換熱器設(shè)計說明書樣本定稿版

1、IBM system office room【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】刖言化工原理課程設(shè)計是化學工程與工藝類相關(guān)專業(yè)學生學習化工原理課程必修的三大 環(huán)節(jié)之一，起著培養(yǎng)學生運用綜合基礎(chǔ)知識解決工程問題和獨立工作能力的重要作用?；ぴ碚n程設(shè)計以換熱器、管道設(shè)計和選型為主。主要介紹列管式換熱器的 設(shè)計計算，并就有關(guān)流程方案的確定以及附屬設(shè)備的選型作了介紹，此外給出了設(shè)計時所 使用的現(xiàn)行技術(shù)標準和一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；ぴ碚n程設(shè)計為化工原理課程教學的配套教材，可作為化工原理課程設(shè) 計、化工類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計的參考資料，也可作為化工原理課程教學的參考用書?；ぴ碚n程設(shè)

2、計共分2章?；ぴ碚n程設(shè)計由張淵編寫?；ぴ碚n程設(shè)計在編寫過程中得到內(nèi)蒙古化工職業(yè)學院幫助。史忠斌老師在 圖表的繪制方面給予了大力幫助，在此一并表示感謝。由于我們經(jīng)驗不足，水平有限，其中難免有不妥之處，懇請各位讀者批評指正。編者2010年6月22日目錄第一章概述 1.1換熱器的結(jié)構(gòu)形式 TOC o 1-5 h z 1.2換熱器材質(zhì)的選擇41.3管板式換熱器優(yōu)點51.4列管式換熱器結(jié)構(gòu)61.5管板式換熱器的類型和工作原理71.6 確定設(shè)計方案8 第二章傳熱過程工藝計算及設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.1設(shè)計參數(shù)92.2計算總傳熱系數(shù)102.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸102.4換熱器核算121819結(jié)束語 主要參考文獻

3、第一章概述目第一章前管板式換熱器產(chǎn)品達到了一個成熟階段，憑借其高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢, 在各行業(yè)領(lǐng)域中被頻繁使用，并被用以替換原有管殼式和翅片式換熱器，取得了很好的效果。1.1換熱器的結(jié)構(gòu)形式管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅 固耐用，造價低廉，用材廣泛，清洗方便，適應性強等優(yōu)點，應用最為廣泛。管殼式換熱 器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分為以下幾種：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)簡單，價格低廉，但 管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50C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，其膨脹節(jié)的彈性變

4、形可減小溫差應力，這種補償方 法適用于兩流體溫差小于70C且殼方流體壓強不高于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，應用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復雜，造價高。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)簡單，造價低， 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。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，將蛇管式換熱器分為沉

5、浸式和噴淋式兩類。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型時管順 次連接，外管與外管互相連接而成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要 增減，適當?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，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。1.2換熱器材質(zhì)的選擇在進行換熱器設(shè)計時，換熱器各種零、部件的材料，應根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫 度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材 料的經(jīng)濟合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強度或剛度的角 度來考慮，是比較容易達到的，

6、但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。在 這方面考慮不周，選材不妥，不僅會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）碳鋼價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐 腐蝕性要求的環(huán)境中應用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為 10號和20號碳鋼。（2）不銹鋼奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的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；正方形排列便于機械清洗；同

7、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。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脹，產(chǎn)生顯著的塑性 變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。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)計壓力不超過4 MPa，設(shè)計溫度不超過350C的場合。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。封頭當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼 體

8、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、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應便于裝拆。分程隔板當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在 管箱內(nèi)應設(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，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6程。在布置時應盡量 使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應嚴防分程隔板的泄漏，以防止 流體的短路。1.3管板式換熱器的優(yōu)點換熱效率高，熱損失小 在最好的工況條件下，換熱系數(shù)可以達到6000W/m2K

9、,在一般的工況條件下，換熱系數(shù)也可 以在30004000W/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，進行充分的換熱。完成同一項換熱過程，板 式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/31/4。占地面積小重量輕除設(shè)備本身體積外,不需要預留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0.6 0.8mm。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。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。檢修、清洗方便換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝

10、在一起,當檢修、清洗時,僅需松開夾緊螺柱即可卸下 板片進行沖刷清洗。產(chǎn)品適用面廣設(shè)備最高耐溫可達180C，耐壓2.0MPa，特別適應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)濟效益。各類材 料的換熱板片也可適應工況對腐蝕性的要求。當然板式換熱器也存在一定的缺點，比如工 作壓力和工作溫度不是很高，限制了其在較為復雜工況中的使用。同時由于板片通道較小, 也不適宜用于雜質(zhì)較多，顆粒較大的介質(zhì)。1.4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)格有山19X2 mm、山25X2 mm(1Crl8

11、Ni9Ti)、山25X2.5 mm(碳鋼 10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，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列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。(D)(E)圖1-4換熱管在管板上的排列方式（A）正方形直列？ （B）正方形錯列（C）三角形直列（D）三角形錯列任）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列排列居多，也有正三

12、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。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脹，產(chǎn)生顯著的塑性 變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封緊固的目的。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)計壓力不超過4 MPa，設(shè)計溫度不超過350C的場合。（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。封頭當殼體直徑較小時常采用封頭。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

13、時需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應便于裝拆。分程隔板當需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在 管箱內(nèi)應設(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，增強傳熱。管程多者可達16程，常用的有2、4、6程。在布置時應盡量 使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應嚴防分程隔板的泄漏，以防止 流體的短路。1.5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;按照密封墊可以分為粘結(jié)式和搭扣式。各種 形式進行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有

