列管式換熱器設(shè)計(jì)水蒸氣加熱水綜述

1、課程設(shè)計(jì) 食品工程原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 ：列管式換熱器的設(shè)計(jì) 班級(jí) ：食品卓越 111班 設(shè)計(jì)者 ：張萌 學(xué)號(hào) ：5603110006 設(shè)計(jì)時(shí)間 ：2013年 5 月 13日5 月 17 日 指導(dǎo)老師 ：劉蓉 課程設(shè)計(jì) 目錄 概述 1.1.換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書 -. .7 - 1.2換熱器的結(jié)構(gòu)形式 -. .1 0 - 2.蛇管式換熱器 -. .1 1 - 3.套管式換熱器 -. .1 1 - 1.3換熱器材質(zhì)的選擇 -. .1 1 - 1.4 管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn) -. .1 3 - 1.5 列管式換熱器的結(jié)構(gòu) -. .1 4 - 1.6管板式換熱器的類型及工作原理 -. 16 - 1.7確定設(shè)

2、計(jì)方案 -. .1 7 - 2.1設(shè)計(jì)參數(shù) -. .1 8 - 2.2計(jì)算總傳熱系數(shù) -. .1 9 - 2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸 -. .2 0 - 2.4換熱器核算 -. .2 1 - 2.4.1 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 21 2.4.2. 熱流量核算 22 課程設(shè)計(jì) 食品工程原理及單元操作課程設(shè)計(jì)任務(wù) 班級(jí)： 食品卓越 111 班姓名：張萌 設(shè)計(jì)一臺(tái)用飽和水蒸氣（表壓 400 500kPa）加熱水的列管式固定管 板換熱器，水流量為 85 （ t/h ），水溫由 30 加 熱到 65 。 課程設(shè)計(jì) 概述 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

3、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。 35 40。隨著我 國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而 對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱 機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 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，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)， 性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中， 首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積， 并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 換熱器按用途不同可分為加熱器、 冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、 深冷器、過熱器等。 換熱器按傳熱方式的不同可分為：混

4、合式、蓄熱式和間壁式。其中間 壁式換熱器應(yīng)用最廣泛， 按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為管殼 式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器 （板翅式、 管翅式等） ， 如表 2-1 所示。 表 2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類 類 型 特點(diǎn) 間 管列 固定管 剛性結(jié) 構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般 50）， 管間不能清洗 壁 殼管 板式 帶膨脹 有一定的溫度補(bǔ)償能力， 殼程只能承受低壓 式 式式 節(jié) 力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合 - 4 - 課程設(shè)計(jì) U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓， 管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函 式 外填料 函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、 易爆炸及 壓力較高的介質(zhì)

5、 內(nèi)填料 函 密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合 釜式 殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固 定床反應(yīng)器中 套管式 能逆流操作， 用于傳熱面較小的冷卻器、 冷 凝器或預(yù)熱器 螺 旋管 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、 冷凝或管外流體的加 熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板 面 式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整， 主要用于粘性較 大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作， 有自潔的作用， 可 用作回收低溫?zé)崮?平板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便， 通道較小、 易堵，要 求流體干凈 板殼式 板束類似于管束， 可抽出清洗檢修， 壓力不 能太高 - 5

6、 - 課程設(shè)計(jì) 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進(jìn)行， 適用于從高溫爐 氣中回收熱能的場(chǎng)合 完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求 1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物 理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè) 計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比較， 使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積， 在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可 能多的熱量。其具體做法如下。 增大傳熱系數(shù) ? 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng) 的前提下，盡量選擇高的流速。 提高平均溫差 ? 對(duì)于無相變

7、的流體， 盡量采用接近逆流的傳熱 方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差， 還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng) 力。在允許的條件時(shí)， 可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口 溫度。 妥善布置傳熱面 ? 例如在管殼式換熱器中， 采用合適的管間距 或排列方式， 不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積， 還可以改善流體 的流動(dòng)特性。 錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束的好。 如果換熱器中的 一側(cè)有相變， 另一側(cè)流體為氣相， 可在氣相一側(cè)的傳熱面上加翅片以 增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 （2）安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命 計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管 殼式

