列管式換熱器系列標準化選型課程設計

1、<p><b>　　*目錄</b></p><p><b>　　*課程設計任務書</b></p><p><b>　　*設計方案論證</b></p><p><b>　　*選取數據論證</b></p><p><b>　　*工藝設計計算

2、</b></p><p><b>　　*設計結果匯總</b></p><p>　　*設計評述及設計者對本設計有關問題</p><p><b>　　的討論</b></p><p><b>　　*參考文獻</b></p><p>　　化工原理課程

3、設計任務書</p><p><b>　　一、課程設計的擬題</b></p><p>　　列管式換熱器系列標準化選型課程設計</p><p><b>　　設計題目</b></p><p>　　某廠用原油回收柴油的熱量，柴油從175℃冷卻至130℃，柴油流量為14300 kg/h；原油初溫為70℃，經換

4、熱后升溫到110℃。換熱器的熱損失可忽略。管、殼程阻力壓降均不大于105Pa。污垢熱阻均取0.0002㎡·℃/W。試選用一臺合適型號的列管式換熱器。</p><p><b>　　相關物性參數如下：</b></p><p>　　二、課程設計的目的和意義</p><p>　　列管式換熱器系列標準化選型課程設計是在學生學完本門課程以后進行的

5、一個具有總結性的教學環(huán)節(jié)。它是培養(yǎng)學生綜合運用本門課程和其他有關課程的理論和技術知識解決工程實際問題，樹立正確的設計思想和方法，進一步提高計算和使用技術資料能力的重要實踐。</p><p>　　通過課程設計，可使學生更為系統(tǒng)和鞏固地掌握本課程的主要內容，使學生初步學會設計計算的步驟和方法，培養(yǎng)學生能從理論上的正確性、技術上的可能性和經濟上的合理性、來考慮設計的內容，樹立正確的設計思想，從而使學生受到一次化工單元操

6、作設計的基本訓練，為以后的畢業(yè)設計和從事技術工作打下基礎。</p><p><b>　　三、課程設計的要求</b></p><p>　　課程設計的主要目的是通過學生自己動手進行設計的實踐，獲取從事工程設計工作的能力。因此，對設計成果的要求應該嚴格。</p><p>　　課程設計不同于做習題，它是學生在教師的指導下獨立地完成一個課題的設計。它包括

7、查閱資料、選用公式、搜集數據并進行一系列的計算，對設計參數的選擇和確定、提出保證過程正常進行的措施、對設計結果進行分析比較和論證、調整和修改有關參數、提出改進措施等，進而得到優(yōu)化的設計結果。</p><p>　　在上述整個設計計算、修改等過程完畢后，用準確的文字語言編寫出技術文件即設計說明書，此說明書要能清晰地表達自己的設計思路，并裝訂成冊呈交上來，就成為完整的化工原理課程設計。</p><p

8、>　　設計說明書的要求是：分析論證充分（包括設計方案的論證及各種參數的論證）、計算正確、準確，而且說明書要條理清楚、文字流暢、字跡工整。</p><p>　　說明書是設計的書面總結。應包括以下主要內容：</p><p>　　封面（課程設計大題目、專業(yè)、班級、姓名、學號、指導教師）</p><p><b>　　目錄</b></p>

9、;<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p><b>　　設計方案論證</b></p><p><b>　　選取數據論證</b></p><p><b>　　工藝設計計算</b></p><p><b>　　設計結果

10、匯總</b></p><p>　　設計評述及設計者對本設計有關問題的討論</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　課程設計說明書的用紙大小全班同學要統(tǒng)一，不要有大有小，電腦打印紙那樣大小最好。</p><p>　　四、課程設計的時間安排</p><p>　　現(xiàn)

11、在以總設計的時間5天為例，提出各階段的時間分配供參考。</p><p>　　1、設計動員 下達設計任務書 0.5天</p><p>　　2、收集資料 閱讀教材定計劃 0.5天</p><p>　　3、設計計算（草稿） 2.5天</p><p>　　4、整理.抄寫說明書

12、 1 天</p><p>　　5、設計小結.考核 0.5天</p><p>　　五、課程設計成績評定</p><p><b>　　平時考勤10%</b></p><p><b>　　設計態(tài)度20%</b></p><p><b&g

13、t;　　設計計算50%</b></p><p><b>　　設計分析論證20%</b></p><p><b>　　設計方案的論證</b></p><p>　　列管式換熱器種類的選擇 </p><p>　　列管式換熱器又稱殼式換熱器，在化工生產中被廣泛使用。它的結構簡單、堅固、制造較容

