課程設(shè)計(jì)-列管式換熱器

課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：列管式換熱器專業(yè)班級(jí)：應(yīng)化1301班姓名：王偉學(xué)號(hào)：U201310289指導(dǎo)老師：王華軍時(shí)間：2016年8月目錄1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)…………51.1設(shè)計(jì)題目………51.2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件…………51.3技術(shù)參數(shù)……………………52.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介……………53.課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)…………63．1確定設(shè)計(jì)方案………63.1.1確定自來(lái)水進(jìn)出口溫度…………63.1.2確定換熱器類型…………………63.1.3流程安排…………73.2確定物性數(shù)據(jù)………73．3計(jì)算傳熱系數(shù)………………83.3.1熱流量……………………83.3.2平均傳熱溫度差…………83.3.3傳熱面積………………83.3.4冷卻水用量………………84.工藝結(jié)構(gòu)尺寸………………94.1管徑和管內(nèi)流速……………94.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)…………94.3傳熱管排列和分程方法……94.4殼體內(nèi)徑……………………104.5折流板………104.6接管…………114.6.1殼程流體進(jìn)出管時(shí)接管…………………114.6.2管程流體進(jìn)出管時(shí)接管………………114.7壁厚的確定和封頭…………124.7.1壁厚……………………124.7.2橢圓形封頭………………124.8管板…………124.8.1管板的結(jié)構(gòu)尺寸…………134.8.2管板尺寸…………………135.換熱器核算……………………135.1熱流量衡算……………………135.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)………135.1.2管程對(duì)流傳熱系數(shù)……145.1.3傳熱系數(shù)K………………155.1.4傳熱面積裕度……………165.2壁溫衡算………165.3流動(dòng)阻力衡算……………………175.3.1管程流動(dòng)阻力衡算…………175.3.2殼程流動(dòng)阻力衡算…………176.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總……………………197．設(shè)計(jì)評(píng)述…………208.致謝………………219.工藝流程圖……………………2210.符號(hào)說(shuō)明……………………2211.參考資料………24§1.《化工原理課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書(shū)1.1設(shè)計(jì)題目煤油冷卻器設(shè)計(jì)1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件設(shè)備型式：列管式換熱器處理能力：15+0.1*1*89=23.9萬(wàn)噸/年煤油操作條件：煤油：入口溫度140℃，出口40℃；冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口和出口溫度由條件衡算；允許壓降：不大于105Pa每年按360天算，每天運(yùn)行24小時(shí)。1.3技術(shù)參數(shù)煤油定性下的物性數(shù)據(jù)：密度：825Kg/m3；粘度：7.15*10-4Pa.s；比熱容：2.22KJ/(Kg.℃)；導(dǎo)熱系數(shù)：0.14W/（m.℃）?！?.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)任務(wù)是利用自來(lái)水給煤油降溫。利用熱傳遞過(guò)程中對(duì)流傳熱原則，制成換熱器，以供生產(chǎn)需要。下圖（圖1）是工業(yè)生產(chǎn)中用到的列管式換熱器。選擇換熱器時(shí),要遵循經(jīng)濟(jì),傳熱效果優(yōu),方便清洗,復(fù)合實(shí)際需要等原則。換熱器分為幾大類：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器，噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，熱管式換熱器，列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場(chǎng)合。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容易、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)?！?.課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3.1確定設(shè)計(jì)方案（1）確定自來(lái)水進(jìn)出口溫度自來(lái)水的進(jìn)口溫度一般為室溫，設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度為25℃。在設(shè)計(jì)出口溫度是參考一下標(biāo)準(zhǔn)：冷卻水出口溫度不超過(guò)60℃，以避免換熱器嚴(yán)重結(jié)垢，冷卻水的出口溫度不應(yīng)高于工作物流的出口溫度。因此設(shè)計(jì)冷卻劑出口溫度為35℃。（2）確定換熱器類型兩流體溫度變化情況如下：煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃；自來(lái)水：入口溫度25℃，出口溫度35℃。該換熱器用自來(lái)水進(jìn)行冷卻，由于Tm-tm=(140+40)/2-（35+25）/2=60℃>50℃，所需換熱器的管壁溫度與殼體溫度相差較大，故從安全、經(jīng)濟(jì)、方便的角度考慮采用帶有補(bǔ)償圈的管板式換熱器。（3）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。另外，這樣的選擇可以使煤油通過(guò)殼體壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果。