管殼式換熱器課程設(shè)計(jì) (2)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 </p><p>　　設(shè)計(jì)概述 </p><p>　　試算并初選換熱器規(guī)格

2、 </p><p>　　1. 流體流動(dòng)途徑的確定 </p><p>　　2. 物性參數(shù)及其選型 </p><p>　　3. 計(jì)算熱負(fù)荷及冷卻水

3、流量 </p><p>　　4. 計(jì)算兩流體的平均溫度差 </p><p>　　5. 初選換熱器的規(guī)格 </p><p>　　工藝計(jì)算

4、 </p><p>　　1. 核算總傳熱系數(shù) </p><p>　　2. 核算壓強(qiáng)降 </p><p>

5、　　經(jīng)驗(yàn)公式 </p><p>　　設(shè)備及工藝流程圖 </p><p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 </p

6、><p>　　設(shè)計(jì)評述 </p><p>　　參考文獻(xiàn) </p><p>　　工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　一

7、、設(shè)計(jì)題目：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器</b></p><p><b>　　二、操作條件：</b></p><p>　　1、苯：入口溫度80℃，出口溫度40℃。</p><p>　　2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度35℃。</p><p>

8、　　3、允許壓強(qiáng)降：不大于50kPa。</p><p>　　4、每年按300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。</p><p><b>　　三、設(shè)備型式：</b></p><p><b>　　管殼式換熱器</b></p><p><b>　　四、處理能力：</b></p>

9、<p><b>　　99000噸/年苯</b></p><p><b>　　五、設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　1、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。</p><p>　　2、管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3、設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。

10、</p><p>　　4、設(shè)備簡圖。（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）</p><p>　　5、對本設(shè)計(jì)的評述及有關(guān)問題的討論。</p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)概述</b></p><p>　　1.1熱量傳遞的概念與意義</p><p><b>　　1.熱量傳遞的概念</b&g

11、t;</p><p>　　熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。</p><p>　　2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系</p><p>　　化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，

12、例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用?？傊?，無論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。</p&

13、gt;<p>　　應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴(kuò)展。</p><p><b>　　3.傳熱的基本方式</b></p><p>　　根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方

14、式：</p><p>　?。?）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。</p><p>　?。?）熱對流（簡稱對流） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生

15、相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對流。</p><p>　　此外，流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。</p><p>　?。?）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。</p><p&g

16、t;　　1.2換熱器的概念及意義</p><p>　　在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進(jìn)行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動(dòng)力，原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備

17、，對于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中，有時(shí)作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo)地位。</p><p>　　【表】換熱器設(shè)計(jì)要求</p><p>　　3、管殼式換熱器的簡介</p><p>　　管殼式換熱器是目前應(yīng)

18、用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。</p><p><b

19、>　　1）工作原理：</b></p><p>　　管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。</p><p><b&g

20、t;　　2）主要技術(shù)特性：</b></p><p>　　一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性：</p><p>　　1、耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用；</p><p>　　2、制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟；</p><p>　　3、選材廣泛，適用范圍大。</p><p>　　

21、二 試算并初選換熱器規(guī)格</p><p>　　1.流體流動(dòng)途徑的確定</p><p>　　本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且均不易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇苯走換熱器的管程，循環(huán)水走殼程。</p><p>　　2.確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式</p><p>　　冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，取入口溫度為：25

22、℃，出口溫度為：（25＋5～10） ℃</p><p><b>　　苯的定性溫度： ℃</b></p><p><b>　　水的定性溫度： ℃</b></p><p><b>　　兩流體的溫差： ℃</b></p><p><b>　　化</b></

23、p><p>　　由于兩流體溫差不大于50℃，故選用固定管板式列管換熱器.</p><p>　　查《化學(xué)工程手冊》——化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　P265圖4－21表4－33 可有：</p><p>　　0.381=0.381mPa·s</p><p>　　0.825=0.825mPa&

24、#183;s</p><p>　　P238圖4－15表4－16 可有：</p><p>　　0=1.828KJ/(㎏·oC)</p><p>　　4.176KJ/(㎏·oC)</p><p>　　P274圖4－28(2)液體導(dǎo)熱系數(shù) 可有：</p><p>　　0.151W/(m·oC

25、)</p><p>　　=0.613W/(m·oC)</p><p>　　查《化工手冊》上卷 山東科學(xué)技術(shù)出版社</p><p>　　兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下: </p><p>　　3．計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量</p><p>　　4．計(jì)算兩流體的平均溫度差</p><p>

26、　　暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算，逆流時(shí)平均溫度差為：</p><p><b>　　而 </b></p><p>　　由《化工原理》上冊頁查圖4－19可得:</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　又因?yàn)?.96>，故可選用單殼程的列管換熱器。</p>

27、<p>　　5．試算和初選換熱器的規(guī)格</p><p>　　根據(jù)低溫流體為水，高溫流體為有機(jī)物（參見《化工原理》P355）有K值的范圍：430～850W/(·oC）, 假設(shè)</p><p>　　又因?yàn)楸阶吖艹糖页踹x，L= 4.5m的列管，所以設(shè) </p><p><b>　　由 可求得：</b></p>

28、<p>　　單管程的管子根數(shù)： </p><p><b>　　管程數(shù)： </b></p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　將這些管子進(jìn)行排列有圖如下：</p><p>　　據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為：</p><p><

29、;b>　　實(shí)際傳熱面積</b></p><p>　　若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：</p><p><b>　　℃）</b></p><p><b>　　三 工藝計(jì)算</b></p><p>　　1. 核算總傳熱系數(shù)</p><p>

