化工原理課程設(shè)計(jì)列管換熱器

1、課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告換熱器的設(shè)計(jì)-1 -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)年級(jí)專業(yè)設(shè)計(jì)者姓名2008 級(jí)化學(xué)工程與工藝劉國(guó)雄-2 -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)單位西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院-# -課程設(shè)計(jì)-3 -課程設(shè)計(jì)完成日期2010年11月25日-# -課程設(shè)計(jì)目錄概述1.1. 換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) -6 -1.2換熱器的結(jié)構(gòu)形式 -9 -2. 蛇管式換熱器-9 -3. 套管式換熱器-9 -1.3 換熱器材質(zhì)的選擇 -10 -1.4管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn) -11-1.5列管式換熱器的結(jié)構(gòu) -12 -1.6管板式換熱器的類型及工作原理 -13 -1.7確定設(shè)計(jì)方案-14

2、 -2.1設(shè)計(jì)參數(shù)-14 -2.2計(jì)算總傳熱系數(shù) -15 -2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸 -16 -2.4換熱器核算 -17 -2.4.1. 熱流量核算 -18 -2.4.2. 壁溫計(jì)算 -20 -換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 -21 -4 -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(kāi)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(wèn)世。隨著

3、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(guò)熱器等。換熱器按傳熱方式的不同可分為： 混合式、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)固定管板剛性結(jié) 構(gòu)用于管殼溫差較小的情況（一般W 50C），管間不 能清洗式:

4、帶膨脹 節(jié)有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合列U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難間 壁 式管 殼 式管 式填料函式外填料 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)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)熱器螺旋管式沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱廠噴淋式只用于管內(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

5、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)崮芷桨迨浇Y(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，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過(guò)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(guò)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(guò)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。

6、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(wú)相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)?這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)

7、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

8、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(wú)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(lái)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(wèn)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(shū)

9、1 設(shè)計(jì)題目煤油冷卻器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)課題工程背景：在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要將各種石油產(chǎn)品（如汽油、煤油、柴油等）進(jìn) 行冷卻，本設(shè)計(jì)以某煉油廠冷卻煤油產(chǎn)品為例， 讓學(xué)生熟悉列管式換熱器的設(shè)計(jì) 過(guò)程。設(shè)計(jì)的目的： 通過(guò)對(duì)煤油產(chǎn)品冷卻的列管式換熱器設(shè)計(jì)，達(dá)到讓學(xué)生了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念愋?，同時(shí)還能根據(jù)傳熱的基本原理， 選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。2 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件(1) 處理能力 (1.584,1.98，2.2176，2.4552，2.6928) X 104 噸/ 年煤油(2) 設(shè)備型式列管式換熱器(3) 操作條件 煤油：入口溫

10、度(140C、120C、100C)，出口溫度 40C 冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度 30r，出口溫度50r 允許壓強(qiáng)降：不大于105Pa 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行(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(shuō)明書(shū)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(shū))；(3) 論述換熱器總體結(jié)構(gòu)(換熱器型式、主要結(jié)構(gòu))的選擇；(4) 換熱器加熱過(guò)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

11、(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(shuō)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。4. 設(shè)計(jì)圖要求用594X 841圖紙繪制換熱器一張：一主視圖，一俯視圖，一剖面圖，兩個(gè)局部 放大圖。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(méi)有擋板時(shí)，其對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算方 法有何不同？(4) 說(shuō)明列管式換熱器的選型計(jì)算步驟？(5) 在換熱過(guò)程中，冷卻劑的進(jìn)出口溫度是按什么原則確定的？(6) 說(shuō)明常用

12、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(wèn)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

13、， 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 C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 °C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(wú)關(guān)。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清洗 和檢修，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，

14、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

15、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(lái)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(lái)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)雜的問(wèn)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 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(wú)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(wú)縫鋼管，其常用的材料為1

16、0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(kāi)來(lái)。 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

17、碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)4 MPa設(shè)計(jì)溫度不超過(guò)350C的場(chǎng)合。（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

18、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) 換熱效率咼，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,在一般的工況 條件下,換熱系數(shù)也可以在30004000 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(guò)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(guò)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

19、. 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(guò)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(kāi)夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。產(chǎn)品適用面廣設(shè)備最高耐溫可達(dá)180 C,耐壓2. OMPa ,特別適應(yīng)各種工藝過(guò)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)

20、，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 巾19X 2 mm巾25X 2 mm(1Crl8Ni9Ti)、巾25X 2.5 mm碳 鋼10)。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時(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)(A)(D)(巳圖1-4換

21、熱管在管板上的排列方式(A)正方形直列(B)正方形錯(cuò)列 (C)三角形直列(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(kāi)來(lái)。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(guò) 4 MPa設(shè)計(jì)溫度

22、不超過(guò) 350C的場(chǎng)合。(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程

23、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，采用搭扣式密圭寸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,可以達(dá)到250 C、2. 5MPa。因此同樣是板式換熱器，

24、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(guò)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(guò)外力將換熱板片夾緊組裝在一起，介質(zhì)通過(guò)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(guò)板片來(lái)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(guò)密封墊的分割，或者通過(guò)大量的焊縫來(lái)保證，在換熱板片 不開(kāi)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

25、進(jìn)口溫度 140C出口溫度40C ；冷流 體進(jìn)口溫度30 C，出口溫度為40 C，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)使煤油走管程，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 熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。密度p 0= 825kg/ m32.1設(shè)計(jì)參數(shù)煤油的定性溫度：丁 14040T90 C2定壓比熱容Cp0 = 2.20kJ/kg C熱導(dǎo)率入 0= 0.14W/mC粘度卩