3.2確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對(duì)于一般的氣體及低粘度流體，其定性溫度可取其進(jìn)出口溫度平均值。煤油定性溫度：（140+40）/2=90℃，自來(lái)水定性溫度：（35+25）/2=30℃在定性溫度下，分別查取煤油和自來(lái)水的物性參數(shù)如下：煤油在90℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρo=825kg/m3定壓比熱容cp,o=2.22kJ/(kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)λo=0.14W/(m·℃)粘度μo=0.000715Pa·s冷卻水在30℃下的物性數(shù)據(jù)：密度ρi=995.7kg/m3定壓比熱容cp,i=4.174kJ/(kg·℃)導(dǎo)熱系數(shù)λi=0.6176W/(m·℃)粘度μi=0.000801Pa·s3.3計(jì)算傳熱系數(shù)1.熱流量：以煤油為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)算他所需要被提走的熱量：Q=qcΔt=2.39×108330×242.平均傳熱溫差：計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差，暫按單殼程、多管程計(jì)算。逆流時(shí)：煤油：140℃→40℃，自來(lái)水：35℃←25℃，從而，Δtm‘=105-15ln?(此時(shí)，P=40-25140-25=0.13，R=140-3.傳熱面積：取傳熱系數(shù)為450W/(m2·℃)，則由公式可得傳熱面積為Ap=1953.8×4.冷卻水用量：忽略熱損失，由公式易得，冷卻水用量為：Q=1953.8§4.工藝結(jié)構(gòu)尺寸已知兩流體允許壓降均不大于35KPa，與煤油相比，水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)該讓循環(huán)自來(lái)水走管程，煤油走殼程。4.1管徑和管內(nèi)流速列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍則初步選擇φ25×2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)徑di=25-2.5x2=20mm，管內(nèi)流速取ui=1.2m/s。4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)ns=qvπ按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng)=Apπd若按照單管程設(shè)計(jì)，則管長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，不宜使用，故采用多管程設(shè)計(jì)。取傳熱管長(zhǎng)為5m，則換熱器管程數(shù)應(yīng)為Np=2，傳熱管總數(shù)為Nt=125x2=250根。4.3傳熱管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的如下圖（a）（b）（c）（d）所示，包括正三角形排列（排列角為300）、同心圓排列、正方形排列（排列角為900）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為450）。當(dāng)管程為多程時(shí)，則需采取組合排列，如下右圖。采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。換熱管中心距查表如下（mm）：則橫過(guò)管束中心線的管束為n=1.1NT=1.1250=17.39≈4.4殼體內(nèi)徑采用多管程設(shè)計(jì)，取管板利用率為η=0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05tNTη=1.05×32×按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔可取D=700mm。4.5折流板折流板間距多為100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，800mm，1000mm。折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，如下表（mm）：支承板厚度一般不應(yīng)小于上表數(shù)據(jù)，支承板不允許的最大間距參考下表：經(jīng)選擇，采用弓形折流板，取弓形折流圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=25%×700mm=175mm。取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×700mm=210mm，可取B=200mm，因而查表可得，折流板厚度為5mm，支承板厚度為8mm，支承板允許不支承最大間距為1800mm。折流板數(shù)為Nb=5000200折流板圓缺面水平裝配。4.6接管4.6.1殼程流體進(jìn)出管時(shí)接管：取接管內(nèi)煤油流速為u=1m/s，則接管內(nèi)徑為D1=4Vπu14.6.2管程流體進(jìn)出口時(shí)接管：取接管內(nèi)冷卻水流速u2＝1.5m/s，則接管內(nèi)徑為D2=4Vπu24.7壁厚的確定和封頭4.7.1壁厚查資料易知，圓筒厚度為8mm，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，亦為8mm。4.7.2橢圓形封頭示意圖如下：查表易得其尺寸數(shù)據(jù)如下表：4.8管板管板除了和管子和殼體等連接外，還是換熱器重一個(gè)重要的受壓器件。4.8.1管板的結(jié)構(gòu)尺寸查相關(guān)資料得，固定管板式換熱器的管板主要尺寸如下表：4.8.2管板厚度考慮到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動(dòng)等原因，建議最小厚度應(yīng)大于20mm。管板最小厚度如下表：換熱管外徑為25mm，因而管板厚度取為3d0/4=18.75mm，則綜上取為20mm。§5.換熱器核算5.1熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：對(duì)圓缺形的折流板，可采用克恩公式： 計(jì)算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得：==0.020m殼程流通截面積：So==0.0306殼程流體最小流速為：==0.33m/s。