用于60萬(wàn)噸年煤油換熱的列管式換熱器的設(shè)計(jì)

1、化工課程設(shè)計(jì)列管式換熱器郝金龍 化學(xué)與材料工程 學(xué)院 應(yīng)用化學(xué) 專業(yè) 化工原理 課程設(shè)計(jì) 題目 用于60萬(wàn)噸/年煤油換熱的列管式換熱器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 000000 學(xué)生姓名 000000 學(xué) 號(hào) 12111100000 2015 年 4 月 17 日列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目： 用于60萬(wàn)噸/年煤油換熱的列管式   換熱器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 1、設(shè)計(jì)任務(wù) 處理能力： 60萬(wàn)噸 設(shè)備型式： 列管式換熱器 2、操作條件   （1）煤油：入口溫度 70 出口溫度 30 （2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水 入口溫度 20 出口溫度 40 （3）允許壓降：不

2、大于0.1MPa（4）煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)（5）每年按300天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。3、設(shè)備型式         列管式   4、廠址            溫州大學(xué)   三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、概述 2、設(shè)計(jì)方案的選擇 3、確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù) 4、設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 計(jì)算總傳熱系數(shù) (2)計(jì)算傳熱面積 5、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì) （1）管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定 (2)傳熱面積、管

3、程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定 （3）接管尺寸的確定 6、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 7、工藝流程圖及換熱器工藝條件圖 8、設(shè)計(jì)評(píng)述四、圖紙要求1 工藝流程圖2 列管式換熱器裝配圖目 錄一、概述2二、換熱器的分類2 2.1.1 間壁式換熱器2 2.1.2 蓄熱式換熱器2 2.1.3 流體連接間接式換熱器 3 2.1.4 混合式換熱器3 2.2.1 冷卻器3 2.2.2 加熱器32.2.3 預(yù)熱器32.2.4 過(guò)熱器32.2.5 蒸發(fā)器33、 設(shè)計(jì)方案54、 確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)7五、設(shè)計(jì)計(jì)算81、熱流量82、平均傳熱溫差8 3、冷卻水用量9 4、總傳熱系數(shù) K 9 5、計(jì)算傳熱面積 10 6、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)11

4、   6.1、管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定 11 6.2、傳熱面積、管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定 11 6.3、管程數(shù)和傳熱管數(shù) 11 6.4、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 13 6.5、傳熱管排列和分程方法 13 6.6、殼體內(nèi)徑13 6.7、折流板14 6.8、接管14 7、換熱器核算14 7.1、熱量核算14 7.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)14 7.1.2、殼層對(duì)流傳熱系數(shù)15 7.2.1、傳熱系數(shù) K15 7.2.2、傳熱面積 S16 7.3、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力16 7.3.1管程流動(dòng)阻力16 7.3.2、殼層流動(dòng)阻力18六、工藝流程圖及裝配圖20七、設(shè)計(jì)小結(jié) 20八、參考文

5、獻(xiàn)22- 1 -一.概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。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。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)

6、行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。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。二.換熱器的分類換熱器作為傳熱設(shè)備被廣泛用于耗能用量大的領(lǐng)域。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類越來(lái)越多。適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱器的具體分類如下： 2. 1 換熱器按傳熱原理可分為： 2.1.1 間壁式換熱器 間壁式換熱器是溫度不同的

7、兩種流體在被壁面分開(kāi)的空間里流動(dòng)，通過(guò)壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。因此又稱表面式換熱器，這類換熱器應(yīng)用最廣。間壁式換熱器根據(jù)傳熱面的結(jié)構(gòu)不同可分為管式、板面式和其他型式。 2.1.2 蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器通過(guò)固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過(guò)加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過(guò)固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。 2.1.3 流體連接間接式換熱器 流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來(lái)的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在

