課程設計--空氣加熱器的設計

1、<p>　　課程設計題目：空氣加熱器的設計 </p><p><b>　　課程設計內容：</b></p><p>　　(1) 處理能力為10000kg/h(377.27kmol/h)壓縮空氣。</p><p>　　(2) 設備型式：列管式換熱器</p><p><b>　　(3)

2、操作條件：</b></p><p>　　a) 壓縮空氣：入口溫度90℃，入口壓力0.243MPa；出口溫度136℃。</p><p>　　b) 加熱蒸汽：0.608MPa℃，164.2℃，流量為288 kmol/h</p><p>　　c) 允許壓強降：管、殼程壓強降小于100kPa</p><p><b>　　(4)

3、物性參數：</b></p><p>　　壓縮空氣：溫度：113℃， μ=2.22510-5kg/(m. s )， </p><p>　　λ=3.2910-2W/(m·℃) ，ρ、Cp自算。</p><p><b>　　設計計算內容：</b></p><p>　　(1) 傳熱面積、換熱管根數;<

4、;/p><p>　　(2) 確定管束的排列方式、程數、折流板的規(guī)格和數量等；</p><p><b>　　(3) 殼體內徑；</b></p><p>　　(4) 冷、熱流體進、出口管徑；</p><p>　　(5) 核算總傳熱系數；</p><p>　　(6) 管殼程流體阻力校核。</p>

5、<p>　　指導 教師： 簽字 年 月 日</p><p>　　教研室主任： 簽字 年 月 日</p><p>　　系（部）主任： 簽字 年

6、月 日</p><p><b>　　【概況＆簡介】</b></p><p>　　列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。</p><p>　　其主要優(yōu)點是單

7、位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。</p><p>　　列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有

8、差別。若兩流體溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。</p><p><b>　　換熱器</b></p><p>　　換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。</p><

9、p>　　按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。</p><p>　　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。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。</p>

10、<p>　　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。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。</p><p>　　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。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫

11、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。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。</p><p>　　工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據結構特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。</p><p>　　緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。&l

12、t;/p><p>　　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)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，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，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。</p><p>　　使用最為廣泛的列管式換熱器把

13、管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內。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。</p><p><b>　　換熱器類型的選擇</b></p><p>　　根據列管式換熱器的結構特點，主要分為以下四種。以下根據本次的設計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。</p>&

14、lt;p><b>　　固定管板式換熱器</b></p><p>　　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，它的結余構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質的泄漏。</p>

15、<p><b>　　U型管換熱器</b></p><p>　　U型管換熱器結構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，當殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產生溫差應力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結構簡單，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。其缺點是管內清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利

16、用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內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。</p><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p><p>　　浮頭式換熱器的結構如下圖1-3所示。其結構特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，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

17、脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可以從殼體內抽搐，便與管內管間的清洗。其缺點是結構較復雜，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，造成兩種介質的混合。</p><p><b>　　填料函式換熱器</b></p><p>　　填料函式換熱器的結構如圖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，不會產生

18、因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構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；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質不適用。</p><p><b>　　一、確定設計方案</b></p><p><b>　　選擇換熱器的

19、類型</b></p><p>　　兩流體溫的變化情況：壓縮空氣進口溫度90℃ 出口溫度136℃；熱蒸汽進口溫度164.2℃，出口溫度為164.2℃，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。</p><p><b>　　管程安排</b></p><p>　　

20、從兩物流的操作壓力看，應使有熱蒸汽走管程，壓縮空氣走殼程。</p><p><b>　　二、確定物性數據</b></p><p>　　定性溫度：對于一般氣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。故殼程壓縮空氣的定性溫度為</p><p><b>　　T==113℃ </b></p><

21、p>　　根據定性溫度，查取壓縮空氣在113℃、0.243MPa下的有關物性數據（根據內插法求得）。</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容 </b></p><p>　　熱導率 </p><p>　　粘度 &