雷諾準(zhǔn)數(shù)為：Reo=普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：Pro=Nu=0.36。物料被冷卻，粘度校正取1，將數(shù)值代入上式：Nu==112.08==784.57W/m2℃（2）管程對(duì)流傳熱系數(shù)：管道流通面積： Si=0.785×0.022×125=0.0393m2 管程流體最小流速： ui=雷諾準(zhǔn)數(shù)為Rei=普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：Pri= 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：W/m2℃（3）傳熱系數(shù)K根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，選取污垢熱阻：管外側(cè)污垢熱阻：Rsi=0.00058m2℃/W，管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：Rso=0.00017m2℃/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)：=45m2℃/W管壁厚度：b=0.0025內(nèi)外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得==595.24W/m2℃所以，K的裕度為:k==24.13%，該值合適。（4）傳熱面積裕度由K計(jì)算傳熱面積= 該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：Sp==3.14×0.025×5.0×250=98.125m2則該換熱器的面積裕度為： H==27.7%，該值合適，故換熱器滿足要求I。5.2壁溫衡算由于換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，減低了傳熱管和殼體的壁溫之差。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)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零由以下公式計(jì)算傳熱管壁溫：式中液體的平均溫度和為：（℃）（℃）W/m2℃W/m2℃?zhèn)鳠峁芷骄跍兀骸鏆んw壁溫可近似取為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：℃由于換熱器殼程流體的溫差不大，殼程壓力不高，因此，選用固定管板式換熱器較為適宜。5.3.流動(dòng)阻力核算因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊螅砸獙?duì)殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。5.3.1管程流動(dòng)阻力核算管程壓力降的計(jì)算公式為：Fs已知此情況下Rei=29734，為湍流。取絕對(duì)粗糙度查 另外，式子中：殼程數(shù)Ns=1管程數(shù)Np=2代入公式中，有：Fs=（6231+2136）×1×2×1.5=25101Pa<35kpa，故符合要求。5.3.2殼程流動(dòng)阻力由于殼程流體的流動(dòng)狀況比較地復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計(jì)算殼程壓力降：殼程壓力降埃索法公式為：——流體橫過(guò)管束的壓力降，Pa；——流體通過(guò)折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs——?dú)こ虊毫档墓笇有Ｕ禂?shù)，無(wú)因次，對(duì)于液體取1.15，對(duì)于氣體取1.0；Ns——?dú)こ虜?shù)；而=0.656，nc=1.1×2500.5=17.39，NB=24,uo=0.33m/s。代入數(shù)值得：=0.5×0.656×17.39×25××=5139.4Pa而，其中h=0.2m，d=0.7m，NB=29,D——?dú)?，mh——折流擋板間距，mdo——換熱器外徑，m代入數(shù)值得： =24×（3.5-）× =2634.5Pa對(duì)于液體=1.15，于是我們有：=1.15×1×（5139.4+2634.5）=8939.9Pa<35kpa。經(jīng)過(guò)以上的核算，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求?！?設(shè)計(jì)結(jié)果匯總換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果§7.設(shè)計(jì)評(píng)述列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型，由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。

流體每通過(guò)管束一次稱為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過(guò)部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。

由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過(guò)50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。進(jìn)行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：①不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便；②腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時(shí)受腐蝕；③壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；④飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無(wú)關(guān),且冷凝液容易排出；⑤若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時(shí)，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應(yīng)力。