14、易，處理能力大，適應性強，操作彈性大，尤其是在高溫、高壓和大型設置中使用更為普遍。</p><p>　　列管式換熱器有三種：</p><p><b>　　固定檔板式換熱器</b></p><p>　　優(yōu)點：結構簡單，造價較低。</p><p>　　缺點：當冷流體與熱流體溫度相差較大時（50℃以上時），可引起很大的內應力，

15、是設備變形，管子彎曲，甚至從管板上脫落。殼程檢修和清洗也很困難。</p><p>　?。ㄓ捎谡n程設計中，冷熱流體的溫度相差105℃，故不適合用固定檔板式換熱器。）</p><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p><p>　　這種換熱器有一端不與殼程相連，可沿軸向自由伸縮。</p><p>　　優(yōu)點：可以完全消除

16、熱應力，而且在清洗和檢修時，整個管束可以從殼體中抽出，方便清洗。</p><p>　　缺點：結構復雜，造價較高。</p><p><b>　　U型管式熱換器</b></p><p>　　優(yōu)點：每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償的問題，結構簡單，質量較輕，適用于高溫高壓條件。</p><p>　　缺點：管內不易清洗，管板

17、利用率低，只適用于2管程的。</p><p>　　綜上考慮,由于冷熱流體的溫度相差105℃，故不適合用固定檔板式換熱器。由于U型管式換熱器只適用于2管程的，可能需要的管程數不止2管程，故該課程設計選擇浮頭式換熱器。</p><p>　　2.流體經管程或殼程的選擇</p><p>　　不清潔或者易結垢的流體宜走易清洗的一側。對于直管管束，宜走管程，對于U型管管束，宜走

18、殼程。</p><p>　　腐蝕性流體宜走管程，以免同時腐蝕殼體和管束。</p><p>　　壓力大的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。</p><p>　　為增大對流傳熱系數，需要提高流速的流體宜走管程。因為管程的流通截面積一般比殼程的小，并且做成多管程也比較容易。</p><p>　　兩流體溫差較大時，對于固定檔板式換熱器，宜將對流傳熱

19、系數大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫度差，減小熱應力。</p><p>　　蒸汽冷凝宜走殼程，以利于排除冷凝液。</p><p>　　需要冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。但溫度很高的流體，其熱量可以利用，宜選管程，減小熱損失。</p><p>　　黏度大或流速較小的流體宜走殼程，因為有折流擋板的作用，在低Re下即可達到湍流。</p><p>

20、;　　綜合以上8點的考慮。并且要充分利用柴油的熱量，減小熱損失。并且μ柴油=0.64×10-3Pa﹒s比較小，而μ原油=3×10-3Pa﹒s比較大。故選擇柴油走管程，原油走殼程。</p><p><b>　　選取數據論證</b></p><p><b>　　流體流速的選擇</b></p><p>　　流

21、體在殼程或者管程中的流速增加，不僅對流傳熱系數會增加，也可以減少雜質沉積和結垢，但流體阻力也相應增加。由于μ柴油=0.64×10-3Pa﹒s，再由表4-10可以得出其最大流速為2.4m/s，由表4-9得低黏度液體在管程中的流速為0.5-3m/s,。由于流速不宜太大，不然流體阻力也會增大，就會增大成本。故綜合考慮后，選取柴油在管程中的流速u1=1m/s。</p><p>　　表4-9 列管式換熱器內常用

22、的流速范圍</p><p>　　表4-10 不同黏度液體在列管式換熱器中的流速（在鋼管中）</p><p>　　換熱器的規(guī)格和排列方式</p><p>　　標準系列中，管徑有Ø19mm×2mm、Ø25mm×2mm、Ø25mm×2.5mm等規(guī)格。</p><p>　　標準系列中，管長

23、有3m、4.5m、6m、9m等規(guī)格。</p><p>　　由于柴油中可能含有比較多的雜質，為避免管子的堵塞，易選管徑大一點的。也方便管子的清洗。 </p><p>　　但其污垢熱阻取0.2m2·℃/kw,由表4-6得燃料油的污垢熱阻為1.056m2·℃/kw，可見其污垢熱阻并不大。</p><p>

24、　　綜合兩方面考慮可以取管徑Ø25mm×2.5mm規(guī)格。</p><p>　　表4-6 常用流體的污垢熱阻</p><p>　　管板上管子的排列方式常用的有正三角形排列、正方形直列、正方形錯列三種方式。</p><p>　　正三角形排列較緊湊，傳熱效果好，但管外不易清洗。</p><p>　　正方形排列則管外易清洗，但傳熱

25、系數小于正三角形排列，但正方形錯列可以適當的提高傳熱系數。</p><p>　　綜合考慮，為了方便清洗，也為了提高傳熱系數。故選擇排列方式為正方形錯列。</p><p><b>　　折流擋板的選擇</b></p><p>　　換熱器內安裝折流擋板是為了提高殼程流體的對流傳熱系數。常見的有圓缺型和圓盤形兩種。</p><p&g