22、lt;/p><p>　　根據定性溫度，查取飽和水蒸汽在164.2℃ 0.608MPa下的有關物性數據</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　汽化潛熱 </b></p><p>　　粘度 </p><p><

23、b>　　三、估算傳熱面積</b></p><p><b>　　1.熱流量 </b></p><p><b>　　Q1=</b></p><p>　　=10000×1.0194×(136－90)=4.69×105kJ/h =130.257kw</p><p&

24、gt;<b>　　平均傳熱溫差 </b></p><p>　　先按照純逆流計算，得</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　其中 </b></p><p><b>　　傳熱面積 </b></p><p

25、>　　欲求傳熱面積必須先知道K值。假設K＝32W/(㎡k)則估算的傳熱面積為</p><p><b>　　Ap=</b></p><p>　　考慮到安全系數5%－15%，這里取10%，所以傳熱面積為79.52×1.1=87.47m2</p><p><b>　　四、工藝結構尺寸</b></p>

26、<p>　　1．管徑和管內流速 選用Φ50×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速u1=20m/s。</p><p>　　2．管程數和傳熱管數 可依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(管內流量288kmol/h=1.44kg/s)</p><p><b>　　Ns=</b></p><p>　　按單程管計算，所

27、需的傳熱管長度為 </p><p><b>　　L=</b></p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據本設計實際情況，采用非標設計，現取傳熱管長l=4.0m，則該換熱器的管程數為</p><p><b>　　Np=</b></p><p>　　傳熱管總根數 N

28、t=64×2=128</p><p>　　傳熱管排列和分程方法 </p><p>　　采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。</p><p>　　取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25≈32㎜</p><p>　　隔板中心到離其最.近一排管中心距離：</p>

29、<p>　　S=t/2+6=32/2+6=22㎜</p><p>　　各程相鄰管的管心距為44㎜。</p><p>　　4．殼體內徑 采用多管程結構，進行殼體內徑估算。取管板利用率η=0.7 ，則殼體內徑</p><p><b>　　為：</b></p><p><b>　　D=1.05t&l

30、t;/b></p><p>　　按卷制殼體的進級檔，這里取D=500mm</p><p>　　5．折流擋板 采用弓形形折流擋板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為</p><p>　　h=0.25×500=125mm</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×500=

31、150mm。</p><p>　　折流板數目 NB=塊</p><p><b>　　五、換熱器核算</b></p><p><b>　　熱流量核算</b></p><p>　?。?）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?用克恩法計算：</p><p>　　其中當量直徑 =</p&

32、gt;<p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數分別為</p><p><b>　　摩擦系數 </b></p><p>　　f。=5.0/=5.0/38069140.228=0.1580</p><p><b>　　普朗特

33、數</b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p>　?。?）管內表面?zhèn)鳠嵯禂担?lt;/p><p>　　管程流體流通截面積：</p><p><b>　　管程流體流速：</b></p><p><b>　　雷諾數：</b&

34、gt;</p><p><b>　　普朗特數：</b></p><p>　?。?） 傳熱系數有：</p><p>　　（4）傳熱面積裕度：</p><p><b>　　計算傳熱面積Ac：</b></p><p><b>　　Ac=</b></p&g

35、t;<p>　　該換熱器的實際傳熱面積為：</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。</p><p>　　2.換熱器內流體的流動阻力</p><p><b>　　（1）管程流體阻力</b></p><p>　　.0 ,

36、 .2 , </p><p>　　由Re=98723，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖得，流速=19.88m/s, , 所以：</p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內。</p><p><b>　　殼程阻力： </b></p><p><b>　　按式計算</b></p>

37、<p><b>　　, .0, .0</b></p><p><b>　　流體流經管束的阻力</b></p><p><b>　　F=0.5</b></p><p>　　f。=5.0/=5.0/38069140.228=0.1580</p><p><b>

38、;　　NB=29 </b></p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p>　　, B=0.15m , D=0.5m</p><p><b>　　總阻力</b></p><p>　　192947+549931=742878Pa</p><p>　　由于該換熱器殼程流