課程設(shè)計(jì)--列管式換熱器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書</p><p>　　課程名稱： 化工原理課程設(shè)計(jì) </p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 列管式換熱器的設(shè)計(jì) </p><p>　　院 系： 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué)生姓名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 化學(xué)工程與工藝（2） </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2011年11月 日</p><p><

3、;b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件</b></p><p>　　處理能力 1×105 t/a熱水　</p><p>　　設(shè)備型式 列管式

4、換熱器</p><p>　　操作條件 </p><p>　　熱水:入口溫度80℃,出口溫度60℃.</p><p>　　冷卻介質(zhì):循環(huán)水,入口溫度32℃,出口溫度40℃.</p><p>　　允許壓降:不大于105Pa.</p><p>　　每年按300天計(jì)算,每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行.<

5、/p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容</b></p><p>　　根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確認(rèn)設(shè)計(jì)方案;</p><p>　　初步確認(rèn)換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸;</p><p>　　核算換熱器的傳熱面積和流體阻力;</p><p>　　確認(rèn)換熱器的工藝結(jié)構(gòu).</p><p>　　摘

6、要：通過對(duì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)，首先要確定設(shè)計(jì)的方案，選擇合適的計(jì)算步驟。查得計(jì)算中用到的各種數(shù)據(jù)，對(duì)該換熱器的傳熱系數(shù) 傳熱面積 工藝結(jié)構(gòu)尺寸等等要進(jìn)行核算，與要設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行對(duì)照是否能滿足要求，最終確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計(jì)圖紙做好準(zhǔn)備和參考，來完成本次課程設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn) 方案 核算 結(jié)構(gòu)尺寸</p><p><b>　　目錄</b><

7、;/p><p>　　一.概述……………………………………………………………….6</p><p>　　二.方案的設(shè)計(jì)與擬定……………………………………………….6</p><p>　　三.設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………….9</p><p>　　3.1確定設(shè)計(jì)方案……………………………………….………9</p>

8、<p>　　3.1.1選擇換熱器的類型……………………….……….………9</p><p>　　3.1.2流動(dòng)空間及流速的測(cè)定……………………..……………9</p><p>　　3.2確定物性數(shù)據(jù)…………………………………..……...........9</p><p>　　3.3計(jì)算總傳熱系數(shù)………………………………..………….10</p>

9、;<p>　　3.3.1熱流量……………………………………………………10</p><p>　　3.3.2平均傳熱溫差……………………………………………10</p><p>　　3.3.3冷卻水用量……………………………………................11</p><p>　　3.3.4總傳熱熱數(shù)………………………………..……………..11&l

10、t;/p><p>　　3.4計(jì)算傳熱面積……………………………………...………11</p><p>　　3.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸…………………………………….…….….12</p><p>　　3.5.1管徑與管內(nèi)流速……………………………….………...12</p><p>　　3.5.2管程數(shù)與傳熱管數(shù)………………………….....………...1

11、2</p><p>　　3.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)……………………..………12</p><p>　　3.5.4傳熱管排列和分程方法……………………..……..…...13</p><p>　　3.5.5殼體內(nèi)徑……………………………………..……...…...13</p><p>　　3.5.6折流板………………………………..……

12、..…………....13</p><p>　　3.5.7接管…………………………………………….....…..….14</p><p>　　3.6換熱器核算………………………………………..…….....14</p><p>　　3.6.1熱量核算………………………………......…………..14</p><p>　　3.6.1.1殼程對(duì)流

13、傳熱系數(shù)……………………...….……….14</p><p>　　3.6.1.2管程對(duì)流傳熱系數(shù)………………………...………..15</p><p>　　3.6.1.3傳熱系數(shù)K………………………………...………..15</p><p>　　3.6.1.4傳熱面積S………………………………..…………16</p><p>　　3.6.2