26、 0= 0.715mPa s水的定性溫度:30 40 “ CT35 C2密度p i = 994.4kg/m3定壓比熱容Cpi = 4.143kJ/kg C熱導(dǎo)率入 i = 0.601W/ mC粘度卩 i = 0.955m Pa - s2.2計(jì)算總傳熱系數(shù)1、熱流量Q0 二m0Cp0 ：T =5976 2.20 (140-40)=1314720 kJ/h=365.68 KW平均傳熱溫差 tm1=( t1- t2)/ In ( t1/ t2)=(100-10)/ In (100/10)式中：.£=14040 =100 °C ,：t2 =40 30 = 10 °C求得氏

27、m =39 C2、冷卻水用量miCpit13147204.173 (40-30)-31505 (kg/h)-17 -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)3計(jì)算傳熱面積-# -課程設(shè)計(jì)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/（ m2. C ）左右，先取 K值為300W/（川.C ）計(jì)算由 Q=KA tm 得Qoatm365168300 37.44= 32.5 ( m2 )-18 -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸1管徑和管內(nèi)流速選用25X 2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼）,取管-# -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)內(nèi)流速 ui=5.5m/s。2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱

28、管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Ns=V 31505/(3600 994.3)“2 44 . 20.785 0.022 5.5di u 4按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng)=325:. 42m dons3.14 0.025 44按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)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，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為Np=L =42=6l 7傳熱管總根數(shù)Nt=44 X6=264-# -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)3. 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)R= 140 40 =1040-30P=40 - 300.0914030按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)得:= 0.96平均傳熱溫差二；心塑=0

29、.96 39 =37.44 °C由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8，同時(shí)殼程流體流量較大， 故取單殼程合適。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 o,貝S t=1.25 X 25=31.25 32 mm隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計(jì)算S二"2+6=32/2+6=22mm-19 -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)各程相鄰管的管心距為44 mm。5. 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n =0.75，則殼體內(nèi)徑為：D=1.05tNt/=1.05 32 104/0.75 = 400m

30、m按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=400mm6. 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=0.25X 400=100m 故可 取 h=100mm取折流板間距 B=0.3D,貝S B=0.3 X 400=120mm可取 B為 150mm折流板數(shù)目N=傳熱管長(zhǎng)折流板間距十1201 = 57.6 ： 58-# -課程設(shè)計(jì)-20 -課程設(shè)計(jì)2.4換熱器核算-# -課程設(shè)計(jì)2.4.1.熱流量核算(1) 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算得:=0.36丄 Re00.55 Pr'3(de)0.14當(dāng)量直徑:de4 3t22do2do=0.02m殼程流通截面積:So

31、= BD(1 _ do ) =450 400(1 _ 25) t32= 0.0096殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為:uo5976/(3600 90)0.0096= 0.21m/sRe。0.020.21 901.5 10= 25185普朗特?cái)?shù):p=3297103510 二.7730.0279粘度校正:)0.14二 0.360.02790.02251850.55 1.773 "32= 925.5w/m K(2) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：i巾陀胡屮管程流體流通截面積:2264- ccccSi =0.785 0.020.03962管程流體流速：31505/(3600x 994.3),ui0.046m

32、/s0.0396Re = 0.02 1.306 994.3/(0.742 10)=35002普朗特?cái)?shù)：334.174 沢 10 疋 0.742 決 10“Pr4.960.624=0.023 0.624 350020'8 4.9604 = 5887w/m2.k0.02(3) 污垢熱阻和管壁熱阻：管外側(cè)污垢熱阻 R = 0.0004m2 k/w管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 R = 0.0006m2 k/w管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m K)所以：0.00252Rw0.00005m2 k/w50(4)傳熱系數(shù)Ke :KeRidoRwd。di dm21=400w/m kR _)(5)傳熱面積

33、裕度依式3-35可得所計(jì)算傳熱面積Ac為:Qi二注=20m2Ke ：tm 400 39：o該換熱器的實(shí)際傳熱面積為 ApAp 二曲丿“丁 =3.14 0.025 7 264 = 24m2該換熱器的面積裕度為：Ap - 代 24 -20H p -二24 20 =16.1%Ac20傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)2.4.2.壁溫計(jì)算因?yàn)楣鼙诤鼙?，而且壁熱阻很小。冬季操作時(shí)，循環(huán)水的 進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為30C,出口溫度為40 C計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在 操作初期，污垢熱阻較小，

34、殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算 中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是有式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度分別計(jì)算為tm =0.4 X 39+0.6 X 15=24.6 °CTm =(140+40)/2=90 C:c =、=5887w/mk：h = o =925.5w/ 川.k傳熱管平均壁溫tw 二 35.4 C殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90C。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為.譏=90 一 35.4二54.6 C。2.4.3 .換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力(1) 管程流體阻力 Pt = Cp：Pr)NsNpFsNs =1 , Np =2 ,Pi =l ?u2idi 2-25 -課程設(shè)計(jì)-# -課程設(shè)計(jì)由Re=25185傳熱管對(duì)粗糙度0.01，查莫狄圖得 0.04，流速u=0.55m/s,994.3kg/m3,所以:270.55 x 994.3廠= 0.042129.8Pa0.02:Pr2 =3&qu