8、換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定 等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。 這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠 起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 課程設(shè)計(jì) 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。 設(shè)備與部件應(yīng)便 于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需 要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4）經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為 1 年）固定 費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修 費(fèi)等）的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成 生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。 動(dòng)力消耗與流速的平方成正比， 而流速的提高又有利于傳熱， 因 此存在一最適宜的

9、流速。 傳熱面上垢層的產(chǎn)生和增厚， 使傳熱系數(shù)不斷降低， 傳熱量隨之 而減少，故有必要停止操作進(jìn)行清洗。在清洗時(shí)不僅無法傳遞熱量， 還要支付清洗費(fèi)，這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ) 償，因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。 嚴(yán)格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算以確定適宜的 操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的， 應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對(duì) 象進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。 但要解決這樣的問題難度很大， 當(dāng)影 響換熱器的各項(xiàng)因素改變后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)， 按照 上述觀點(diǎn)單獨(dú)地對(duì)換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。 1.1. 換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書 1設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)一臺(tái)用飽和水蒸氣加熱水的

10、列管式固定管板換熱器 2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 （1）處理能力 85 噸水/ 小時(shí) （2）設(shè)備型式 列管式換熱器 3）操作條件 課程設(shè)計(jì) 水蒸氣：入口溫度 158.7 ，出口溫度 158.7 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度 30，出口溫度 65 允許壓強(qiáng)降：管程 104-105, 殼程 103-104. （4）設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)確定的工藝流程及換熱器型式進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。 換熱器的工藝計(jì)算：確定換熱器的傳熱面積。 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。 主要輔助設(shè)備選型。 繪制換熱器總裝配圖。 3設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容 （1）目錄； （2）設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù) （任務(wù)書）； （3）論述換熱器總體結(jié)構(gòu) （換熱器型式、主

11、要結(jié)構(gòu) ）的選擇； （4）換熱器加熱過程有關(guān)計(jì)算 （物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換 熱管型號(hào)、殼體直徑等 ）； （5）設(shè)計(jì)結(jié)果概要 （主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等 ）； （6）主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及說明； （7）主要零件的強(qiáng)度計(jì)算（選做）； （8）附屬設(shè)備的選擇（選做）； （9）參考文獻(xiàn)； （10）后記及其它。 課程設(shè)計(jì) 4設(shè)計(jì)圖要求 用 A1 圖紙繪制換熱器一張：一主視圖，一左視圖，部分局部放大圖 剖面圖. 5 設(shè)計(jì)思考題 （1）設(shè)計(jì)列管式換熱器時(shí)，通常都應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的換熱器，為什 么？ （2）為什么在化工廠使用列管式換熱最廣泛？ （3）在列管式換熱器中，殼程有擋板和沒有擋板時(shí)，其對(duì)流傳熱系 數(shù)

12、的計(jì)算方法有何不同？ （4）說明列管式換熱器的選型計(jì)算步驟？ （5）在換熱過程中，冷卻劑的進(jìn)出口溫度是按什么原則確定的？ （6）說明常用換熱管的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（批管徑和管長(zhǎng)）。 （7）列管式換熱器中，兩流體的流動(dòng)方向是如何確定的？比較其優(yōu) 缺點(diǎn)？ 6. 部分設(shè)計(jì)問題指導(dǎo) （1）列管式換熱器基本型式的選擇 （2）冷卻劑的進(jìn)出口溫度的確定原則 （3）流體流向的選擇 （4）流體流速的選擇 （5）管子的規(guī)格及排列方法 （6）管程數(shù)和殼程數(shù)的確定 （7）擋板的型式 課程設(shè)計(jì) 1.2 換熱器的結(jié)構(gòu)形式 1. 管殼式換熱器 管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備， 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低

