化工原理課程設(shè)計--換熱器

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書</p><p><b>　　設(shè)計題目</b></p><p><b>　　設(shè)計一臺換熱器</b></p><p><b>　　操作條件</b></p><p>　　油：入口溫度130℃，出口溫度70℃</p><

2、p>　　冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30℃，出口溫度40℃</p><p>　　允許壓強(qiáng)降：管側(cè)允許壓力損失為5MPa，殼側(cè)允許壓力損失為10MPa</p><p>　　生產(chǎn)任務(wù)：油的流速為10000kg/h </p><p><b>　　設(shè)備類型</b></p><p><b>　　列管式換熱器</

3、b></p><p><b>　　設(shè)計要求</b></p><p>　　合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)安全可靠；</b></p><p>　　便于制造、安裝、操作、和維修；</p><p><b>　　經(jīng)濟(jì)上合理。</b&

4、gt;</p><p>　　化工原理課程設(shè)計說明書</p><p><b>　　設(shè)計概述</b></p><p>　　換熱是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是使熱量由較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需

5、要，同時也提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工裝置中換熱設(shè)備占設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的35%～46%。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是

6、管殼（列管）式換熱器，尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中占有絕對優(yōu)勢。一般來講，管殼式換熱器具有易于加工制造、成本低、可靠性高，且能適應(yīng)高溫高壓的特點(diǎn)。</p><p>　　數(shù)據(jù)顯示2010年中國換熱器產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模在500億元左右，主要集中于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機(jī)械、食品、制藥等領(lǐng)域。其中，石油化工領(lǐng)域仍然是換熱器產(chǎn)業(yè)最大的市場，其市場規(guī)模為150億元;電力冶金領(lǐng)域換熱器市場規(guī)模在80

7、億元左右;船舶工業(yè)換熱器市場規(guī)模在40億元以上;機(jī)械工業(yè)換熱器市場規(guī)模約為40億元;集中供暖行業(yè)換熱器市場規(guī)模超過30億元，食品工業(yè)也有近30億元的市場。另外，航天飛行器、半導(dǎo)體器件、核電常規(guī)島核島、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏發(fā)電多晶硅生產(chǎn)等領(lǐng)域都需要大量的專業(yè)換熱器，這些市場約有130億元的規(guī)模。</p><p>　　近年來國內(nèi)換熱器行業(yè)在節(jié)能增效、提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓降、提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究

8、取得了顯著成績?；谑?、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對換熱器穩(wěn)定的需求增長，我國換熱器行業(yè)在未來一段時期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長，2011年至2020年期間，我國換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均10-15%左右的速度增長，到2020年我國換熱器行業(yè)規(guī)模有望達(dá)到1500億元。</p><p>　　列管式換熱器有以下幾種：</p><p><b>　　(1)、固定管板式</b&

9、gt;</p><p>　　固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。</p><p><b>　　(2)、U形管式</b></p&

10、gt;<p>　　U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。</p><p><b>　　(3)、浮頭式 </b></p><p>　　換熱器兩端的管板，一端不與殼體

11、相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。</p><p>　　板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)(1) 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(dá)到6000W/ m2K, 

12、;在一般的工況條件下, 換熱系數(shù)也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管殼式換熱器的3～5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(jìn)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/ 3～1/ 4。(2) 占地面積小重量輕      

13、60; 除設(shè)備本身體積外, 不需要預(yù)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。(3) 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, 

14、;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。(4) 檢修、清洗方便        換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當(dāng)檢修、清洗時, 僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。(5) 產(chǎn)品適用面廣        設(shè)備最高耐溫可

15、達(dá)180 ℃, 耐壓2. 0MPa , 特別適</p><p>　　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(jìn)行

16、組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對性。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(dá)到250 ℃、2. 5MPa 。因此同樣是板式換熱器, 因其形式的多樣性,可以應(yīng)用于較為廣泛的領(lǐng)域

17、,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(jìn)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(jìn)行充分的熱傳遞,達(dá)到最終