14、針對性。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，可以達到250C、2.5MPa。因此同樣是板式換熱器， 因其形式的多樣性,可以應用于較為廣泛的領(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行流動，在板片波紋的作用 下形成激烈的湍流,猶如用筷子攪動杯中的熱水，加大了換熱的面積。冷熱介質(zhì)分別在

15、換熱 板片的兩側(cè)流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸，通過板片來進行充分的熱傳遞，達到 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保證，在 換熱板片不開裂穿孔的情況下，冷熱介質(zhì)不會發(fā)生混淆。1.6確定設(shè)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140C出口溫度40C ；冷流體進口溫度30C，出口溫度為40C，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，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此 初步確定選用列管式換熱器。2管程安排從兩物流的操作壓力看，應使煤油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷 卻水較易結(jié)垢，若

16、其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下 賤，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。第二章2.1設(shè)計參數(shù)傳熱過程工藝計算煤油的定性溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計T = 140 + 40 = 90。2密度 P 0 = 825kg/ m3定壓比熱容Cp0 = 2.20kJ/kgC熱導率入0 = 0.14W/mC粘度u 0 = 0.715mPa s水的定性溫度:T = 3 = 35C2密度P i = 994.4kg/m3?定壓比熱容Cpi = 4.143kJ/kgC 熱導率入i = 0.601W/ mC粘度？ ui = 0.955m Pa . s2.2計算總傳熱系數(shù) 1、熱流量Q0 = mc oA

17、T = 5976 x 2.20 x (140 - 40) = 1314720 kJ/h=365.68 KW 平均傳熱溫差Atm1=(At1-At2)/h(At1/At2) = (100-10)/ ln(100/10)式中： = 140 - 40 = 100 C , At2 = 40 - 30 = 10 C2、冷卻水用量m 二竺=1314720= 31505 (kg/h)i c At 4.173 X (40 - 30)3計算傳熱面積求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得煤油和水之間的傳熱系數(shù)在350W/(皿.C)左右，先取K值為300W/(皿.C)計算由 Q=KA Atm 得365168,2、=

18、32.5 （皿）300 x 37.442.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速選用中25X2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速u1=5.5m/s。 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)Ns= V = 31505 /(3600 x 994.3) = 44兀八 0.785 x 0.022 x 5.5 一d 2 u32.5按單程管計算，所需的傳熱管長度為L= p =n 42mM n 3.14 x 0.025 x 44按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標設(shè)計， 現(xiàn)取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為n L 42/Np= =6l 7傳熱管總根數(shù)Nt

19、=44X6=264平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)R= 1040 - 30P= 40 - 30 = 0.09140 - 30按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)得:平均傳熱溫差At =&單 塑=0.96x39 = 37.44 C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。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 t=1.25d0,則 t=1.25X25=31.25e32 啞隔板中心到離其最近一排管中心距離按式（3-16）計算S=t/2+6=32/2+6=22 啞各程相鄰管的管心距為44啞。殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.7

20、5，則殼體內(nèi)徑為:D=1.05t ,7? = 1.05x3.104/0.75 = 400mm按卷制殼體的進級檔，可取D=400mm折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺 高度為:H=0.25X400=100m，故可 取 h=100mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3 X400=120mm，可取B為150mm。折流板數(shù)目N傳熱管長史折流板間距7000120-1 = 57.6 總 582.4換熱器核算熱流量核算殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算得：當量直徑：d =嘩2 號=0.02endo殼程流通截面積：殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：普朗特數(shù)：粘度校正：管內(nèi)表

21、面?zhèn)鳠嵯禂?shù):管程流體流通截面積: 管程流體流速：普朗特數(shù)：污垢熱阻和管壁熱阻：管外側(cè)污垢熱阻R = 0.0004m2 k/w o管內(nèi)側(cè)污垢熱阻R = 0.0006m2 k/wi管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(m - K)。所以：傳熱系數(shù)K :e傳熱面積裕度 依式3-35可得所計算傳熱面積Ac為：該換熱器的實際傳熱面積為Ap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。壁溫計算因為管壁很薄，而且壁熱阻很小。冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為30C，出口溫度為40C計算傳熱管壁溫。另夕卜，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁

22、溫升高，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。計算中，應該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有：式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度分別計算為t = 0.4X39+0.6X15=24.6T = (140+40)/2=90a =a = 5887w/m*ka =a = 925.5w/* k傳熱管平均壁溫t = 35.4 C殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90C。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 At = 90 35.4 = 54.6 C。換熱器內(nèi)流體的流動阻力管程流體阻力N = 1 , Np = 2 , A

23、p =X ；號i由Re=25185，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖得人.=0.04，流速u=0.55m/s,P = 994.3炫 / m 3，所以:7722 Pa 小于 10000 Pa所以：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表:換熱器型式：固定管板式換熱器面積（皿）：32.5工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水煤油操作壓力，MPa0.10.03操作溫度，C30/4040/140流量，kg/h315055976流體密度，kg/ m 3997.7825流速，m/s0.550.06傳熱量，kw1038.8總傳熱系數(shù)，w/m* k400對流傳熱系數(shù)，w/m*k5240494污垢系數(shù)，皿-k/w0.000210.00018阻力將，Pa6523012841程數(shù)41使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格25 2管數(shù)120官長，mm70