固定管\o"板式換熱器由板片，膠條，框架組成，在相同工藝條件下，換熱效率高，占地面積少，價(jià)格合適，使用安裝維護(hù)方"板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較在相同直徑下面積較大，制造較簡(jiǎn)單，最后一道殼體與管板的焊縫無(wú)法檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）傳熱面積比浮頭式\o"用于流體間熱量轉(zhuǎn)換的設(shè)備就叫做換熱器，也稱為換熱設(shè)備，熱交換器，熱交換設(shè)備"換熱器大20%～30%；（2）旁路漏流較小；（3）鍛件使用較少，成本低20%以上；（4）沒(méi)有內(nèi)漏。它的缺點(diǎn)；（1）殼體和管子壁溫差t<50℃,當(dāng)t>50℃時(shí)必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)；（2）管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；（3）殼程無(wú)法機(jī)械清洗；（4）管子腐蝕后造成連同殼體報(bào)廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，相對(duì)較低；（5）殼程不適用于易結(jié)垢場(chǎng)合?！?.致謝通過(guò)此次設(shè)計(jì)，了解了很多關(guān)于換熱器的知識(shí)，如換熱器的選型，換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸的確定，以及計(jì)算換熱器的傳熱面積和流體阻力等等。最最重要的是我深刻認(rèn)知做設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要非常小心，因?yàn)橐徊涣羯窬蜁?huì)出錯(cuò)，如果前面錯(cuò)了沒(méi)發(fā)現(xiàn)，后面就全錯(cuò)，這是設(shè)計(jì)中的禁忌。設(shè)計(jì)內(nèi)容很多，必須要付出努力才可以。為此，也要感謝老師及同學(xué)們的互相幫助。§9.工藝流程圖.§10.符號(hào)說(shuō)明英文字母Cp------------------------------------------------------------定壓比熱容，kJ/(kg·℃)C-------------------------------------------------------------輻射系數(shù)，W/（m2·K4)c-------------------------------------------------------------熱容量流率比d-------------------------------------------------------------管徑，mD-------------------------------------------------------------換熱器殼徑，mf-------------------------------------------------------------摩擦因數(shù)F-------------------------------------------------------------系數(shù)g-------------------------------------------------------------重力加速度，m/s2h-------------------------------------------------------------擋板間距，mI-------------------------------------------------------------流體的焓，kJ/kgK-------------------------------------------------------------總傳熱系數(shù)，W /(m2·℃)l-------------------------------------------------------------長(zhǎng)度，mL-------------------------------------------------------------長(zhǎng)度，mn-------------------------------------------------------------管數(shù)N-------------------------------------------------------------程數(shù)p-------------------------------------------------------------壓強(qiáng)，Paq-------------------------------------------------------------熱通量，W/m2Q-------------------------------------------------------------傳熱速率或熱負(fù)荷，Wr-------------------------------------------------------------汽化熱或冷凝熱，kJ/kgR-------------------------------------------------------------熱阻，m2·℃/WS-------------------------------------------------------------傳熱面積，m2t-------------------------------------------------------------冷流體溫度，℃T-------------------------------------------------------------熱流體溫度，℃u-------------------------------------------------------------流速，m/s希臘字母α-------------------------------------------------------------對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)β-------------------------------------------------------------體積膨脹系數(shù)，1/℃δ-------------------------------------------------------------邊界層厚度，mλ-----------------------