化工原理課程設(shè)計(jì)固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)課題名稱 固定管板式換熱器的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 食品091班 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 程謙偉 2011年12月固定管板式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：煤油冷卻器的設(shè)計(jì)（6人/組）二、設(shè)計(jì)任務(wù)1.煤油處理能力： 12萬(wàn)噸/年煤油2.設(shè)備形式：固定管板式換熱器3.操作條件： 煤油：入口溫度120，出口溫度40 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40 允許壓降：不大于105pa 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行3、 設(shè)計(jì)要求1. 根據(jù)換熱任務(wù)設(shè)計(jì)確定設(shè)計(jì)方案2. 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸3. 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力4. 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)5. 進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的

2、繪制（a1圖紙）6. 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書7. 小組組員分工合作。目錄一、概述51.換熱器的選擇及特點(diǎn)52.通過(guò)殼程、管程流體的確定53.流速的確定64.管子的規(guī)格和排列方法65.管程和殼程數(shù)的確定66.折流擋板77.最后材料選用78.其他構(gòu)件的選用  7二、確定設(shè)計(jì)方案8三、確定物性數(shù)據(jù)8四、計(jì)算總傳熱系數(shù)91.熱流量92.平均傳熱溫差93.冷卻水用量94.總傳熱系數(shù)k9五、計(jì)算傳熱面積10六、工藝結(jié)構(gòu)尺寸101.管徑和管內(nèi)流速102.管程數(shù)和傳熱管數(shù)113.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)114.傳熱管排列和分程方法125.殼體內(nèi)徑126.折流板127.接管13七、換熱器計(jì)算131.熱量核算1

3、3（1）殼程對(duì)流傳熱系數(shù)13（2）管程對(duì)流傳熱系數(shù)14（3）傳熱系數(shù)k15（4）傳熱面積s152.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力16（1）管程流動(dòng)阻力16（2）殼程阻力16八、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果17膨脹節(jié)18殼體壁厚18封頭設(shè)計(jì)18鞍座18拉桿的直徑和數(shù)量18九、設(shè)計(jì)小結(jié)18十、文獻(xiàn)參考19十一、主要符號(hào)說(shuō)明20十二、附錄21表1.流體的污垢熱阻21表2.流體的污垢熱阻21表3. 管殼式換熱器中常用的流速范圍21表4.某些工業(yè)管材的絕對(duì)粗糙度21表5.gb-151-199922表6.拉桿直徑的選取22表7.拉桿數(shù)量22圖1.對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù)23圖2.關(guān)系24一、概述根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流

4、體的溫度，來(lái)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(lái)選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，冷流體走管程，熱流體走殼程。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6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來(lái)就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。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)

5、行計(jì)算，如果在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)就能完成任務(wù)。1.換熱器的選擇及特點(diǎn)在設(shè)計(jì)任務(wù)書中，老師已明確的給出換熱器是固定管板式。經(jīng)查閱資料，固定管板式具有以下特點(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)垢的流體，比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進(jìn)口溫度為30，出口溫度為40；熱流體煤油的進(jìn)口溫度為120，出口溫度為40。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大，因此初步確定選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器2.通過(guò)殼程、管程流體的確定通過(guò)殼程、管程流體的確定應(yīng)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

6、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) 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)，由于流速和流向的不斷改變，在低re(re>1

7、00)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。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，煤油走殼程。3.流速的確定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(guò)經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(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(wèn)題。在本次

8、設(shè)計(jì)中，根據(jù)表?yè)Q熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速。4.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(guò)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。在這里，我們選擇列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中的25×2.5mm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46(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6m。管子在管板上的排列方法有等邊三角形、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

9、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?。在這里選擇等邊三角形排列。 5.管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問(wèn)題。列管式換熱器的系

10、列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。6.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，切缺率通常為20%50%，過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)b為外殼內(nèi)徑d的(0.21)倍。板間距過(guò)小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過(guò)大，流體就難于垂直地流過(guò)管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。7.最后材料選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(lái)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

11、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)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。這里選用的材料為碳鋼8.其他構(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400mm)，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。（3）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(guò)這個(gè)空間。 （4）放氣孔、排液孔 

12、;換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 （5）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。二、確定設(shè)計(jì)方案1. 該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進(jìn)口溫度為30，出口溫度為40；熱流體煤油的進(jìn)口溫度為120，出口溫度為40。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，選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2. 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，煤油走殼程。3. 選用25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.0 m/s三、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值殼程煤油的定性溫度為管程流體的定性溫

13、度為根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在80下的物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35下的物性數(shù)據(jù)密度0=812 kg/m3密度i=994.1 kg/m3定壓比熱容cpo=2.28 kj/(kg·)定壓比熱容cpi=4.175 kj/(kg.)導(dǎo)熱系數(shù)o=0.141 w/(m·)導(dǎo)熱系數(shù)i=0.624 w/(m.)粘度o=0.00084 pa·s粘度i=0.000725 pa.s四、計(jì)算總傳熱系數(shù)1.熱流量2.平均傳熱溫差 ()3.冷卻水用量4.總傳熱系數(shù)k管程傳熱系數(shù) w/(m2·)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)0=300 w/(m2·)

14、根據(jù)附錄中表1.和表2.流體的污垢熱阻可得污垢熱阻rsi=0.000344 m2·/wrso=0.000172 m2·/w管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45 w/(m·) =234.86 w/(m2·)五、計(jì)算傳熱面積考慮15%的面積裕度， 六、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5傳熱管（碳鋼），根據(jù)附錄中表3.管殼式換熱器中常用的流速范圍,取管內(nèi)流速ui=1.0 m/s2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) （根） 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該換熱器管程