18、的換熱效果。冷熱介質(zhì)的隔離主要通過密封墊的</p><p>　　工藝條件的確定和說明</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)和操作條件</b></p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　處理能力：10000kg/h</p><p><b>　　

19、操作條件</b></p><p>　　油：入口溫度130℃，出口溫度70℃</p><p>　　冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30℃，出口溫度40℃</p><p>　　允許壓強(qiáng)降：管側(cè)允許壓力損失為5MPa，殼側(cè)允許壓力損失為10MPa</p><p><b>　　設(shè)計計算</b></p><

20、;p><b>　　確定設(shè)計方案</b></p><p>　　（1）選擇換熱器的類型</p><p>　　冷熱流體的溫度、壓力不高，溫差不大，因此初步確定采用固定管板式換熱器。</p><p><b>　　（2）流動空間</b></p><p>　　冷卻介質(zhì)循環(huán)水走管程，油走殼程。</p&

21、gt;<p><b>　　設(shè)計參數(shù)</b></p><p>　　定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。</p><p>　　管程流體循環(huán)水的定性溫度為</p><p>　　殼程流體油的定性溫度為℃</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>

22、;　　循環(huán)冷卻水在35℃下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　密度 ρi＝994kg/m3 </p><p>　　定壓比熱容    Cpi＝4.08kJ/kg℃ 熱導(dǎo)率        λi＝0.626W/ m℃ 粘度 

23、;        μi＝0.000725 Pa﹒s</p><p>　　煤油在110℃下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　密度          ρ0＝780kg/m3 定壓比熱容 

24、0;  Cp0＝2.20kJ/kg℃ 熱導(dǎo)率        λ0＝0.138W/m℃ 粘度          μ0＝0.53mPa﹒s</p><p>　?。ㄈ?、計算總傳熱系數(shù)

25、</p><p><b>　　1、熱流量</b></p><p>　　kJ/h=366.7 KW</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　△tm1=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)=(100-30)/㏑(100/30)</p><p>&

26、lt;b>　　式中：℃ ,℃</b></p><p><b>　　求得℃</b></p><p><b>　　冷卻水用量</b></p><p><b>　　(kg/h)</b></p><p>　　3、流計算平均溫差、校正系數(shù)</p><

27、p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p><b>　　R=</b></p><p>　　按單殼程，偶數(shù)管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表，可得</p><p><b>　　ψ=0.96</b></p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p>&l

28、t;p>　　△tm=ψ△tm1=0.96X58.14=55.81℃</p><p><b>　　4、計算傳熱面積</b></p><p>　　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350 W/(㎡.℃)左右，先取K值為300W/(㎡.℃)計算</p><p>　　由Q=KA△tm 得</p><

29、p><b>　　(㎡)</b></p><p><b>　　5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　在決定管數(shù)和管長時，首先要選定管內(nèi)流速ui，按書中表6-1冷卻水走管程的流速為1—3.5 m/s，取流速為ui=1.7m/s，設(shè)所需單管程數(shù)為n，選用¢ 25mmX2傳熱管（碳鋼）的內(nèi)徑為0.021m，從管內(nèi)體積流量</

30、p><p><b>　　Vi=</b></p><p><b>　　計算求得n=15根</b></p><p>　　按單程計算，所需傳熱管長度為</p><p><b>　　L=</b></p><p>　　選用4.5m長的管，4管程，則一臺換熱器的總管數(shù)根

31、。查附錄十九得相近固定管板式換熱器的主要參數(shù)</p><p>　　初選固定管板式換熱器的主要參數(shù)</p><p>　　可對數(shù)據(jù)做如下核算：</p><p>　?。?）每程的管數(shù)你，管程流通面積，與查的的0.0125 m十分接近。</p><p>　?。?）傳熱面積A=n=，比查得的數(shù)據(jù)稍大，這是由于管長的一下部分要用于在管板上固定管子，應(yīng)以A

