浮頭式換熱器設(shè)計(jì)

1、大學(xué)生物工程專(zhuān)業(yè)化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目名稱(chēng)浮頭式換熱器的設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師2012年 06月 08日目錄1、設(shè)計(jì)方案錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2、衡算錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.1確定設(shè)計(jì)方案 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.1.1換熱器的類(lèi)型錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.1.2管程安排錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.2確定物性數(shù)據(jù) .錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.3估算傳熱面積 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.3.1熱負(fù)荷.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.3.2熱流體用量錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.3.3平均傳熱溫差錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.3.4初算傳熱面積錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4.1管徑和管內(nèi)流速錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2

2、.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4.3平均傳熱溫差校正錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4.4傳熱管排列錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4.5殼體直徑錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4.6折流板.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4.7接管錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3、換熱器核算錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.1傳熱面積校核 .錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.1.1管程傳熱膜系數(shù)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.1.2殼程傳熱膜系數(shù)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.1.3總傳熱系數(shù)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.1.4傳熱面積校核錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.2換熱器內(nèi)壓降的核算錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.2.1管程阻力錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.2.2殼程阻力錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4、設(shè)備選型錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4.1管子排列方式的選擇

3、錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4.2折流板的選擇 .錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4.3除污垢措施的選擇錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4.4材料的選擇.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽5、附錄及圖表錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽&設(shè)計(jì)總結(jié)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽7、參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽1、設(shè)計(jì)方案在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛地使用各種換熱器，且他們是上述 這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。在化工廠，換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的 10%-20%。在某工廠的生產(chǎn)過(guò)程中，因生產(chǎn)需要，需用水回收甘油的熱量。已知水將甘 油從120C冷卻至50C，且甘油的壓力不大于O.IMPa。水的流量為50m3/h,水的入口 溫度為28C，出口溫度為78C，壓力不大于0.1M

4、Pa,請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器能完成上述任 務(wù)。2、衡算2.1確定設(shè)計(jì)方案2.1.1換熱器的類(lèi)型兩流體的溫度變化情況：水的進(jìn)口溫度 28r，出口溫度為78r ；甘油的進(jìn)口溫度 為120E，出口溫度為50r，本組為浮頭式換熱器。2.1.2管程安排對(duì)于一般壓力較高的流體流經(jīng)管內(nèi)，因?yàn)楣茏又睆叫。惺芨邏耗芰?，所以水走管程，又被冷卻物料一般走殼程，便于散熱，所以甘油走殼程。2.2確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)、出口溫度平均值。故殼程甘油的定性溫度為12050=85 r管程流體的定性溫度為28 782=53 r物質(zhì)密度比 熱容黏度導(dǎo)熱系數(shù)3(kg/m )(kJ/kg

5、 r)(Pas)(W/m-r)甘油8102.220.9 X0-30.18水985.64.176_6509.6 X06_265.4 X02在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體（水和甘油）的物性參數(shù)，見(jiàn)下表:表1冷熱流體的物性參數(shù)2.3估算傳熱面積2.3.1熱負(fù)荷（忽略熱損失）Qm，cCp，cAT =985.6漢10漢4.176漢50 = 2.06匯106KJ/h= 572kW232熱流體用量(忽略熱損失)Qt572 103Qm,h 二 Cp，h(T2-T1廠 2.221；0一50 =3.7kg/13320kg/h2.3.3平均傳熱溫差先按純逆流計(jì)算，得70+50.-：tm60 C22.3.4初算

6、傳熱面積參照列管式換熱器中K值大致范圍表,可假設(shè)K=350W/(m 2 C )則估算的傳熱面積 為=企= 5Z=27m2K tm 350 602.4換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)2.4.1管徑和管內(nèi)流速參照列管式換熱器內(nèi)常用的流速范圍表，取管內(nèi)流速為Ui =1m/s,并取Ns=24管徑用下式計(jì)算5O/36O027.15mm0.785 24 1又由于考慮到市場(chǎng)上管徑的一般規(guī)格大小，所以我們選用*30X1.0mm的管子。利用試差法，計(jì)算管內(nèi)流速為：qv50/3600,u=2=0.94 m/s兀汰人 2乂“0.780.028x24diNs42.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)27由于Ns=24,按照單管程，所需的傳熱

7、管長(zhǎng)度為L(zhǎng) =-S估12m兀 d：Ns 3.10.0224按照單管程設(shè)計(jì)，由于傳熱管太長(zhǎng)，故宜采用多管程設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際情況，采用非 標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)設(shè)計(jì)，取傳熱管長(zhǎng)I =3m，則該換熱器的管程數(shù)為N十l 3傳熱管總根數(shù)n =24 4=96243平均傳熱溫差校正平均溫差校正系數(shù)計(jì)算如下t2T-匕_ti78 -28120-285092= 0.54士 =70十t2 -178 - 28 50按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查閱溫度差校正系數(shù)值的表2，查得過(guò)=0.82平均傳熱溫差utm h、Ctm0.82 60=49.2 (C)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8,故可以采取單殼程合適。2.4.4傳熱管排列采用組合排列法

