傳熱器課程設(shè)計(jì)

1、環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：環(huán)境工程學(xué) 號(hào)：122209201109姓 名：李功達(dá)指導(dǎo)老師：張麗時(shí)間：2015年1月21日- 19 -目錄換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)II1方案確定11.1傳熱器簡(jiǎn)介11.2完善換熱器要求11.2.1合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件11.2.2安全合理11.2.3有利于安裝、操作與維修11.2.4經(jīng)濟(jì)合理21.3換熱器材質(zhì)的選擇21.4管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)21.5管板式換熱器的類(lèi)型及工作原理31.6.確定設(shè)計(jì)方案42.換熱器的工藝計(jì)算52.1.計(jì)算總傳質(zhì)系數(shù)52.1.1.熱流量52.2.2冷卻水用量52.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸62.3換熱器核

2、算72.3.1.熱流量核算72.3.2壁溫計(jì)算92.3.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力93換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果114附屬設(shè)備的選擇124.1管道與殼體連接124.2管板與殼體連接124.3換熱器的封頭124.4拉桿的數(shù)量與直徑的選取124.5導(dǎo)流筒124.6.接管的選擇135.設(shè)計(jì)評(píng)述136.參考文獻(xiàn)14換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1. 設(shè)計(jì)題目:用水冷卻注射甘油的列管換熱器的設(shè)計(jì)。2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（1） 處理能力:50000kg/h（2）設(shè)備型式：列管式換熱器（3）操作條件:甘油：入口溫度:120;出口溫度50冷卻介質(zhì)：水，入口溫度20，出口溫度30允許壓強(qiáng)降：小于101.3KPa（4）設(shè)計(jì)項(xiàng)目:

3、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。設(shè)計(jì)管道與殼體的連接,管板與殼體的連接。繪制換熱器總裝配圖。30%甘油的定性溫度: 密度01068.55kg/m³定壓比熱容Cp03.72kJ/kg熱導(dǎo)率00.543W/m粘度00.690mPasI水的定性溫度：密度i995.68kg/m³定壓比熱容Cpi4.178kJ/kg熱導(dǎo)率i0.6173W/m粘度i0.8022m Pas- 19 -1方案確定1.1傳熱器簡(jiǎn)介在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱(chēng)為熱交換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為換熱器。在換熱器中至

4、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。3540。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)。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(lèi)型也多種多樣，不同類(lèi)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(lèi)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、

5、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。1.2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。1.2.1合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件增大傳熱系數(shù)提高平均溫差妥善布置傳熱1.2.2安全合理?yè)Q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。1.2.3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。1.2.4經(jīng)

6、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。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(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，

7、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。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10號(hào)和20號(hào)碳鋼。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)

8、列排列居多，也有正三角形排列。1.4管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)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,在一般的工況條件下,換熱系數(shù)也可以3000-4000 W/m2K左右,是管殼式換熱器的35倍。（1）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1/31/4。(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

9、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。(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(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(lèi)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)較多,顆粒較大的

10、介質(zhì)。1.5管板式換熱器的類(lèi)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,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(guò)程都可以使用。雖然板式

11、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。1.6.確定設(shè)計(jì)方案1.6.1.選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度120出口溫度50；冷流體進(jìn)口溫度20，出口溫度為30，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷

12、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。1.6.2.管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使甘油走管程，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濺，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，甘油走殼程。152.換熱器的工藝計(jì)算2.1.計(jì)算總傳質(zhì)系數(shù)2.1.1.熱流量KW （2-1）平均傳熱溫差 （2-2）式中：, 求得平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) （2-3） 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)得：平均傳熱溫差 （2-4）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

13、合適。2.2.2冷卻水用量 （2-5）2.2.3計(jì)算傳熱面積求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得甘油和水之間的傳熱系數(shù)在290710 W/(.)之間，先取K值為500W/(.)計(jì)算由Q=KAtm得 () （2-6）2.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸（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u(mài)1=2m/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) （2-7）（3）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 （2-8）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=8m，則該換熱器的管程數(shù)為 （2-9）傳熱管總根數(shù)

14、（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=1.25d0，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=0.75，則殼體內(nèi)徑為： （2-10）按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=600mm（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=0.25×600=150m，故可取H=150mm取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×600=180mm，可取B為30