32、=49.7m為準(zhǔn)。</p><p>　　（3）中心排管數(shù)nc=1.1 =1.1，差別不大可取表中的15根。</p><p><b>　　5、阻力損失計算</b></p><p><b>　?。?）管程</b></p><p><b>　　管程流體流速</b></p>

33、<p><b>　　= (m/s)</b></p><p><b>　　Re=</b></p><p>　　摩擦系數(shù) 傳熱管相對粗糙度，查莫狄圖得 W/(m.℃)</p><p><b>　　管程流動阻力</b></p><p>　　上式中：，,1.4，， <

34、;/p><p>　　由Re=20730.04傳熱管相對粗糙度，查莫狄圖得 W/(m.℃)，流速 (m/s)， kg/m³，所以</p><p><b>　?。≒a）</b></p><p><b>　?。≒a）</b></p><p>　?。≒a）＜0.6MPa</p><

35、p><b>　　（2）殼程</b></p><p>　　取折流板間距h=0.2m</p><p><b>　　計算截面積 </b></p><p><b>　　=m/s</b></p><p><b>　　Reo=</b></p>&

36、lt;p><b>　　Reo＞500</b></p><p><b>　　摩擦系數(shù) </b></p><p><b>　　折流擋板數(shù) </b></p><p><b>　　殼程阻力損失 </b></p><p><b>　　流經(jīng)管束的阻

37、力</b></p><p>　　，,m/s F=0.5</p><p><b>　　故 （Pa） </b></p><p>　　流體流經(jīng)折流板口的阻力</p><p>　　上式中：h=0.2m,D=0.5 m</p><p><b>　　故 （Pa）</b&g

38、t;</p><p><b>　　總阻力</b></p><p><b>　?。≒a）</b></p><p>　　總的阻力損失大于10KPa小于設(shè)計壓力30KPa，壓力降合適。</p><p><b>　　6、傳熱計算</b></p><p>　?。?

39、）管程給熱系數(shù)。以上已算出Re=20730.04</p><p><b>　　計算Pr=</b></p><p>　?。?）殼程=0.36RPr()</p><p><b>　　Reo=6185</b></p><p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p>&l

40、t;p><b>　　Pr=</b></p><p><b>　　粘度校正 ()≈1</b></p><p>　　故 =0.36XX6185X8.545 =494W/(㎡.℃)</p><p><b>　　傳熱系數(shù)K</b></p><p><b>　　K=<

41、;/b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　=374.47W/(㎡.℃)</p><p><b>　　傳熱面積A</b></p><p><b>　　A=（m）</b></p><p>　　與換熱器列出的面積A=49.7㎡

42、比較，有15.9%的裕度。從阻力損失和傳熱面積的核算看，原選的換熱器經(jīng)過改動后，可以適用。</p><p>　?。ㄋ模Q熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果</p><p>　　換熱器設(shè)計圖（見附圖）</p><p><b>　　課程設(shè)計心得</b></p><p><b>　　心得體會</b></p&

43、gt;<p>　　化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。</p><p>　　在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運(yùn)用于實(shí)際的能力得到了提升，主要有以下幾點(diǎn)： </p><p>　　(1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；</

44、p><p>　　(2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力；</p><p>　　(3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計算的能力；</p><p>　　(4)學(xué)會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計思想的能力。</p><p>　

45、　從設(shè)計結(jié)果可看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因為煤油的出口溫度增高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)增大.通過這個設(shè)計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計參數(shù)的選擇十分重要.</p><p><b>　　附一 主要參考文獻(xiàn)</b></p><p&

46、gt;　　《化工原理》天津大學(xué)化工原理教研室編 天津：天津大學(xué)出版社. （1999）</p><p>　　《換熱器》秦叔經(jīng)、葉文邦等 ，化學(xué)工業(yè)出版社（2003）</p><p>　　《化工原理（第三版）上、下冊》譚天恩、竇梅、周明華等，化學(xué)工業(yè)出版社（2006）</p><p>　　《化工過程及設(shè)備設(shè)計》華南工學(xué)院化工原理教研室（1987）</p>