30、　　）計(jì)算管程對流傳熱系數(shù)</p><p>　?。ㄅc假設(shè)相一致 合適）</p><p>　　圖 殼程摩擦系數(shù)f與Re的關(guān)系</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　2）計(jì)算殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：</p>&

31、lt;p>　　式中 折流擋板間距，取300；</p><p><b>　　管中心距，對，。</b></p><p><b>　　因?yàn)?</b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　由正三角形排列得：</b><

32、/p><p>　　因?yàn)?在～范圍內(nèi)，故可用下式計(jì)算 </p><p>　　殼程中水被加熱，取 ， </p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　?。┐_定污垢熱阻 </b></p&

33、gt;<p>　　管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為：</p><p><b>　　）總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　因?yàn)楸綖橛袡C(jī)物，管子材料選用不銹鋼，取其導(dǎo)熱系數(shù)為(m·oC)，總傳熱系數(shù)為：</p><p>　　由前面計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)，要求過程的總傳熱系數(shù)為，在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的為，其

34、安全系數(shù)為：</p><p><b>　?。ィ?lt;/b></p><p>　　故所選擇的換熱器是合適的。</p><p><b>　　2. 核算壓強(qiáng)降</b></p><p><b>　?。┯?jì)算管程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　前面已算出：， （湍

35、流）</p><p>　　取不銹鋼管壁粗糙度 則，由《化工原理》上冊第一章P54的關(guān)系圖中查得： 8</p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　對于的管子 4，Ns=1</p><p><b>　　）計(jì)算殼程壓強(qiáng)降</b></p><p><

36、b>　　其中 </b></p><p>　　管子為正三角形排列，取F=0.4</p><p><b>　　取折流擋板間距 </b></p><p><b>　　折流擋板數(shù)：</b></p><p><b>　　殼程流通面積 </b></p>&l

37、t;p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　由上面計(jì)算可知，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿足題目要求，故所選換熱器合適。</p><p>　　四. 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表</p><p><b>　　五．經(jīng)驗(yàn)公式</b></

38、p><p>　　1.管程對流傳熱系數(shù)，可用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式：</p><p>　　2.殼程對流傳熱系數(shù)，可用關(guān)聯(lián)式計(jì)算：</p><p>　　3.管程壓強(qiáng)降可用：</p><p>　　4.殼程壓強(qiáng)降可用埃索法：</p><p>　　六．設(shè)備及工藝流程圖</p><p><b>　　七．

39、設(shè)計(jì)評述</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解，同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，我也掌握了一定的工藝計(jì)算方法。</p><p>　　換熱器是化工廠中重要的化工設(shè)備之一，而且種類繁多，特點(diǎn)不一，因此，選擇合適的換熱器是相當(dāng)重要的。在本次設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)進(jìn)行換熱器的選擇和設(shè)計(jì)是要通過反復(fù)計(jì)算，對各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行比較后，從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設(shè)計(jì)，

40、為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮很多方面的因素。</p><p>　　首先要滿足傳熱的要求，本次設(shè)計(jì)時(shí)，由于初選總傳熱系數(shù)不合適，使規(guī)定條件下的計(jì)算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi)，因此，經(jīng)過多次計(jì)算，才選擇到合適的K值為，計(jì)算結(jié)果為，安全系數(shù)為16.8%，滿足要求。</p><p>　　其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類型，通過分析操作要求及計(jì)算，本次設(shè)計(jì)選用換熱器為上述計(jì)算結(jié)果。<

41、/p><p>　　再次，從壓強(qiáng)降來看，管程約為10401Pa，殼程約為4432Pa，都低于要求值（50kPa），因此，可適當(dāng)加大流速，從而加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低污垢熱阻，然而，流速增加，流動(dòng)阻力也會(huì)隨之增大，動(dòng)力消耗就增多，因此，作出經(jīng)濟(jì)衡算在確定流速時(shí)是相當(dāng)重要的。</p><p>　　此外，其他因素（如加熱和冷卻介質(zhì)用量，換熱器的檢修和操作等），在設(shè)計(jì)時(shí)

42、也是不可忽略的。根據(jù)操作要求。</p><p>　　在檢修和操作方面，固定管板式換熱器由于兩端管板和殼體連接成一體，因此不便于清洗和檢修。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，在滿足傳熱要求的前提下，考慮了其他各項(xiàng)問題，但它們之間是相互矛盾的。如：若設(shè)計(jì)換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導(dǎo)致流體通過換熱器的壓強(qiáng)降（阻力）增大，相應(yīng)地增加了動(dòng)力費(fèi)用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)或壓強(qiáng)降減小，但

43、卻又受到換熱器所能允許的尺寸限制，且換熱器的造價(jià)也提高了。因此，只能綜合考慮來選擇相對合適的換熱器。</p><p>　　然而在本次設(shè)計(jì)中由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識(shí)有限，還是存在著很多問題。比如在設(shè)計(jì)中未考慮對成本進(jìn)行核算，僅在滿足操作要求下進(jìn)行設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)上是否合理還有待分析。在設(shè)計(jì)的過程中我發(fā)現(xiàn)板式換熱器采用同一板片組成不同幾何尺寸和形狀的流道（非對稱流道）解決了兩側(cè)水流量不等的問題，同時(shí)與對稱結(jié)構(gòu)相比具有相同的耐壓

44、性和使用壽命?？傊ㄟ^本次設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己需要繼</p><p>　　學(xué)習(xí)的知識(shí)還很多，我將會(huì)認(rèn)真請教老師，不斷提高自己的知識(shí)水平，擴(kuò)展自己的知識(shí)面。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 柴誠敬編著.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2006.03.01</p><p>