15、數(shù)為（管程）傳熱管總根數(shù)（根）3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查附錄中圖1.對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù)。但r=8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，可得 =0.83平均傳熱溫差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=1.25do，則橫過(guò)管束中心線的管數(shù)（根）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)徑為圓整可取d=650 mm。6.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板的切缺率為25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×650=1

16、62.5(mm),故可取h=160mm。取折流板間距b=0.3d，則b=0.3×650=195(mm)，可取b為200mm。折流板數(shù) (塊)折流板圓缺面水平裝配。7.接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為130mm。七、換熱器計(jì)算1.熱量核算（1）殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板，可采用克恩公式當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準(zhǔn)數(shù)粘度校正w/(m2·)（2）管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流

17、速雷諾數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)w/(m2·)（3）傳熱系數(shù)k =356.21 w/(m2·)（4）傳熱面積s該換熱器的實(shí)際傳熱面積sp、該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力（1）管程流動(dòng)阻力根據(jù)附錄中表4.某些工業(yè)管材的絕對(duì)粗糙度可得，傳熱管的絕對(duì)粗糙度=0.1，所以相對(duì)粗糙度由，查附錄中圖2.關(guān)系圖可得， w/(m·) 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程阻力流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過(guò)折流板缺口的阻力 殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。八、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果固定管板式換熱器規(guī)格尺寸和計(jì)算結(jié)果如下：工藝參數(shù)換熱器型式：

18、固定管板式名稱管程殼程換熱面積：101.24物料名稱循環(huán)水煤油設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)操作壓力,0.40.3管數(shù)/根236操作溫度,30/40120/40管程數(shù)4流量,kg/h65532.9315000管間距,mm32流體密度，kg/m3994.1812間距，mm200流速，m/s0.990.180殼體內(nèi)徑，mm650傳熱量，kw760管長(zhǎng)，mm6000總傳熱系數(shù)，w/m2·356.21排列方式正三角形表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，w/m2·4755.38531.71管子規(guī)格25*2.5污垢系數(shù)，m2·k/w0.0003440.000172折流板型式圓缺形折流板流動(dòng)阻力，pa68747.86

19、4623.66折流板數(shù)/個(gè)29膨脹節(jié)因?yàn)楣軆?nèi)平均溫度35，管外平均溫度80，80-35=45<50。所以不需要膨脹節(jié)。殼體壁厚查gb-151-1999（附錄中表5),得圓筒厚度為：10 mm封頭設(shè)計(jì)上下均選橢圓形封頭 jb/t4737-2002標(biāo)準(zhǔn)，dn650×2鞍座查jb/t4712-92 ，dn=650.mm，選用b1型鞍式支座l>3000mm，lb=(0.50.7)l，此取lb=4000拉桿的直徑和數(shù)量根據(jù)附錄中表6.拉桿直徑的選取，取得拉桿直徑為16mm。根據(jù)附錄中表7.拉桿數(shù)量，取得拉桿數(shù)量為4根。九、設(shè)計(jì)小結(jié)十、文獻(xiàn)參考1 賈紹義，柴誠(chéng)敬 主編化工原理課程設(shè)計(jì)

20、m.天津：天津大學(xué)出版社，2002.82 譚天恩，竇梅，周明華等主編化工原理:上冊(cè)m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.43 秦叔經(jīng)，葉文邦等編換熱器m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.124 潘繼紅等管殼式換熱器的分析與計(jì)算m北京：科學(xué)出版社，19965 化工設(shè)備技術(shù)全書編委會(huì)換熱器設(shè)計(jì)m上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，19886 匡國(guó)柱，史啟才化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)m北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20027 錢頌文主編. 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)m. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社. 2002十一、主要符號(hào)說(shuō)明英文字母t-煤油溫度，b-折流板間距，mmu-流速，m/scp-定壓比熱容，kj/(kg·)wi-循

21、環(huán)水用量 ，kg/hd-管徑，mm希臘字母d-殼體內(nèi)經(jīng)，mm-對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2·)h-折流板圓缺高度，mm-導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·)k-總傳熱系數(shù)，w/(m2·)=絕對(duì)粗糙度l-長(zhǎng)度，m-粘度，pa·sl-長(zhǎng)度，m-密度，kg/m3n-管數(shù)-校正系數(shù)n-程數(shù)p-壓強(qiáng)，pa下標(biāo)q-熱流量，kj/ho-管外rs-污垢熱阻，(m2·)/wi-管內(nèi)s-傳熱面積，m2e-當(dāng)量t-循環(huán)水溫度，m-平均t-管心距，mm十二、附錄表1.流體的污垢熱阻加熱流體溫度。小于115115205水的溫度，小于25大于25水的速度，（m/s）小于1.0大于1.0小于

22、1.0大于1.0污垢熱阻，(m2·/w)：海水0.8598×10-41.17197×10-4自來(lái)水，井水，鍋爐軟水1.17197×10-43.4394×10-4蒸餾水0.8598×10-40.8598×10-4硬水5.1590×10-48.5980×10-4河水5.1590×10-43.4394×10-46.8788×10-45.1590×10-4表2.流體的污垢熱阻流體名稱污垢熱阻(m2·/w)流體名稱污垢熱阻(m2·/w)流體名稱污垢熱阻(m2·/w)有機(jī)化合物蒸氣0.8598×10-4有機(jī)化合物1.17197×10-4石腦油1.17197×10-4溶劑蒸氣1.17197×10-4鹽水1.17197×10-4煤油1.17197×10-4天然氣1.17