8、，每管程內(nèi)采用正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列取管心距 R =1.25d,則 R =1.25x30 拓38 mm隔板中心到離其最近一排管中心距離Z =旦 6 = 25mm2各程相鄰管的管心距為50mm。2.4.5殼體直徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體直徑按式D =1.05R .廠 =1.05 3896 0.62 = 496.5mm可取 D = 500 mm2.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體直徑的30%，則切去的圓缺高度為h =0.30 500 =150 mm取折流板間距 B =0.3D0.2D : B : D，則 B = 0.3 500 =150 mm折流板數(shù)目Nb30001

9、50一1 =192.4.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為U1=2m/s,貝U接管內(nèi)徑為D1 =4 13320/ 810/36003.14 2=0.0539m圓整后可取管內(nèi)徑為D1=54mm，根據(jù)試差法計(jì)算管內(nèi)液體流速為Ui =1.996m/s4 _4 13320/ 810/36002 2 r:D123.14 0.0542管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速U2=2.5m/s,則接管內(nèi)徑為D?=4 50/36003.14 2.5二 0.841 m圓整后可取管內(nèi)徑為D2 =85mm,根據(jù)試差法計(jì)算管內(nèi)液體流速為u2 =4qv2: D2=4 x 50/3600- 23.14 0.085=

10、2.449 m/s3、換熱器核算3.1傳熱面積校核3.1.1管程傳熱膜系數(shù)按照下式進(jìn)行計(jì)算:i = 0.023Re0.8 Pr0.4 idi管程流體流通截面積寫(xiě) n2962S 二dj =0.785 0.0282=0.0295 m42250/3600,ui0.471 m/s0.0295Re0.028 0.471 985.6509.6 10-25507普朗特?cái)?shù)4.176 103 509.6 10“0.638-3.34:i =0.023 048 7128908 3.340.4 = 9208.5 W/（m2 ：C）0.023.1.2殼程傳熱膜系數(shù) 用下式計(jì)算= 0.36Re055di管子是按照正三角形

11、排列，傳熱當(dāng)量直徑為.f 32 ： ：20.0382 0.032)4兀d3.14:d0 (30、-150 漢 50011 P丿38 y2殼程流通截面積為S =BD0.032=0.0158 m2Pt 丫)4(4(仝2二22= 0.023 m殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為13320/ 810 3600 =0.29 m/s0.0158普朗特?cái)?shù)dgUo0.028 0.29 8100.91 10”= 7228332.22 100.91 100.18=11占、0.14黏度校正廠 応0.95I w丿0 180.3672280.55 1113 0.95 = 648 W/(m 2 -C ) 0.0283.1.3總

12、傳熱系數(shù)首先對(duì)于污垢熱阻和管壁熱阻，參照壁面污垢熱阻的數(shù)值范圍表，管外側(cè)污垢熱阻 R0 =1.7197x10，(m2 C )/W 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 R =1.71970*(m2 C)/W。已知管壁厚度b =0.001 m，查固體材料的熱導(dǎo)率表2，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為 =52(W/mC )。故總傳熱系數(shù)K為2 R立旦R0:idididm2= 436W/(m2 C)3.1.4傳熱面積校核由下式可得所計(jì)算傳熱面積S為S住嚴(yán) 103 =21.865m2436 60換熱器的實(shí)際傳熱面積為SS =qiNT =3.14 0.03 3 9 27.1296m2換熱器的面積裕度為S271296 十421.865

13、22傳熱面積裕度合適，該換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)3.2換熱器內(nèi)壓降的核算3.2.1管程阻力管程總阻力可以采取下式計(jì)算式中 訥、.巾2 分別為直管和回彎管中因摩擦阻力而引起的壓降，PaFt 結(jié)垢校正因數(shù)，對(duì)30X1.0mm管子取1.4N p 管程數(shù)Ns 串聯(lián)的殼程數(shù)又 Ns=1, Np=4 , Ft =1.4由凡=25507 2000，為湍流，又傳熱管的相對(duì)粗超度為0.01，查相關(guān)文獻(xiàn)中的 R 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 得 一 0.042 W/m C，流速 q 二 0.471 m/s,= 985.6kg/m3,所以P2 -352P2=0.042230.471985.6x0.028 2= 492 Pac 985.