15、0mm。折流板數(shù) （2-11）2.3換熱器核算2.3.1.熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算得： （2-12）當(dāng)量直徑： （2-13）殼程流通截面積： （2-14）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： （2-15） （2-16）普朗特?cái)?shù)： （2-17）粘度校正： （2-18）（2） 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： （2-18）管程流體流通截面積： （2-19）管程流體流速： （2-20） （2-21）普朗特?cái)?shù)： （2-22） （2-23）（3）污垢熱阻和管壁熱阻：管外側(cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·K)。所以：（4）傳熱系數(shù) （2-24）（5）傳熱面積

16、裕度依式可得所計(jì)算傳熱面積Ac為： （2-25）該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：該換熱器的面積裕度為： （2-26）傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.3.2壁溫計(jì)算另外，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，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: （2-27），傳熱管平均壁溫度：殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為。2.3.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力（1）管程流體阻力 （2-28） （2-29）由Re=49

17、231.8，傳熱管粗糙度，相對(duì)粗糙度查莫狄圖得，流速u(mài)=1.944m/s,所以:77197.8Pa小于101315Pa所以：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程流體阻力 （2-30） （2-31） （2-32） -流體橫過(guò)管束的壓力降,Pa-流體通過(guò)折流擋板缺口的壓力降,Pa-殼程壓力降的垢層校正系數(shù),無(wú)銀次,對(duì)于液體取1.15，-殼程數(shù)管子的排列方式的壓力降的影響的校正因數(shù)，單殼程數(shù)管子為正三角形排列,管子排列方法對(duì)壓力降的校正系數(shù)橫過(guò)管束中心線的管子數(shù)折流擋板間距，折流擋板數(shù)殼程流通面積所以即殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi).3換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表3-1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型

18、式：浮頭式換熱器面積（）：123.3工藝參數(shù)名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)循環(huán)水甘油操作壓力，MPa0.1010.101操作溫度，20/3050/120流量，kg/s62.3310流體密度，kg/995.681068.55流速，m/s1.9940.2375傳熱量，kw2604總傳熱系數(shù)，w/·k635.9對(duì)流傳熱系數(shù)，w/·k7700.902194.6污垢系數(shù)，·k/w0.0001760.00058阻力降，KPa84.6207.49程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格管數(shù)204管長(zhǎng)，mm8000管間距，mm32排列方式正三角形折流擋板型式弓形間距，mm300切口高度25%殼體內(nèi)

19、徑，mm600保溫層厚度，mm項(xiàng)目數(shù)據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)殼徑D(DN)600mm管尺寸¢25mmX2.5管程數(shù)Np（N）2管長(zhǎng)l（L）6.0m管數(shù)n232管排列方式正三角形排列中心排管數(shù)nc16管心距32mm管程流通面積Si0.0314 m傳熱面積119.4m根據(jù)核算結(jié)果表明,所選型換熱器可用.4附屬設(shè)備的選擇4.1管道與殼體連接管子在管板上固定原則是必須保證管子與管板連接牢固,不能在連接處產(chǎn)生泄漏.由于操作壓力為常壓,故采用脹接法.脹接法是用脹接器擠壓伸入管板孔中的管子底部,使管端發(fā)生塑性變形,管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形.當(dāng)取出脹接管器后,管板孔彈性收縮,管板與管子就會(huì)緊緊擠壓在一起,實(shí)現(xiàn)密封緊

20、固.4.2管板與殼體連接管板與殼體連接形式分為兩類(lèi):可拆式和不可拆式.浮頭式的換熱器一采用管板本身不直接與殼體焊接,而通過(guò)殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定.殼體的設(shè)計(jì)壓力為101.3KPa小于1MPa且殼體介質(zhì)為非易燃易爆,非揮發(fā)性及有毒.故采用殼體壁厚4.3換熱器的封頭選用橢圓形封頭DN=600mm選用甲型平焊法蘭PN=0.6MPaD=715mm D1=680mm D2=650mm D3=640mm D4=637mmd=18mm4.4拉桿的數(shù)量與直徑的選取表4-1拉桿直徑mm換熱器外徑d拉桿直徑dn101216換熱器的外徑d=25mm所以拉桿直徑dn=16mm由于DN=600mm,dn=16mm查表可得拉桿數(shù)量為4個(gè)拉桿的長(zhǎng)度的確定螺紋的公稱(chēng)直徑dn=16mmLa=20mm Lb=60mm b=2.0mm4.5導(dǎo)流筒在殼程流體進(jìn)出口和管板間必存在一段流體不能流動(dòng)的空間（死角），所以常在管束外增設(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，提高傳熱效果。因壓力較低時(shí)常采用外導(dǎo)流筒4.6.接管的選擇殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)液體流速為則接管內(nèi)徑為取接管的公稱(chēng)直徑為70mm接管法蘭的選取的型