化工原理課程設(shè)計(jì)熱交換器

化工原理課程設(shè)計(jì)熱交換器換熱器1/25第一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器2/25§換熱器§1換熱器的類(lèi)型一.夾套式用于反應(yīng)器的加熱或冷卻，加熱劑或冷卻劑在夾套內(nèi)通過(guò)間壁與反應(yīng)器內(nèi)的物料進(jìn)行換熱。用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽高進(jìn)低出。當(dāng)冷卻時(shí)，冷卻水從下部進(jìn)入，而由上部流出。為提高器內(nèi)物料一側(cè)的給熱系數(shù)，可在器內(nèi)設(shè)置攪拌器，使容器內(nèi)的流體作強(qiáng)制對(duì)流。二.管式換熱器1.蛇管式換熱器1.直接混合；2.蓄熱式；3.間壁式第二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器3/251）.沉浸式蛇管換熱器結(jié)構(gòu)：由肘管連接的直管，或由盤(pán)成螺旋狀的彎管所組成。蛇管形狀主要決定于容器形狀。將蛇管浸沒(méi)于容器中，即構(gòu)成蛇管式換熱器。當(dāng)管內(nèi)通入液體載熱體時(shí)，應(yīng)從蛇管的下部通入，當(dāng)管內(nèi)通入蒸汽加熱時(shí)，應(yīng)從蛇管的頂部通入，冷凝水經(jīng)蛇管下部的疏水器排出。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓；缺點(diǎn)：管外流體給熱系數(shù)小，為強(qiáng)化傳熱，可在器內(nèi)安裝攪拌器。第三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器4/252）.噴淋式換熱器噴淋式換熱器的最大優(yōu)點(diǎn)是便于檢修和清洗，對(duì)冷卻水水質(zhì)可以適當(dāng)降低。用作冷卻器。將蛇管成排地固定在鋼架上，被冷卻流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水由管上方的噴淋裝置通過(guò)齒型堰板均勻噴灑在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盤(pán)內(nèi)。2.套管式換熱器優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受較高壓力，應(yīng)用靈活；缺點(diǎn)：耗材多，占地面積大，難以構(gòu)成很大的傳熱面積，故一般適合于流體流量不大、傳熱負(fù)荷較小的場(chǎng)合。結(jié)構(gòu)：直徑不同的金屬管裝配成的同心套管。可根據(jù)換熱要求串聯(lián)使用。程數(shù)可依傳熱面積的大小而增減，并可數(shù)排并列。冷、熱流體一般呈逆流流動(dòng)，平均傳熱溫差大，并可達(dá)到較高的流速，形成湍流，具有較高的傳熱系數(shù)。第四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器5/253.列管式1).固定管板式列管式換熱器工業(yè)上使用最廣泛的一種換熱設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積的傳熱面積、處理能力和操作彈性大，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。結(jié)構(gòu)：管束與焊接在殼體的兩端管板連接。在殼體內(nèi)，沿管長(zhǎng)方向裝置有若干塊折流擋板；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜；缺點(diǎn)：管外不能機(jī)械清洗，管板、管子和殼體都是剛性連接，當(dāng)管壁和殼壁的溫度相差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，甚至將管子從管板上拉脫。解決方法補(bǔ)償圈(或稱(chēng)膨脹節(jié))。

第五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器6/252).U型管式優(yōu)點(diǎn)：管子受熱受冷可以自由伸縮，而與殼體無(wú)關(guān)。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，管束可以拔出清洗。缺點(diǎn)：管內(nèi)的機(jī)械清洗困難，只能走清潔流體。結(jié)構(gòu)：管子彎制成U型，U型管的兩頭固定在同一塊管板上，與管板連接的封頭內(nèi)用隔板隔成兩室。3).浮頭式結(jié)構(gòu)：一塊管板與殼體固定，另一塊管板可以在殼體內(nèi)來(lái)回活動(dòng)，并連接一浮頭，當(dāng)管束受熱受冷時(shí)即可自由伸縮。浮頭式換熱器各有一個(gè)內(nèi)浮頭和一個(gè)外浮頭。優(yōu)點(diǎn)：有良好的熱補(bǔ)償性能，管束可從殼體中拔出清洗；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。第六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器7/25§4-7-2列管換熱器的設(shè)計(jì)和選用一.列管換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題1.流體流道的選擇(1)不清潔或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流過(guò)易于清洗的一側(cè)，對(duì)于直管管束，一般通過(guò)管內(nèi)，直管內(nèi)易于清洗；(2)需通過(guò)增大流速提高h(yuǎn)的流體應(yīng)選管程，因管程流通截面積小于殼程，且易采用多程來(lái)提高流速；(3)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕；(4)壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓；(5)飽和蒸汽宜走殼程，冷凝液易于排出，其h與流速無(wú)關(guān)；(6)被冷卻的流體一般走殼程，便于散熱；(7)粘度大、流量小的流體宜選殼程，因殼程的流道截面和流向都在不斷變化，在Re>100即可達(dá)到湍流。第七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器8/252.流體流速選擇安全性；強(qiáng)化傳熱()；結(jié)垢；壓降(操作費(fèi)用)。第八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器9/253.流體兩端溫度的確定，確定熱負(fù)荷冷熱流體進(jìn)出口溫度由工藝條件給定。加熱劑：由產(chǎn)生加熱劑設(shè)備情況及能量利用確定冷卻水：進(jìn)口由當(dāng)?shù)貧夂驐l件估算，通常t2-t1=5~10℃，具體值根據(jù)水源情況確定。4.估算傳熱面積K0的估算第九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器10/255.管程數(shù)，管子規(guī)格和排列方式管子規(guī)格：直徑有19×2mm、25×2.5mm；選用長(zhǎng)度：1.5m、2m、3m、6m等。換熱管與殼徑(L/D)之比：L/D=4~6。換熱管排列：正三角形、正方形直排、正方形錯(cuò)排、同心圓排列。管間距：脹接法，t=(1.3~1.5)d0,且t>(d0+6)；焊接法，t=1.25d0。第十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器11/25第十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器12/25管程和殼程數(shù)的確定在標(biāo)準(zhǔn)系列中管程數(shù)有1、2、4、6。采用多管程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管數(shù)大致相等，管程數(shù)m=u/u’。u：適宜流體；u’：相同傳熱面積下單管程換熱器內(nèi)的流速。溫差校正系數(shù)t>0.8。由于制造、安裝、檢修的原因，通常不采用多殼程，可采用換熱器串聯(lián)代替。6.外殼直徑的確定正三角形排列：正方形排列：b’：最外層管的中心與外殼內(nèi)壁的距離，通常b’=1~1.5d0。t：管心距，mmnn：最外六角對(duì)角線上的管數(shù)；第十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器13/25殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體外徑,mm325400,500,600,700800,900,10001100,1200最小壁厚,mm81012147.主要附件主要附件：管板、封頭、分程隔板、導(dǎo)流筒、排氣孔、排液孔、接管、閥蘭、支座、折流擋板、防沖板、膨脹節(jié)等。第十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器14/258.材料選用根據(jù)操作壓強(qiáng)、操作溫度、流體性質(zhì)等來(lái)選用材料。常用材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅、鋁、石墨、聚四氟乙烯、玻璃等。10.流體流動(dòng)阻力的計(jì)算管程流體阻力

