列管式換熱器設(shè)計實驗報告

,.PAGE.一、設(shè)計任務(wù)學(xué)生姓名班級指導(dǎo)教師題目設(shè)計基本參數(shù)處理能力：3000kg/h設(shè)備型式：列管式換熱器操作條件：加熱介質(zhì)：水：入口溫度：95℃，出口溫度：70℃；果汁：入口溫度：36℃，出口溫度：72℃。設(shè)計要求及內(nèi)容1、設(shè)計方案簡介對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的形式進行簡要論述。2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算物料衡算、熱量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算。3、輔助設(shè)備的選型典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備規(guī)格型號的選定。4、編寫設(shè)計說明書將設(shè)計所選定的工藝流程方案、主要步驟及計算結(jié)果匯集成工藝設(shè)計說明書。應(yīng)采用簡練、準(zhǔn)確的文字圖表，實事求是地介紹設(shè)計計算過程和結(jié)果。設(shè)計說明書要求在6000字以上，A4紙打印。設(shè)計說明書內(nèi)容：封面（課程設(shè)計題目、學(xué)生班級、姓名、指導(dǎo)教師、時間）目錄設(shè)計任務(wù)書概述與設(shè)計方案簡介工藝及設(shè)備設(shè)計計算輔助設(shè)備的計算機選型設(shè)計結(jié)果匯總表設(shè)計評述參考資料主要符號說明致謝各階段時間安排（以天為單位）用一周時間集中進行設(shè)計方案選定：0.5天主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算：2天輔助設(shè)備的選型：0.5天編寫設(shè)計說明書：2天二、概述與設(shè)計方案簡介2.1概述在工業(yè)生產(chǎn)中用于實現(xiàn)物料間熱量傳遞的設(shè)備稱為換熱設(shè)備，即換熱器。換熱器是化工、動力、食品及其他許多部門中廣泛采用的一種通用設(shè)備。換熱器的種類很多，根據(jù)其熱量傳遞的方法的不同，可以分為3種形式，即間壁式、直接接觸式、蓄熱式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結(jié)構(gòu)牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應(yīng)性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。2.2設(shè)計方案簡介2.2.1換熱器類型的選擇根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。1.固定管板式換熱器這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)余構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。2.U型管換熱器U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內(nèi)清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子壞了不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。3.浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖1-3所示。其結(jié)構(gòu)特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。其缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。4.填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。按照設(shè)計任務(wù)書的要求，冷流體流體果汁入口溫度36℃，出口溫度72℃，熱流體是水，入口溫度95℃，出口70℃，殼壁與管壁溫差較大，基于這些要求，應(yīng)選擇填料函式換熱器，填料函式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進行清洗，維修方便。2.2.2流徑的選擇在具體設(shè)計時考慮到盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)傳熱系數(shù)接近；在運行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失；管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。參考標(biāo)準(zhǔn)：不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程，因管內(nèi)清洗方便；腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕，且清洗、檢修方便；壓強高的流體宜走管程，以免殼體同時受壓；有毒流體宜走管程，使泄漏機會減少；被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果；（7）流量小或粘度大的流體宜走殼程，因折流檔板的作用可使在低雷諾數(shù)（Re＞100）下即可達到湍流，但也可在管內(nèi)采用多管程；需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。綜合以上標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計為果汁走殼程，水走管程。2.2.3流速的選擇表2-2換熱器常用流速的范圍介質(zhì)流速循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油氣體管程流速m/s1.0~2.00.8~1.50.5~3.0>1.00.8~1.80.5~1.55~30殼程流速m/s0.5~1.50.5~1.50.2~1.5>0.50.4~1.00.3~0.82~15由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(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，動力消耗就增多。故擬取流速為0.5m/s。2.2.4材質(zhì)的選擇列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。2.2.5管程結(jié)構(gòu)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，如下圖所示。(a)正方形直列

（b）正方形錯列

(c)三角形直列

（d）三角形錯列

（e）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。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。