8、低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。這類換熱器主要用于回收和利用高溫廢氣的熱量。以回收冷量為目的的同類設(shè)備稱蓄冷器，多用于空氣分離裝置中。如煉焦?fàn)t下方預(yù)熱空氣的蓄熱室。 2.1.4 混合式換熱器混合式換熱器是通過(guò)冷、熱流體的直接接觸、混合進(jìn)行熱量交換的換熱器，又稱接觸式換熱器。由于兩流體混合換熱后必須及時(shí)分離，這類換熱器適合于氣、液兩流體之間的換熱。例如，冷水塔、氣體冷凝器等。2.2 換熱器按用途分為： 2.2.1 冷卻器冷卻器是把流體冷卻到必要的溫度，但冷卻流體沒(méi)有發(fā)生相的變化。 2.2.2 加熱器加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒(méi)有發(fā)生相的變化。 2.2.3 預(yù)熱器 預(yù)熱器預(yù)先加

9、熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。 2.2.4 過(guò)熱器過(guò)熱器用于把流體(工藝氣或蒸汽)加熱到過(guò)熱狀態(tài)。 2.2.5 蒸發(fā)器蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對(duì)換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性

10、。以下介紹幾種列管式換熱器。（1）固定管板式固定管板式換熱器管程和殼程中，流過(guò)不同溫度的流體，通過(guò)熱交換完成換熱。當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，為了避免較高的溫差應(yīng)力，通常在殼程的適當(dāng)位置上，增加一個(gè)補(bǔ)償圈（膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。當(dāng)膨脹之差較大時(shí)，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：殼程清洗困難，對(duì)于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。（2）U形管式U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管

11、板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)管板，密封面少，運(yùn)行可靠，造價(jià)低；管束可抽出，管間（殼程）清洗方便；質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。缺點(diǎn)：管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料；由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板利用率低；管束最內(nèi)層間距大，殼程易短路；內(nèi)層管子不能更換，因而抱人率高。U形管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢，而管程介質(zhì)清潔不易結(jié)垢以及高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的場(chǎng)合。一般高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)走管內(nèi)，可是高壓空間減小，密封易解決，并可節(jié)約材料和減少熱損失。（3）浮頭式

12、 浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開(kāi)一個(gè)以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通。浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，因此管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力優(yōu)點(diǎn)：管束可以抽出，以方便清洗管、殼程；介質(zhì)間溫差不受限制；可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450度，壓力小于

13、等于6.4兆帕；可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場(chǎng)合；可用于管程易腐蝕場(chǎng)合；完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。缺點(diǎn)：小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏；金屬材料耗量大，成本高20%；結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 三.方案設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書(shū)給定的冷熱流體的溫度，兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度70，出口溫度30；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度20，出口溫度40。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，熱流體為煤油，為不易結(jié)垢和清潔的流體。冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。從手冊(cè)中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度，計(jì)算出總傳熱系數(shù)，再計(jì)算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，確定傳熱

14、管數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)傳熱管長(zhǎng)為6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。流體流速的選擇：增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)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(dòng)力消耗就增多。所以適宜的流速要通過(guò)經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問(wèn)題。在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)表?yè)Q熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速。管子

15、的規(guī)格和排列方法：選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過(guò)前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國(guó)目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有25×2.5mm及19×mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇25×2.5mm管子。管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為46(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。在這次設(shè)計(jì)中，管長(zhǎng)選擇6m。管程和殼程數(shù)的確定：當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低

16、，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問(wèn)題。管程數(shù)m可按下式計(jì)算，即 式中 管程內(nèi)流體的是以速度，m/s； 單管程時(shí)管內(nèi)流體的實(shí)際速度，m/s；當(dāng)溫度校正系數(shù)低于0.8時(shí)，可采用殼方多程四.確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼程煤油的定性溫度為：T=（70+30）/2=50管程循環(huán)冷卻水的定性溫度為：t=（20+40）/2=30根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，必要時(shí)按照相應(yīng)的加和方法求出相應(yīng)的物性數(shù)據(jù)。 煤油

17、在50下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：密度 h=825/m3 定壓比熱容 Cph =2.22KJ/（Kg·）導(dǎo)熱系數(shù) h=0.14W/（m·）粘度 µ h =7.05×10-4Pa·S 循環(huán)冷水在30下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 c=995.7/m3 定壓比熱容 Cpc =4.174KJ/（Kg·） 導(dǎo)熱系數(shù) c=0.6171W/（m·） 粘度 µc =8.012×10-4Pa·S五.設(shè)計(jì)計(jì)算1、熱流量 2、平均傳熱溫差熱流體：7030冷流體：4020 3、冷卻水用量 4、總傳熱系數(shù)