對(duì)于多管程換熱器，流體總阻力應(yīng)等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和（通常忽略進(jìn)、出口阻力）：第十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器15/25p1—流體流經(jīng)直管的壓力降，N/m2；p2—流體流經(jīng)回彎管時(shí)的壓力降，N/m2；Ft—結(jié)垢修正系數(shù)，25×2.5mm1.4，19×2mm1.5；Ns—串聯(lián)的殼程數(shù)；Np—管程數(shù)。1)直管壓力降p1可按流體力學(xué)的一般公式進(jìn)行計(jì)算；2)回彎管中的壓力降p2由下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算：殼程流體阻力

殼程流體阻力的計(jì)算公式很多，但由于殼程流體的流動(dòng)狀況十分復(fù)雜，由不同的公式計(jì)算的結(jié)果相差較大。埃索法計(jì)算殼程壓降

p0的公式：第十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器16/25p1’

—流體橫過(guò)管束的壓力降，N/m2；p2’

—流體通過(guò)折流板園缺時(shí)的壓力降，N/m2；Fs

—?dú)こ虊毫档慕Y(jié)垢修正系數(shù)，對(duì)于液體取1.5,對(duì)于氣體或可凝蒸汽取1.0。通常，液體流經(jīng)換熱器的壓力降為0.1～1atm,氣體為0.01～0.1atm,設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓力降與傳熱面積之間予以權(quán)衡，使既能滿(mǎn)足工藝要求，又經(jīng)濟(jì)合理。二.列管換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟1.試算并初步選設(shè)備規(guī)格1）確定流體在換熱器中的流道；2）根據(jù)任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷；3）選擇輔助流體，選換熱器型式，確定冷熱流體進(jìn)出口溫度，計(jì)算定性溫度，查取物性參數(shù)；4）計(jì)算平均溫度差；5）選定K；6）計(jì)算S，根據(jù)初步計(jì)算的S選換熱器。第十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器17/252.計(jì)算管程、殼程壓降由初選設(shè)備規(guī)格計(jì)算管程、殼程壓降，并檢查計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足工藝要求。若不，調(diào)整流速、確定管程數(shù)和折流擋板，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，再重新計(jì)算。3.校核由選定設(shè)備計(jì)算i、0，確定垢阻Rsi、Rs0，計(jì)算K0；計(jì)算tm；計(jì)算所需要的傳熱面積S0；計(jì)算富裕度（換熱器實(shí)際的傳熱面積nπdL/

需要的傳熱面積S0）=1.05~1.1。流速≤安全流速；｜Tw-Tw’｜<3℃;長(zhǎng)徑比：L/D=4~6，最大不超過(guò)10.4.附屬設(shè)備1）接管：→按標(biāo)準(zhǔn)系列取整。第十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器18/25主要參考資料《化學(xué)工程手冊(cè)，換熱器設(shè)計(jì)》；《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》；《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)》；《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》；《石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》；《化工原理課程設(shè)計(jì)》第十八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器19/25要求固定地點(diǎn)：匯北食堂；任務(wù)書(shū)交回；A1圖紙一張；說(shuō)明書(shū)：右側(cè)留空欄標(biāo)注主要公式和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取依據(jù)；第十九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器20/25夾套換熱器第二十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器21/25浸沒(méi)蛇管換熱器第二十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器22/25噴淋換熱器第二十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器23/25套管換熱器第二十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器24/25固定管板換熱器第二十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器25/25固定管板換熱器第二十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器26/25U形管式換熱器第二十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器27/25浮頭換熱器第二十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期日換熱器28/25折流擋板作用：提高管外的給熱系數(shù)；形狀：園缺型、園盤(pán)型、分流型等；擋板的形狀和間距必須適當(dāng)，方能取得良好效果。以弓形為例，缺口的高度一般取為殼體內(nèi)徑的10-40%，常見(jiàn)的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。擋板間距過(guò)大，流速小，不能保證流體垂直流過(guò)管束，管外h；間距過(guò)