6=283 w /(m2 K )1.4 傳熱面積裕度：計算傳熱面積 A0 計/K2 /t mQ= 703360/278/46.4=54.5m2換熱器實際傳熱面積A 實n總 3.14d l3.142700.025 3 65.585m202安全系數(shù)（A0實 - A 0計）/ A0 計 （65.585

25、- 54.5）/ 54.516.7%合格安全系數(shù)在（ 1525）% 合格換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器型式浮頭式換熱器參數(shù)管程殼程工作介質(zhì)循環(huán)冷卻水混合氣體流量 /(kg/h)60663.516000溫度（進 /出） /29/39110/60壓力 /MPa0.46.9定性溫度 /3485物密度 /( /m 3 )994.390性參比熱容 /kJ/(kg ·)4.1743.297數(shù)黏度 /mPa·s0.7420.015熱導率 /W/(m ·)0.6240.0279普朗特數(shù)4.961.773設型式浮頭式臺數(shù)1備殼體內(nèi)徑 /mm800殼程數(shù)1結管子規(guī)格25mm

26、15; 2.5mm管心距 /mm32構管長 /mm3000管子排列正三角形參管子數(shù)目 /根270折流板數(shù) /塊12數(shù)傳熱面積 /72.06折流板距 /mm240管程數(shù)6材質(zhì)碳鋼主要計算結果管程殼程流速 /(m/s)1.1991.41傳熱膜系數(shù) W/( ·)5485.1433.6污垢熱阻 /( ·/W)0.00060.0004傳熱系數(shù) /w/m 2 .290安全系數(shù) %16.7九、參考資料1、列管式換熱器2、容器零部件標準3、課本及其它版本的化工原理教材4、化工原理課程設計5、化工基礎過程及設備6、制圖課本（化工制圖補充教材）7、換熱器設計8、化工容器及設備9、換熱器原理及計算10、換熱器及其計算基礎知識11、錢頌文主編，換熱器設計手冊，化學工業(yè)出版社， 2002。12、賈紹義，柴誠敬等，化工原理課程設計 , 天津大學出版社 ,1994.13、匡國拄，史啟才等，化工單元過程及設備課程設計 , 化學