18、 K 管程傳熱系數(shù) 殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)，污垢熱阻管外為煤油，根據(jù)表，管內(nèi)為冷卻水，根據(jù)表，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 5、計(jì)算傳熱面積 考慮15%的面積裕度 6、 主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)    6.1、管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定選用傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速 6.2、傳熱面積、管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定計(jì)算傳熱面積 按單程管計(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)度為 按單程管設(shè)計(jì),傳熱管過(guò)程,宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)， 則該換熱器管程程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)為 6.3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù)： 對(duì)數(shù)平均溫度校正系數(shù)表（1）:對(duì)數(shù)平均溫度校正系數(shù)表（2）: 若為

19、單殼程,由上表可得：不可行，所以要選用雙殼程，溫度校正系數(shù)為： > 0.8所以校正后的溫度為：由于 50，兩流體間的溫差較小，不需要溫度補(bǔ)償，故可選用雙殼程的列管式換熱器。 6.4傳熱管排列和分程方法 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 隔板中心到離其最近一排管中心距離 橫過(guò)管束中心線的管數(shù) 6.5殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu),取管板利用率,則殼體內(nèi)徑為 圓整可取 6.6 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 ，則h可取350mm。取折流板間距，則，則B取750mm。 折流板數(shù) 折流板圓缺面水平裝配。

20、6.7 接管殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)流體流速為，則接管內(nèi)徑為 取管徑為156.7mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為142.3mm。 7、換熱器核算 7.1、熱量核算 7.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)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 7.1.2 殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 7.2 管程對(duì)流傳熱系數(shù) 7.2.1 管程流通截面積 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 /2、傳熱系數(shù) K 7.2.2 傳熱面積 S該換熱器的實(shí)際傳熱面積 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度適宜,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。7.3

21、 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力7.3.1 管程流動(dòng)阻力因，傳熱管相對(duì)粗糙度，查圖摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系，得。 當(dāng)Re>2100時(shí)，；當(dāng)Re<2100時(shí)，可知， 7.3.2 殼程阻力s 流體流經(jīng)管束的阻力，s 流體流過(guò)折流板缺口的阻力；， s 總阻力； ,換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果參數(shù)管程殼程流體用量/（Kg/h)進(jìn)（出）口溫度/40（20）70（30）壓力/MPa<0.1<0.1物性定性溫度/3050密度/Kg/m3995.7800.8定壓比熱容/kJ/(kg/)4.1742.145黏度/Pa·s熱導(dǎo)率/W/(m·)0.61760.1116

22、普朗特?cái)?shù)5.4118.52設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定板式殼程數(shù)2殼體內(nèi)徑/mm1900臺(tái)數(shù)1管徑/mm25*2.5管心距/mm32管長(zhǎng)/m87.70管子排列正三角形管數(shù)目/根152折流板數(shù)/個(gè)6傳熱面積/m2808.22折流板間距/mm985管程數(shù)14.62材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.000.1464對(duì)流傳熱系數(shù)/W/(m2·）4584.35387.16污垢熱阻/(m2*/W）0.00017190.0001719阻力/Pa105521.83331.96熱流量/kg/h傳熱系數(shù)/W/m2*303.21裕度/%29.4六.工藝流程圖及裝配圖（附圖）七.設(shè)計(jì)小結(jié)這次化工原理課程設(shè)計(jì)是我們?cè)诖髮W(xué)期間中一次真正意義上的工程性設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)，我們要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成老師給定的設(shè)計(jì)任務(wù)，與以往的學(xué)習(xí)所不同的是這次任務(wù)考慮的更多的是活用知識(shí)能力。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是完成規(guī)定產(chǎn)量的列管式換熱器，從前期計(jì)算到其他零部件的選取，我們不在像以往一樣依靠老師教授，而是更多的事通過(guò)自己查閱資料文獻(xiàn)，以及大家交流討論，最后自己確定方案進(jìn)而得到設(shè)計(jì)成果。在查閱過(guò)程中，我認(rèn)識(shí)到往往生產(chǎn)實(shí)際情況是很復(fù)雜的而不像是理論上的環(huán)境因素那樣簡(jiǎn)單，因此往往我們要考慮很多 因素的綜合作用，然后選擇數(shù)據(jù)和