13、廉，用材廣泛，清洗方便，適應(yīng) 性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。 管殼式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾 種： （1）固定管板式換熱器 固定管板式換熱器兩端的管板與殼體連在一起，這類換熱器結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但管外清洗困難，宜處理兩流體溫差小于50且 殼方流體較清潔及不易結(jié)垢的物料。 帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，其膨脹節(jié)的彈性變形可減小溫 差應(yīng)力，這種補(bǔ)償方法適用于兩流體溫差小于 70且殼方流體壓強(qiáng) 不高于 600Kpa的情況。 （2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的管板有一個(gè)不與外殼連接，該端被稱為浮頭，管 束連同浮頭可以自由伸縮， 而與外殼的膨脹無關(guān)。 浮頭式換熱器的管 束可以拉出， 便于清洗和檢修，

14、 適用于兩流體溫差較大的各種物料的 換熱，應(yīng)用極為普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。 （3）填料涵式換熱器 - 10 - 課程設(shè)計(jì) 填料涵式換熱器管束一端可以自由膨脹，與浮頭式換熱器相比， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但殼程流體有外漏的可能性，因此殼程不能處理 易燃，易爆的流體。 2. 蛇管式換熱器 蛇管式換熱器是管式換熱器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，操作最方便的一種換 熱設(shè)備，通常按照換熱方式不同， 將蛇管式換熱器分為沉浸式和噴淋 式兩類。 3. 套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的直管套在一起組成同心套管， 其內(nèi)管用 U 型時(shí)管順次連接， 外管與外管互相連接而成， 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓，傳熱面積可根據(jù)需要

15、增減，適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)、外 徑，可使流體的流速增大，兩種流體呈逆流流動(dòng)，有利于傳熱。此換 熱器適用于高溫，高壓及小流量流體間的換熱。 1.3 換熱器材質(zhì)的選擇 在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備 的操作壓力、 操作溫度。 流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能 等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了 滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度， 即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考 慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù) - 11 - 課程設(shè)計(jì) 雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用 壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制

16、造工藝性能，是與 換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被 酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。 如一般換熱器用 的普通無縫鋼管，其常用的材料為 10號(hào)和 20號(hào)碳鋼。 （2）不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以 1Crl8Ni9Ti 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的 18-8 奧氏體 不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊； 正方形排列便于機(jī)械清洗； 同心圓排列 用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)換熱器系 列中，固定管板式多采用正三角形排列； 浮頭

17、式則以正方形錯(cuò)列排列 居多，也有正三角形排列。 （2）管板 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。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹， 產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目 的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì) 壓力不超過 4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過350的場(chǎng)合。 - 12 - 課程設(shè)計(jì) 3)封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。 封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或 螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清 洗管子。 管箱 換熱器

18、管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱 , 殼徑較大的換 熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時(shí)需拆下管箱，因此 管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。 分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì) 于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的 若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。 管程多者可達(dá) 16 程，常用的有 2、 4、6 程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程 流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的 泄漏，以防止流體的短路。 1.4 管板式換熱器的優(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, 在一

19、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 35 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(xiàng)換熱過程 , 板式換熱器的換熱面積僅為管殼 - 13 - 課程設(shè)計(jì) 式的 1/ 31/ 4。 (2) 占地面積小重量輕 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. 60. 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(jì)避免了死區(qū)的存在 , 使

20、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(shí) , 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)備最高耐溫可達(dá) 180 , 耐壓 2. 0MPa , 特別適應(yīng)各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷 凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面 , 在低品位熱能回收方面 , 具有 明顯的經(jīng)濟(jì)效益。各類材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對(duì)腐蝕性的要 求。 當(dāng)然板式換熱器也存在一定的缺點(diǎn) , 比如工作壓 力和工作溫度不是很高 , 限制了其在較為復(fù)雜工況中的使用。同時(shí) 由于板片通道較小 ,也不適宜用于雜質(zhì)較