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。2.2.6換熱器流體相對流動形式換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減?。蝗魝鳠崦娣e不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。本次設(shè)計采用逆流的流動方式。三、工藝及設(shè)備設(shè)計計算3.1確定設(shè)計方案3.1.1．換熱器類型：填料函式換熱器3.1.2．流體流動形式兩流體的溫度變化情況：熱流體進口溫度：95℃，出口溫度：70℃；冷流體進口溫度：36℃，出口溫度：72℃。為了增大平均溫差，節(jié)省操作費用，本次設(shè)計采用逆流的流動方式。3.1.3．管程安排考慮到水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下，所以使水走管程，果汁走殼程；由于果汁有弱酸性，又因不銹鋼管較碳鋼管有較好的抗酸腐蝕性，故選用的不銹鋼管。3.2確定物性數(shù)據(jù)定型溫度：對于一般液體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進、出口溫度的平均值。故殼程果汁的定性溫度為管程流體的定性溫度為t=果汁在50℃下有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：；；水在80℃下有關(guān)物性數(shù)據(jù)：；；3.3計算總傳熱系數(shù)3.3.1．熱流量3.3.2平均傳熱溫差∵∴3.3.3水用量3.3.4總傳熱系數(shù)K①管程傳熱系數(shù)>4000(湍流區(qū))對流傳熱系數(shù)：②殼程傳熱膜系數(shù)：假設(shè)查[2]附圖9得：管外污垢熱阻管內(nèi)污垢熱阻不銹鋼熱導(dǎo)率3.4計算換熱面積考慮15%的面積裕度：3.5工藝尺寸計算3.5.1．管徑和流速：取的不銹鋼管流速u=0.5m/s3.5.2.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)（根）按單管程計算，所需的傳熱管長度為：傳熱管長：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)計的實際情況，現(xiàn)取傳熱管長=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為:管程數(shù)總根數(shù)：3.5.3．平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)：按雙殼程四管程結(jié)構(gòu)圖，查圖得：平均傳熱溫差：3.5.4．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。取管心距橫過管束中心線管數(shù)：隔板中心到其最近一排管中心距：管心距為44mm3.5.5．殼體內(nèi)經(jīng)采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可取D=159mm3.5.6．折流板弓形折流板高度為殼體內(nèi)經(jīng)的25%，則切去圓缺的高度取h=150mm折流擋板間距：取B=100mm折流擋板數(shù)目：3.6換熱器核算3.6.1傳熱面積校核管程傳熱膜系數(shù)：管程流體流通截面積：管程流體流速：殼程傳熱膜系數(shù)：對圓缺形折流板,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：總傳熱系數(shù)K管外污垢熱阻管內(nèi)污垢熱阻不銹鋼熱導(dǎo)率傳熱面積校核：換熱器試劑傳熱面積：傳熱面積裕度：H=該換熱器的面積裕度在15％-25％之間，則所設(shè)計換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.6.2．換熱器內(nèi)壓降的核算管程阻力：由Re=25869傳熱管相對粗糙度ε/d=0.01查[2]λ-Re雙對數(shù)坐標(biāo)圖得：λ=0.041流速∴10Kpa<13.0Kpa<100Kpa管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力：流體流經(jīng)管束的阻力F=0.5流體流過折流板缺口的阻力Re>500時，總阻力:所以殼程流動阻力也比較適宜。四、輔助設(shè)備的計算及選型4.1拉桿規(guī)格由于殼體直徑小于600mm，所以拉桿選取外徑12mm的拉桿，共4根，均勻布置在管束外邊緣。4.2接管4.2.1管程流體進出口接管取接管內(nèi)液體流速為由圓整后可取管內(nèi)徑為30mm4.2.2殼程流體進出口接管取接管內(nèi)液體流速為由圓整后可取管內(nèi)徑為35mm五、換熱器結(jié)果總匯表參數(shù)管程殼程流率/(Kg/h)32803000進（出）口溫度/℃95（70）36（72）物性定性溫度/℃82．554密度/(kg/m3)971.81030定壓比熱容4.195〔kJ/(Kg·℃)〕3.183〔kJ/(Kg·℃)〕黏度/Pa·s0.355×10-31.8×10-3熱導(dǎo)率0.674〔W/(m·℃〕0.58〔W/(m·℃〕普朗特數(shù)2.219.88設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式填料函殼程數(shù)2殼體內(nèi)徑/mm159臺數(shù)1管徑/mmΦ25×2管心距/mm32管長/mm4500管子排列正三角形管數(shù)目/根24折流板數(shù)/個44傳熱面積/m28.48折流板間距/mm100管程數(shù)4材質(zhì)不銹鋼主要涉及結(jié)果管程殼程流速/(m/s)0.450.23表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/〔W/(m2·℃〕31751655污垢熱阻/〔(m2·℃)/W〕0.0001720.000344阻力/Mpa0.0130.009熱流量/Kw94.59傳熱溫差/℃26.8傳熱系數(shù)/〔W/(m2·℃〕593裕度1.29六、設(shè)計評述通過本次的課程設(shè)計，使我對換熱器的結(jié)構(gòu)和工作原理有了進一步的理解。并在設(shè)計過程中掌握了一定的工藝計算方法。同時，也讓我更深刻的了解到全局觀念的重要性。在設(shè)計換熱器時：首先要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的換熱器形式。通過對設(shè)計參數(shù)的核算，浮頭式和填料函式換熱器能夠滿足本次設(shè)計的基本需求。浮頭式換熱器雖然是從性能各方面看都是本次設(shè)計理想的換熱器，但是對于同樣能滿足需求的兩個換熱器來說，填料函式換熱器成本相對較低，結(jié)構(gòu)簡單，易于維修和清洗。所以綜合考慮設(shè)計參數(shù)、經(jīng)濟等方面條件后，我最終選擇了填料函式換熱器。其次，要選擇合適的流體流徑。根據(jù)選擇的主要因素分析，有好多理論相互之間是矛盾的，并不能使條件一一滿足。所以要抓住主要矛盾，依據(jù)傳熱效果好，清洗方便等具體情況分析，最終選擇了水走管程，果汁走殼程。根據(jù)平均傳熱溫差校正系數(shù)P、R查表得應(yīng)滿足的要求。而在單殼程流動形式下達不到此要求，所以最終選擇了雙殼程的流動形式。殼體流速為0.23m/s在要求的0.2~1.5m/s的范圍內(nèi)，同時各流