傳熱學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

1、目錄一、概述21.1、換熱器的分類2二、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介32.1、選擇換熱器的類型：32.2、流體空間及流速的確定：3三、工藝流程草圖及說(shuō)明4四.列管式換熱器的工藝計(jì)算44.1確定物性參數(shù)：44.2計(jì)算總傳熱系數(shù)54.2.1、熱流量54.2.4、總傳熱系數(shù)K54.3、計(jì)算傳熱面積64.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸64.4.1、管徑和管內(nèi)流速64.4.2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)74.4.3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)74.4.4、傳熱管排列和分程方程方法84.4.5、殼體內(nèi)徑84.4.6、折流板84.4.7、接管84.5、換熱器核算94.5.1、熱量核算：94.5.3、傳熱系數(shù)K104.5.4、傳熱面積S114.5.5

2、、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力114.5.6、壁溫核算12五、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表13六、設(shè)計(jì)評(píng)述14七、參考文獻(xiàn)15八、主要符號(hào)說(shuō)明151、 概述1.1、換熱器的分類 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。 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，

3、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)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。列管式換熱管器的分類如下：1、固定管板式固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定在管板上，在外殼上焊有膨脹節(jié)，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，管體和管束熱膨脹不同，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性形變來(lái)來(lái)補(bǔ)償因溫差引起的熱膨脹。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

4、在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多、比較緊湊；造價(jià)低廉、殼程清洗和檢修困難（殼程宜用于不易結(jié)垢和清洗的流體）。適用：比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。2、浮頭式換熱器換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。適用：管殼壁間溫差較大，易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。3、填料函式換熱器這類換熱器管束一端可

5、以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。4、U型管式換熱器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。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕.適用：高溫高壓條件。二、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介確定初步方案：2.1、選擇換熱器的類型： 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140 ,出口溫度40 ；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度30，出口溫度50.由于該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)

6、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，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2.2、流體空間及流速的確定： 根據(jù)流體流徑選擇的基本原則，循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，而固定管板式換熱器的殼程不易清洗，且循環(huán)冷卻水的推薦流速應(yīng)大于煤油的推薦流速，故選擇循環(huán)冷卻水為管程流體，煤油為殼程流體。根據(jù)流體在直管內(nèi)常見(jiàn)適宜流速，管內(nèi)循環(huán)冷卻水的流速初選為=1.0m/s 用 25×2.5mm的碳鋼管（換熱管標(biāo)準(zhǔn)：GB8163)。三、工藝流程草圖及說(shuō)明說(shuō)明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便了水垢的清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖：煤油經(jīng)泵抽上來(lái)，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道

7、，接管C進(jìn)入換熱器殼程，冷卻水經(jīng)泵抽上來(lái)后從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行換熱，煤油從140冷卻至40后由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從30加熱至50后，由接管B流出。4. 列管式換熱器的工藝計(jì)算4.1確定物性參數(shù)：定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均溫度值。殼程油的定性溫度為T=(140+40)/2=90管程流體的定性溫度為t=(30+50)/2=40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)。根據(jù)煤油在90下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度：0=825kg/m3定壓比熱容：Cpo=2.22KJ/(kg.)導(dǎo)熱系數(shù)：0=0.140W/(m.)粘度：0=7.15×10-4Pa.s

8、、普朗特常數(shù)：Pr0=11.34循環(huán)冷卻水在40下的物性數(shù)據(jù)：密度：i=992.2kg/m3定壓比熱容：Cpi=4.174KJ/(kg.)導(dǎo)熱系數(shù)：i=0.634W/(m.)粘度：i=6.56×10-4Pa.s普朗特常數(shù)：Pri=4.324.2計(jì)算總傳熱系數(shù)4.2.1、熱流量 4.2.2、平均傳熱溫差4.2.3、冷卻水用量4.2.4、總傳熱系數(shù)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)；污垢熱阻管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45W/m.4.3、計(jì)算傳熱面積考慮15%的面積裕度，S=1.15×=40.8×1.15=46.9m24.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.4.1、管徑和管內(nèi)流速選用

9、25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速。4.4.2、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)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)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)L=6m,換熱器管程數(shù)為2，則每程管數(shù)為：100/2=50根管內(nèi)流速：4.4.3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。但R=5的點(diǎn)在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R，PR代替P，查同一直線，可得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。4.4.4、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

10、列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25d0,則t=1.25×25=31.2532(mm)橫過(guò)管束中心線的管數(shù)4.4.5、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為圓整可取D=500mm4.4.6、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35%，則切去的圓缺高度為h=0.35×500=175mm取折流板間距B=0.6D，則B=0.6×500=300mm折流擋板數(shù)為折流擋板圓缺面水平裝配。4.4.7、接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后取標(biāo)準(zhǔn)管徑為20mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循