21、多 , 顆粒較大的介質(zhì)。 1.5 列管式換熱器的結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 (1)換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有 192 mm、 252 mm(1Crl8Ni9Ti) 、 252.5 mm(碳鋼 10) 。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且 - 14 - 課程設(shè)計(jì) 管壁較?。煌瑫r(shí)，對(duì)于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體 積的傳熱面積更大， 單位傳熱面積的金屬耗量更少。 換熱管管板上的 排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同 心圓排列 B) C) D) (A) 正方形直列 B)正方形錯(cuò)列 (C) 三角形直 E) 圖 1-4 換熱管在管板上的排

22、列方式 (D)三角形錯(cuò)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(jī)械清洗； 同心圓排列 用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)換熱器系 列中，固定管板式多采用正三角形排列； 浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列 居多，也有正三角形排列。 2)管板 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。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹， - 15 - 課程設(shè)計(jì) 產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目 的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì) 壓力不超過 4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過 350的場(chǎng)合。

23、（3）封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。 封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或 螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清 洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱 , 殼徑較大的換 熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時(shí)需拆下管箱，因此 管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。 分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì) 于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的 若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。 管程多者可達(dá) 16 程，常用的有 2、 4、6 程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程 流體與殼

24、程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的 泄漏，以防止流體的短路。 1.6 管板式換熱器的類型及工作原理 - 16 - 課程設(shè)計(jì) 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) 行組合可以滿足不同的工況需求 , 在使用中更有針對(duì)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(duì) 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 ,

25、 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 , 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(dòng) , 在板片波紋的作用下形成激烈的 湍流 , 猶如用筷子攪動(dòng)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(dòng) , 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)到最終的換熱效果。 冷熱介質(zhì) 的隔離主要通過密封墊的分割 , 或者通過大量的焊縫來

26、保證 , 在 換熱板片不開裂穿孔的情況下 , 冷熱介質(zhì)不會(huì)發(fā)生混淆。 1.7 確定設(shè)計(jì)方案 1 選擇換熱器的類型 兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度 158.7 出口溫度 158.7 ；冷流體進(jìn)口溫度 15，出口溫度為 75，該換熱器 用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到 - 17 - 課程設(shè)計(jì) 這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因 此初步確定選用列管式換熱器。 2 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使水蒸氣走管程，循環(huán)冷卻水 走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加 快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮， 應(yīng)使循環(huán)水走管程，水

27、蒸氣走殼程。 2.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 水蒸氣的定性溫度： T=158.7 密度 0 3.1686kg/ m3 氣化潛熱 r=1901,1KJ/kg 粘度： i 0.0135m Pas 水的定性溫度： T=(65+30)/2=47.5 密度： i 990.0kg/m3 定壓比熱容： Cpi4.174kJ/kg 熱導(dǎo)率： i 0.6400W/ m 粘度： i 0.600m Pas - 18 - 課程設(shè)計(jì) 2.2 計(jì)算總傳熱系數(shù) 1、熱流量 Q0 m0cp0 T =85/3600 1000 4.174 (65-30)=3449kJ/s 平均傳熱溫差 tm1=( t1- t2)/ ( t1/ t2)=(12

28、8.7-93.7)/ (128.7/93.7) 式中： t1 158.7 30 128. 7 , t 2 158.7 65 93.7 求得 tm1=110.3 2、 冷卻水用量 考慮熱損失 3%-5%取 3%, 則 Q= Q0(100 3)% 3552 kJ/s mi cpi t 3552 2091. 1 1.70 (kg/h) 3 計(jì)算傳熱面積 求傳熱面積需要先知道 K 值，根據(jù)資料查得和水之間的傳熱 系數(shù)在 1300W/( . )左右，先取 K值為 1200W/( . )計(jì)算 由 Q=KA tm 得 A0 Q0 K tm - 19 - 課程設(shè)計(jì) 3449 1000 110 1200 26.