14、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 ………………..…………16</p><p>　　3.6.2.1管程流動(dòng)阻力………………………………..……...16</p><p>　　3.6.2.2殼程阻力……………………………………….……17</p><p>　　3.6.2.3換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果……….………18</p><p>　　四．設(shè)計(jì)小結(jié)

15、……………………………………………………….19</p><p><b>　　一.概述</b></p><p>　　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。</p><p>　　在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種

16、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+9++的地位。</p><p>　　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，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。</p><p><b>　　二.方案設(shè)計(jì)和擬訂</b></p&g

17、t;<p>　　根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設(shè)計(jì)列管式換熱器中的固定管板式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否易結(jié)垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，冷水走管程，熱水走殼程。從手冊(cè)中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，黏度。計(jì)算出總傳熱系數(shù)，再計(jì)算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，確定傳熱管數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)傳熱管長(zhǎng)為3m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式

18、和分程方法。根據(jù)設(shè)計(jì)步驟，計(jì)算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設(shè)計(jì)殼程和管程的內(nèi)徑。分別對(duì)換熱器的熱量，管程對(duì)流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進(jìn)行核算，再算出面積裕度。最后，對(duì)傳熱流體的流動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算，如果在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)就能完成任務(wù)。</p><p>　　根據(jù)固定管板式的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。U形管式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。

19、管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。我們?cè)O(shè)計(jì)的換熱器的流體是冷熱水，不易結(jié)垢，再根據(jù)造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)的原則我們選用固定管板式換熱器。</p><p>　　根據(jù)以下原則：(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3)&

20、#160;壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對(duì)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。(7) 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(dòng)時(shí)，由于

21、流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>3000)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。我們選擇冷水走管程，熱水走殼程。</p><p>　　流體流速的選擇：增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)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(dòng)力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時(shí)，還需考

22、慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問題。在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速。</p><p>　　管子的規(guī)格和排列方法：選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。

23、我國(guó)目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有φ25×2.5mm及φ19×2mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇 φ25×2.5mm管子。管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為4～6(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。在這次設(shè)計(jì)中，管長(zhǎng)選擇2m?！　」茏釉诠馨迳系呐帕蟹椒?/p>

24、有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等，等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有:管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，即對(duì)流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣摺Ｔ谶@里選擇三角形排列。 　　管子在管板上排列的間距 (指相鄰兩根管子

25、的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異</p><p>　　折流擋板：安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動(dòng)程度加劇，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10～40％，一般取20～25％，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.2～1)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的h值為:固定管板式的有150、300和600mm三種，板間距過小，不便于

26、制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。這次設(shè)計(jì)選用圓缺形擋板?！　Q熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑。初步設(shè)計(jì)時(shí)，可先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。</p><p>　　主要構(gòu)件的選用：  　　（1）封頭 　封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于4

27、00mm)，圓形用于大直徑 的殼體?！?（2）緩沖擋板　 為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。</p><p>　?。?）導(dǎo)流筒　 殼程流體的進(jìn)、出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間(死角)，為了提 高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間。 　　（4）放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔

28、和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 　?。?）接管尺寸　 換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑由計(jì)算得出?！　∽詈蟛牧线x用：列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)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。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較

29、稀缺，應(yīng)盡量少用。這里選用的材料為碳鋼。三.設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　3.1確定設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　3.1.1 選擇換熱器的類型</p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度80℃，出口溫度60℃；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度32℃，出口溫度40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，熱流體為熱水，為不易結(jié)垢和清潔的

30、流體。冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　3.1.2 流動(dòng)空間及流速的測(cè)定</p><p>　　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，熱水走殼程。選用25×2.5的碳鋼管，根據(jù)表三——管內(nèi)流速取u i=1.2m/s?！?　</p><p>&

31、lt;b>　　3.2確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。</p><p>　　殼程熱水的定性溫度為 </p><p><b>　　T==70（℃）</b></p><p>　　管程流體的定性溫度為</p><p><b>　　

32、t==36 (℃)</b></p><p>　　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)。</p><p>　　水在70℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容）</b></p><p>