26、t;　　但常用的為圓缺形折流擋板。對于圓缺形的擋板，弓形切口太大或太小都會產生流動“死區(qū)”，不利于傳熱，且增大流動阻力。一般切口高度與直徑之比為0.15-0.45，常見的為0.20和0.25兩種。由于工業(yè)上最常用的為切口高度與直徑之比為0.25，故選擇折流擋板為圓缺形，且切口高度與直徑之比為0.25。</p><p>　　擋板間距過小，檢修不方便，流體阻力也大。間距過大，不能保證流體垂直流過管束，使對流傳熱系數降

27、低。一般取擋板間距為殼程內徑的0.2-1.0倍，常用的擋板間距為50mm的倍數，但不小于100mm。經簡單計算殼程內徑大概在400-600mm之間，故取擋板間距h=150mm。</p><p>　　由于當Ø19mm時管中心距t=25.4mm，當Ø25mm時管中心距t=32mm，前面選取的管子的型號為Ø25mm，故管中心距離t=32。</p><p><b

28、>　　傳熱系數K的選取</b></p><p>　　由于μ柴油=0.64×10-3Pa﹒s μ原油=3×10-3Pa﹒s，依據表4-7可得其K值在50-250之間。故可以選取K=250W·m-2·k-1</p><p>　　表4-7 列管式換熱器中K值大致范圍</p><p><b>　　三．

29、工藝設計計算</b></p><p>　　計算熱負荷（不及熱量的損失）</p><p>　　已知qm1=14300Kg/h</p><p>　　Q=qm1cp1(T1-T2)</p><p>　　=kg/s·2.48×103J/(kg﹒℃)·(175-130)℃</p><p>

30、;　　=4.433×105W</p><p>　　計算平均溫度差（假設為單殼程，多管程）</p><p>　　△t1=175-110=T1-T2=65℃ </p><p>　　△t2=110-70=t2-t1=60℃ </p><p>　　由于△t1/△t2<2 故△tm逆=（△t1+△t2)/2=62.5℃</

31、p><p>　　P==1.125 R==0.381</p><p><b>　　圖4-25</b></p><p>　　查圖4-25中單殼程多管程校正系數φ=0.95</p><p>　　(Φ>0.8，即假設合理）</p><p>　　△tm=φ·△tm逆=59.4℃</p&

32、gt;<p><b>　　估算傳熱面積</b></p><p>　　參考表4-7，選取總傳熱系數K估=250 W·m-2·℃-1</p><p>　　由Q=K·A·△tm </p><p>　　A估===29.8㎡</p><p><b>　　選擇型號

33、</b></p><p>　　為了減少熱損失和充分利用柴油的熱量，又由于柴油的黏度比較小，經前面綜合考慮，讓柴油走管程，原油走殼程。在參考表4-9與4-10，和經濟的綜合考慮，選取柴油在管程中的流速為u1=1m/s。</p><p>　　為了防止管子的堵塞，并且其污垢熱阻不是很大，綜合考慮后選用傳熱管Ø25mm×2.5mm 其內徑d1=0.02m 外徑

34、d2=0.025m</p><p>　　估算單程管數 n'=3600·d12ρ1u1) （ρ1為柴油的密度）</p><p>　　= 3600·1m/s·(0.2m)2·715kg/m3) </p><p><b>　　=18根</b></p><p>　　估算管子的長

35、度 L'===21m</p><p>　　先選擇單管長為6m 則≈3.5</p><p>　　故選4管程。由換熱器系列標準初選浮頭式換熱器的型號為AES400-2.5-35-6/25-4Ⅱ （當公稱直徑小于500mm時，最好選擇平蓋管箱）</p><p>　　管總數為68根，每管程的管數n=68/4=17根，管中心距t=32mm，殼體內徑D=40

36、0mm，折流擋板間距h=150mm，故折流擋板有NB=L/h-1=39塊，傳熱面積A選=31.6㎡</p><p><b>　　校核總傳熱系數</b></p><p>　　管程的對流傳熱系數α1</p><p>　　管內柴油流速u1=d12ρ1) </p><p>　　=(0.02m)2·715kg/m3) &

37、lt;/p><p><b>　　=1.04m/s</b></p><p>　　Re1= ==2.33×104 </p><p>　　(μ1為柴油的黏度)</p><p>　　Pr1===11.9</p><p>　　因Re>104 0.7<Pr<120 且≥6

38、0 </p><p>　　則α1=0.023(Re1)0.8(Pr）0.3=1003W/(㎡· ℃)</p><p>　　殼程對流傳熱系數α2</p><p>　　殼程的最大流通面積S=hD(1- )</p><p>　　=0.15m·0.4m·(1-25/32)=0.0131㎡</p><