29、1 ) 考慮安全系數(shù) 5%-15%，取 10%， 則 A=26.1 ( 100+10)%=28.7() 2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 L= Ap d ons 32.01 3.14 0.025 47 8.68m 1管徑和管內(nèi)流速選用 25 2.5 較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼） ，取管 內(nèi)流速 u1=1.23m/s 。 2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) Ns= V 65 1000/(3600 990.0) 47 2 0.785 0.022 1.23 di u 4i 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情 況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳

30、熱管長(zhǎng) l=4.5m ，則該換熱器的管程數(shù)為 Np= L 8.68 2 l 4.5 傳熱管總根數(shù) Nt=47 2=94 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 t=1.25d 0，則 t=1.25 25=31.2532 隔板中心到離其最 . 近一排管中心距離按式（ 3-16）計(jì)算 S=t/2+6=32/2+6=22 各程相鄰管的管心距為 44 。 5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.7 ，則殼體內(nèi) - 20 - 課程設(shè)計(jì) 徑為： D=1.05t NT /1.05 32 94 / 0.7 389mm 可取 D=

31、400mm 6折流板 采用弓形折流板， 去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25%，則切去的圓缺高度為： H=0.25 400=100m，故可 取 h=100mm 折流板數(shù)目 NB= 傳熱管長(zhǎng) 折流板間距 1 4500 1 9 45 取折流板間距 B=450m。m 2.4 換熱器核算 2.4.1 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 1）殼程阻力損失計(jì)算 殼程流通截面積：折流板間距取 h=450mm so h (D ncd ) 0.45 (0.4 11 0.025) 0.05625 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： 2.23/3.1686 12.5m/s 0.05625 Reo 0.025 12.51 3.16

32、86 73406 0.0135 10 3 Re 摩擦系數(shù) 500 =5.0/ Re0.228 =5.0/ 734060.228=0.3887 管束損失和缺口損失 - 21 - 課程設(shè)計(jì) =0.5 0.387 11 (9+1) 3.168612.512/2=5300.6 Pa =9(3.5- 2 0.45 0.4 ) 3.1686 12.512 /2=2789.4 Pa =(5300.6+2789.4) 1.0 1=8090 殼程阻力損失在 1000-10000 之間，符合設(shè)計(jì)要求 2）管程阻力損失計(jì)算： 1）管程流體阻力 pt ( pipr )Ns NpFs Ns 1 , Np 2 ,pi i

33、 l u di 2 Re 0.02 1.23 990.0/(0.600 10 3 ) 40590 由 Re=40590，傳熱管絕對(duì)粗糙度 0.02 ，查莫狄圖得 i 0.0397 ，流 速 u=1.23m/s, 990.0kg / m3, 所以: 0.0397 4.5 1.232 990.0 0.02 2 6689Pa 3 990.0 1.232 2 2247 Pa p1 (6689 2247) 2 1.4 25020Pa 25020 Pa大于 10000Pa ，小于 100000pa， 所以： 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi) - 22 - 課程設(shè)計(jì) 2.4.2. 熱流量核算 管程給熱系屬 o 上

34、面以計(jì)算出 Re 0.02 1.23 990.0/(0.600 10 3 ) 40590 普朗特?cái)?shù)： Pr 3.93 i 0.023dii Re0.8Pr0.4 所以 i 0.023 0.64 405900.8 3.930.4 6185w / m2.k i 0.02 殼程給熱系數(shù) :經(jīng)計(jì)算為 , o =12378w / m2 .k 0.0001 0.00028 Ke Rido di RwdoRo1 ) dm Ke 1 0.00025 / 45) 1475w /m2 k 6185 所需傳熱面積為 : Q1 452300027.63m2 K e tm1475 111 面積裕度為： H Ap Ac

35、32.5 27.63 17.6% 27.63 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。 - 23 - 課程設(shè)計(jì) 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表： 換熱器型式：固定管板式 換熱器面積（ ）：32.5 工藝參數(shù) 名稱 管程 殼程 物料名稱 循環(huán)水 水蒸氣 操作壓力， MPa 常壓 0.6 操作溫度， 15/75 158.7/158.7 流量， kg/h 65000 8023 流體密度， kg/ m3 990.0 3.1686 流速， m/s 1.23 12.51 傳熱量， kw 4523 總傳熱系數(shù)， w/ k 1475 對(duì) 流 傳 熱 系 數(shù) ， w/ k 6185 12378 污垢系數(shù)， k/w 0.00028