33、;　　導(dǎo)熱系數(shù) =0.668W/()</p><p><b>　　黏度 </b></p><p>　　循環(huán)冷卻水在36℃下的物性數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容）</b></p><p><

34、b>　　導(dǎo)熱系數(shù) </b></p><p><b>　　黏度 </b></p><p>　　3.3計(jì)算總傳熱系數(shù)</p><p>　　3.3.1 熱流量 ==13888.9(kg/h)</p><p>　　1163×10³KJ/h=323.1Kw</p><p&g

35、t;　　3.3.2 平均傳熱溫差</p><p>　　3.3.3 冷卻水用量</p><p>　　3.3.4總傳熱系數(shù)K</p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　殼程傳熱系數(shù).</b></p><p>　　假設(shè)殼程傳熱系數(shù)w/(m

36、8;℃,0.000344℃/w，=0.000172m²℃/w,</p><p><b>　　則 總傳熱系數(shù)為：</b></p><p><b>　　3.4計(jì)算傳熱面積</b></p><p>　　S’=Q/K△tm=13.3m²</p><p>　　考慮到15%的面積裕度S=1.

37、15S’=15.3m²</p><p><b>　　3.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　3.5.1 管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速</p><p>　　3.5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)&

38、lt;/p><p>　　按單程管計(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)度為</p><p>　　按單程管設(shè)計(jì),傳熱管過程,宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)，</p><p>　　則該換熱器管程程數(shù)為</p><p><b>　　傳熱管總根數(shù)</b></p><p>　　3.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p>

39、;<p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p>　　按單殼程, 2管程結(jié)構(gòu),溫差校正系數(shù)應(yīng)查附圖六——對(duì)數(shù)平均溫度校正系數(shù)。</p><p>　　但的點(diǎn)在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線，</p><p><b>　　可得</b></p><p><b>　　平均傳

40、熱溫差</b></p><p>　　3.5.4 傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距</p><p><b>　　,則</b></p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p>　　3.5.5 殼體內(nèi)

41、徑</p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu),取管板利用率0.8,則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　　圓整可取</b></p><p><b>　　3.5.6 折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為</p><

42、;p><b>　　,</b></p><p><b>　　故可取。</b></p><p>　　取折流板間距0.3D</p><p>　　則0.3×400=120mm</p><p>　　可取B為150mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)

43、 </b></p><p>　　2000/150-113（塊）</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　3.5.7 接管</b></p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)熱水流速為u=0.8m/s為</p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm。&

44、lt;/p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm。</p><p><b>　　3.6換熱器核算</b></p><p>　　3.6.1 熱量核算</p><p>　　3.6.1.1 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><

45、;p>　　對(duì)圓缺形折流板,可采用克恩公式</p><p>　　當(dāng)量直徑,由正三角形排列得</p><p><b>　　m </b></p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p><b>　　m²</b></p><p&g

46、t;　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　3.6.1.2 管程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p>

47、　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p>　　3.6.1.3 傳熱系數(shù) K</p><p>　　3.6.1.4 傳熱面積 S</p><p>　　該換熱器的實(shí)際傳熱面積</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p><

48、p>　　傳熱面積裕度適宜,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)</p><p>　　3.6.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力</p><p>　　3.6.2.1 管程流動(dòng)阻力</p><p><b>　　,</b></p><p><b>　　, </b></p><p>　　由，傳熱管

49、相對(duì)粗糙度，查圖——摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系得，流速，，</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　3.6.2.2 殼程阻力</p><p><b>　　,</b></p><p><b&

50、gt;　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p><b>　　13</b></p><p><b>　　13，</b></p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p><b>　　，</b></p><p>　　總阻力

51、 =( ) =3984.75 (Pa) </p><p>　　殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。</p><p>　　3.6.2.3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果</p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表。</p><p><b>　　四.設(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p>　　通過此次設(shè)計(jì)，了