14、6 X0.4712二 3 2-328 PaP= 492 3281 4 1.4=4592Pa ：0.1MPa管程流體阻力在允許的范圍之內(nèi)3.2.2殼程阻力按下式計(jì)算P=3P*P/ )FtNs其中 Ns -1，F(xiàn)t =1.15流體流經(jīng)管束的阻力小 Ff：n Nb 1F =0.5f = 5 7228-0.28= 0.3869d =1.1、n =1.1 f96 = 10.8 Nb =19Uo =0.29m/s2故 ar =0.5x0.3869x10.8匯（19+1 F8!0=1423Pa流體流過(guò)折流板缺口的阻力為P2 = Nb 3.5_蘭-.D 2其中 h=0.15 m, D =0.5m，則烏=19：

15、 13.5皿 810 0.29l877 Pa0.52總阻力：Ph1423 18771 1.24=4092Pa：0.1MPa故殼程阻力在允許的范圍內(nèi)。4、設(shè)備選型4.1管子排列方式的選擇管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形排列、正方形錯(cuò)列，我們選擇 了正三角形排列方式。正三角形排列的優(yōu)點(diǎn)是接湊度高，相同管板面積上可排管數(shù)多， 殼程流體擾動(dòng)性好，有較高的傳熱性能比，應(yīng)用最為普遍，但其缺點(diǎn)就是不易清洗，常 用于清潔的流體。本設(shè)計(jì)考慮到管子數(shù)目較多，又由于是4管程，則需采用組合排列，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。4.2折流板的選擇安裝折流板的目的是提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，

16、為了取得良好的換熱效果，擋板的形 狀和間距必須適當(dāng)。相鄰擋板的距離（板間距）一般取換熱器外徑你給的0.21.0倍。浮頭式換熱器的板 間距有150mm、200mm、300mm、400mm、600mm五種。在此次設(shè)計(jì)中，根據(jù)計(jì)算和 綜合各方面因素考慮，選擇板間距為 150m m,并且采用弓形折流板。4.3除污垢措施的選擇化學(xué)清洗易對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，因此在此次的除污垢措施中，采用軟機(jī)械清洗，這種 清洗方法依靠插入物的在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)， 與管子內(nèi)表面接觸，達(dá)到去除污垢的效果。這種 軟機(jī)械清洗又稱(chēng)在線軟件清洗，常見(jiàn)的方法有旋轉(zhuǎn)螺旋線法、液固流態(tài)化法、旋轉(zhuǎn)紐帶 法、海綿膠球在線清洗法。而此次我們采用的是海綿膠球

17、在線清洗法， 此方法是將直徑 比管子內(nèi)徑稍大的海綿球擠入管內(nèi)以起到除垢的目的。 又查的，膠球循環(huán)一次所需時(shí)間 一般為30秒，膠球補(bǔ)充周期為膠球清洗系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行 7次，也可根據(jù)使用的具體情況 不同調(diào)整補(bǔ)充周期。膠球的更換周期：根據(jù)國(guó)產(chǎn)球使用統(tǒng)計(jì)，其更換周期為膠球清洗字 體累計(jì)運(yùn)行60次。4.4材料的選擇換熱器材料應(yīng)該根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。金屬材料：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅和鋁。非金屬材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃、普通膠球。不銹鋼和有色金屬材料抗腐蝕性能好， 但價(jià)格相對(duì)較高。綜合考慮到經(jīng)濟(jì)、安全等 因素，我們選擇了碳鋼管子。設(shè)備選型匯總表名稱(chēng)規(guī)格型號(hào)數(shù)量廠家折流板高 250m

18、m402-101H-0719海東不銹鋼有限公司換熱管30 1.0mmGB/T1497696寶豐鋼業(yè)殼體厚 1.0mmQ235-A1淄博泰勒換熱設(shè)備有限公司管程接管85mmBR01-A2上?；ぱb備有限公司殼程接管54mmBR0062上海化工裝備有限公司螺柱M20JB-T4707-200072沙河市四方緊固件有限公司法蘭RF 550-2.5HG206151武漢威孚熱工技術(shù)有限公司支座耳式支座B2JB1165-732265河北同力自控閥門(mén)制造有限公司定距管30 1.0mmGB/14976-19941上海斯普熱能技術(shù)有限公司壓力閥SL100XL1成都萊峰科技有限公司普通膠球25mm1連云港式泰格電力

19、設(shè)備有限公司上管板PSJJ7A132-0-21澳昭美金屬材料有限公司下管板PSJJ7A132-0-61澳昭美金屬材料有限公司5、附錄及圖表附表1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目結(jié)果單位水的流量50m3/h水的進(jìn)（出）口溫度28 (78)C水的壓力0.01MPa甘油的進(jìn)（出）口溫度120( 50)C水的密度985.6kg/m3水的比熱容4.176kJ/kg C水的熱導(dǎo)率-265.4 X0W/m- C水的黏度-6509.6 沐0 6Pa s甘油的密度810Kg/m3甘油的比熱容2.22kJ/(kg/ C)甘油的熱導(dǎo)率0.18W/m- C甘油的黏度-30.91 10Pa s熱負(fù)荷572kW水的定性溫度53C甘油的定性溫度85C熱流體用量13320kJ/h平均傳熱溫差60C管徑 30%.0mm管長(zhǎng)3m管數(shù)目96根管心距38mm殼體直徑500mm折流板的圓缺高度150mm折流板的間距150mm折流板的數(shù)目