11、環(huán)水流速u2=1.5m/s則接管內(nèi)徑為圓整后取標(biāo)準(zhǔn)管徑為350mm4.5、換熱器核算4.5.1、熱量核算：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 殼程流通截面積殼程流體及雷諾數(shù)為普朗特準(zhǔn)數(shù)4.5.2、管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流體流速普朗特準(zhǔn)數(shù)4.5.3、傳熱系數(shù)K查有關(guān)文獻(xiàn)知管外側(cè)污垢熱阻：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：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=45W/(m.K)。4.5.4、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合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.5.5、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力1.管程流動(dòng)阻力由Re=11162.3，傳熱管相對(duì)

12、粗糙度，查莫迪圖得，流速ui=0.369m/s，=992.2kg/m3，所以管程流動(dòng)阻力 管程流動(dòng)阻力在允許的范圍之內(nèi)。2.管殼流動(dòng)阻力流速u0=0.07m/s，=825 kg/m3，所以殼程阻力F=0.5，nc=12，NB=19流體流過(guò)折流擋板缺口的阻力B=0.3m，D=0.5m故總阻力為綜上所述，該換熱器管程與殼程的壓力降均小于允許壓強(qiáng)100kPa均符合要求，故所設(shè)計(jì)的換熱器符合條件。4.5.6、壁溫核算因?yàn)楣鼙诤鼙?，而且壁熱阻很小。冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為18，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

13、高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)該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: 2265.6w/·°C329.2w/·°C殼體壁溫，即可近似取殼程流體的平均溫度，T=90殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為，t=90-34.8=55.1850該溫差較大，需加溫度補(bǔ)償設(shè)置,故不能用固定管板式換熱器，應(yīng)選浮頭換熱器為宜.五、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水煤油操作壓力，Pa1475.3360.4操作溫度，30/50140/40流量，Kg/h181726818.2物性

14、參數(shù)定性溫度/4090密度、（kg)825992.2定壓比熱容/kJ/kg.K4.1742.22粘度/Pa.s0.0006560.000715熱導(dǎo)率/W/m.K0.6340.140普朗特?cái)?shù)4.3211.34設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式換熱器臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm500殼程數(shù)1管徑/mm25×2.5管間距/mm32管長(zhǎng)/mm6000排列方式正三角形管數(shù)100折流板數(shù)19傳熱面積/53.13折流板間距/mm300管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程管殼流速/(m.s)0.3690.07表面?zhèn)鳠嵯?w/(.k2265.6329.2污垢熱阻/.k/w0.0003440.000172阻力/MPa0.001

15、50.0004熱流量/kw420.6傳熱溫差/k55.18傳熱系數(shù)/w/.k235.12裕度/%11.35六、設(shè)計(jì)評(píng)述 本次化工原理課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)化工原理課本知識(shí)的理解，同時(shí)使我學(xué)會(huì)了很多實(shí)用的東西，提高了我動(dòng)手的能力和靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，讓我受益匪淺。在這次化工原理課程設(shè)計(jì)中，我的理論運(yùn)用于實(shí)踐的能力得到了很到的提升，主要有以下的幾個(gè)方面：初步掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)（已發(fā)表的文獻(xiàn)）的能力。樹(shù)立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性和可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作過(guò)程中的方便性，勞動(dòng)條件和環(huán)保性的正確設(shè)計(jì)思想，在這種思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程

16、計(jì)算的能力，首先必須根據(jù)產(chǎn)量和基本的物性數(shù)據(jù)計(jì)算出理論值，在根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)核算，從而選用合適的配件高效率的完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)。學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)潔的文字和清晰的圖表來(lái)表述自己設(shè)計(jì)思想的能力。在畫圖中基本是根據(jù)基本數(shù)據(jù)來(lái)查閱資料逐一確定的，工作繁雜。從設(shè)計(jì)結(jié)果可看出，若要保持傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多、折流板數(shù)越多、殼徑越大、這主要是因?yàn)槊河偷某隹跍囟壬?，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積增大，才能保證Q和K。因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)的增大，通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇十分重要。由于本課程設(shè)計(jì)屬于我的初次設(shè)計(jì)，而且時(shí)間上比較倉(cāng)促，可查閱的文獻(xiàn)

17、有限，本次設(shè)計(jì)還有很多不完善的地方。七、附圖（A3圖紙的裝配圖）八、參考文獻(xiàn)1戴鍋生主編傳熱學(xué)第二版北京：高等教育出版社，2012.22夏清、賈紹義主編化工原理.上下冊(cè)天津：天津大學(xué)出版社，2012.13楊樹(shù)人、汪志明等主編工程流體力學(xué)北京：石油工業(yè)出版社，2006.64賈紹義、柴誠(chéng)敬主編化工單元操作課程設(shè)計(jì)天津：天津大學(xué)出版社，2011.95匡國(guó)柱、史啟才主編化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 第二版北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.106劉盛賓主編列管換熱器北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.57劉巍主編冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè)北京：中國(guó)石化出版社，20038上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)北京：化工工業(yè)出版社，19969郭慶豐、潘國(guó)昌主編化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)北京：清華大學(xué)出版社，199810孫培先主編.畫法幾何與工程制圖。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.711周大軍主編化工工藝制圖北京：化工工業(yè)出版社，2003九、主要符號(hào)說(shuō)明英文字母 B折流板間距 H面積裕度，C系數(shù)，無(wú)量綱