39、p><b>　　原油的流量qm2=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=5.04kg/s</b></p><p>　　原油的流速u2==0.47m/s (ρ2為原油的密度)</p><p>　　正方形排列的當量直徑de=4（t

40、2-d22）/(πd2)=0.027m</p><p>　　Re2===3456</p><p>　　(μ2為原油的黏度)</p><p>　　查圖4-53得Nu2Pr2-(）-0.14=29</p><p>　　得Nu2Pr2-(）-0.14=29</p><p>　　Pr2===58.1</p>&l

41、t;p>　　由于原油被加熱(）0.14=1.05</p><p>　　α2=29Pr2(）0.14</p><p>　　=29×0.128/0.027×(58.1)×1.05=532W/(㎡· ℃)</p><p><b>　　總傳熱系數K</b></p><p>　　=+R

42、d2++Rd2+ 其中λ=45W/(㎡· ℃)</p><p>　　b=0.0025m dm=o.o225m Rd2=0.0002m2·℃/W</p><p>　　將數值帶入計算出K=275W/(㎡· ℃)</p><p><b>　　傳熱面積A</b></p><p>　　由Q=K

43、·A·△tm </p><p><b>　　A===27.1㎡</b></p><p>　　==1.166 即傳熱面積有16.6％的裕量</p><p>　　符合裕量在10％-25％之間</p><p><b>　　7.驗算</b></p><p>

44、<b>　　對于管程</b></p><p>　　△Pi=(λ×+)×fi×Np</p><p>　　Re1=2.33×104 （由表1-1可得無縫鋼管的ε=0.2mm）</p><p><b>　　取ε=0.2mm </b></p><p>　　則=

45、0.001 （d=20mm）</p><p>　　查圖1-28可得λ=0.038</p><p>　　當取Ø25mm×2.5mm時fi=1.04 Np=4</p><p>　　代入數據△Pi=(0.038×+)×1.04×4Pa</p><p>　　=2.88×104 Pa&

46、lt;/p><p><b>　　圖1-28</b></p><p>　　對于殼程 </p><p>　　△P0=λ0 λ0=1.72Re-0.19 NB=39 Re=3456</p><p>　　△P0=1.72×3456-0.19×0.4××P

47、a</p><p>　　=1.95×104 Pa</p><p>　　1×103 Pa<△P0<1×105Pa 且1×103 Pa<△P1<1×105Pa </p><p><b>　　故驗算均符合條件</b></p><p>　　故可以選用標準

48、浮頭式換熱器的型號為AES400-2.5-35-6/25-4Ⅱ</p><p><b>　　四．設計結果匯總</b></p><p>　　六．設計評述及設計者對本設計有關問題的討論</p><p><b>　　設計評述：</b></p><p>　　本設計所有參數經反復核算，保證各參數均在設計要求之

49、內，準確可行。管程中柴油的流速u1=1m/s Re1=2.33×104 2.33×104 >4000,管程流體的流動方式為湍流，能達到較好的換熱效果。每程內都采用了正方形錯列，便于安裝隔板，也方便清洗，同時也適當的提高了對流傳熱系數。該換熱器的面積裕量為16.6％在10％-25％之間，則所設計的換熱器可以完成生產任務。其管程與殼程的壓強降均在允許范圍10-100kPa之間，也符合條件。</p>&

50、lt;p>　　但是由于收集的數據不全（書上與資料上所給的數據太少，網上收集的資料不全面），只找到公稱壓力為2.5MPa、排列方式為正方形錯列的浮頭式換熱器的主要參數。只找到切口高度與直徑之比為0.25的圓缺形擋板最大截面積的計算公式。所以在選擇換熱器型號時受到限制。</p><p>　　估算管內流速 μ=1m/s，在0.5~3范圍內，符合要求。</p><p>　　由計算得管長L=2

51、3，取單程管長l=6，符合要求。</p><p>　　換熱器的長度與殼體直徑之比l/D=23/6=4，在6~10之間，符合要求。</p><p>　　殼程流體流速μ=0.44，在0.2~1.5范圍內，符合要求。</p><p>　　傳熱溫差校正系數φ=0.88>0.8，符合要求。</p><p>　　K/K0=1.16，在1.15~1.

52、25范圍內，符合要求。</p><p>　　A選/A=1.22在1.15~1.25范圍內，符合要求。</p><p>　　管程流體阻力ΔPt=0.3kPa<35kPa，符合要求。</p><p>　　殼程流體阻力ΔPs=18.7kPa<35kPa，符合要求。</p><p><b>　　七．主要參考書</b>