化工原理課程設(shè)計(jì)--換熱器

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)題目</p><p>　　學(xué) 院：化學(xué)化工學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><p><b

2、>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　日 期：2013年8月25日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化

3、工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。 </p><p>　　換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它

4、不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器</p><p>　　二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此

5、期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)始注意。</p><p>　　60年代左右，由于空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開(kāi)始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為

6、了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。</p><p>　　70年代末隨著能源矛盾的日益突出，國(guó)內(nèi)冶金工業(yè)爐開(kāi)始大量采用換熱器，其中絕大多數(shù)是金屬對(duì)流換熱器。當(dāng)時(shí)最受青睞的是翅片管換熱器，它的換熱元件是帶有內(nèi)外翅片的鑄鋼管。由于單位體積內(nèi)的換熱面積大，所以換熱器整體效率高，占地小，適合舊有爐子改造位置緊張的條件。但由于鑄造產(chǎn)品質(zhì)量控制難度大，裂、漏現(xiàn)象嚴(yán)重，而且膨脹問(wèn)題也成為薄弱環(huán)節(jié)，更有令人

7、頭痛的積灰問(wèn)題，限制了翅片管換熱器的應(yīng)用水平。自80年代后期以來(lái)，各種軋制管材的換熱器逐漸取代了翅片管換熱器。雖然其單位體積內(nèi)的換熱量沒(méi)有翅片換熱器大，但它的質(zhì)量穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，阻力損失也不太大，得到廣大用戶的喜愛(ài)。目前應(yīng)用最多的是管式換熱器，其換熱管是無(wú)縫鋼管，有時(shí)管內(nèi)加插件以強(qiáng)化傳熱，材質(zhì)是碳鋼或碳鋼滲鋁或耐熱鋼。近年來(lái)，材質(zhì)水平又有了新的提高</p><p>　　管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)．在各

8、工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛地應(yīng)用。近年來(lái)．盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn)．但反過(guò)來(lái)也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化發(fā)展的今大，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位。</p><p>　　根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五類。</p><p>　　固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。管束連接到管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、

9、承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗。管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件(如膨脹節(jié)、撓性管板等)，來(lái)吸收熱膨脹差。</p><p>　　圖1 固定管板式換熱器</p>

10、<p>　　固定管板式換熱器的主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分組成。管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，排管多，能承受較高的壓力，造價(jià)低，管內(nèi)不宜結(jié)垢，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管程和殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞：換熱器</b&g

11、t;</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.1換熱器的簡(jiǎn)介.- 4 -</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)的目的和意義- 7 -</p><p>　　1.3換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書- 8 -</p><p>　　1.4確定設(shè)計(jì)方案- 9 -</p><p

12、>　　1.5確定工藝流程- 10 -</p><p>　　1.6確定設(shè)計(jì)參數(shù)- 11 -</p><p>　　1.7計(jì)算總傳熱系數(shù)- 12 -</p><p>　　1.8換熱器核算- 12 -</p><p>　　1.8.1熱流量核算- 13 -</p><p>　　1.8.2壁溫計(jì)算- 14 -&l

13、t;/p><p>　　1.8.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力- 15 -</p><p>　　概述　　1.1 換熱器簡(jiǎn)介</p><p>　　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

14、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

15、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 </p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)目的和意義</p><p>　　（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

16、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。其具體做法如下。 　　①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。 　?、谔岣咂骄鶞夭? 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)檫@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

17、度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。 　?、弁咨撇贾脗鳠崦? 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)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》&

18、lt;/p><p>　　1.3換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書 </p><p>　　1．設(shè)計(jì)題目 某硫酸生產(chǎn)工藝，年生產(chǎn)硫酸26萬(wàn)噸。已知濃硫酸濃度98.3%，溫度90℃，要求經(jīng)換熱后硫酸出口溫度小于60℃。</p><p>　　現(xiàn)選擇水為換熱介質(zhì)，冬季選擇進(jìn)口溫度10℃，出口溫度60℃。擬設(shè)計(jì)一換熱器完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　設(shè)計(jì)的目的： 2.

19、通過(guò)對(duì)硫酸產(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。 1.4 確定設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　選擇換熱器的類型</b></p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度90℃，出口溫度50℃；冷流體進(jìn)口溫度10

20、℃，出口溫度60℃，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，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮選式換熱器。</p><p><b>　　1.5確定工藝流程</b></p><p>　　從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使用硫酸走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水易結(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降，所以從

21、總體考慮，應(yīng)使用循環(huán)水走管程，硫酸走殼程。</p><p><b>　　1.6確定設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><p><b>　　硫酸的定性溫度：</b></p><p>　　密度          ＝1840</p><p

22、>　　定壓比熱容    Cp0＝1.582kJ/kg℃ 熱導(dǎo)率        λ0＝0.109W/m℃ 粘度          μ0＝Pa﹒s 水的定性溫度：</p><p>　　密

23、度          ρi＝992.2/m3  定壓比熱容    Cpi＝4.147KJ/kg℃ 熱導(dǎo)率        λi＝63.38W/ m℃ 粘度    &

24、#160;    μi＝65.60 Pa﹒s</p><p>　　1.7計(jì)算總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　1、熱流量</b></p><p>　　kJ/h=521kw</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p&g

25、t;　　△tm1=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)=(100-10)/㏑(100/10)</p><p><b>　　式中：℃ ,℃</b></p><p><b>　　求得℃</b></p><p><b>　　冷卻水用量</b></p><p>　　(kg/s)=9

26、047kg/h</p><p><b>　　3計(jì)算傳熱面積</b></p><p>　　求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得硫酸和水之間的傳熱系數(shù)在870W/(㎡.℃)左右，先取K值為800W/(㎡.℃)計(jì)算</p><p>　　由Q=KA△tm 得</p><p>　　(㎡) </p>&

27、lt;p><b>　　4.工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　1．管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=5.5m/s。</p><p>　　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)</p><p><b>　　Ns=</b></p>

28、;<p>　　按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 </p><p><b>　　L=</b></p><p>　　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</p><p><b>　　Np=</b></p><p

29、>　　傳熱管總根數(shù) Nt=2640×0.046=264</p><p>　　3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) </p><p><b>　　R=</b></p><p><b>　　P=</b></p><p>　　按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)得：</p><p

30、>　　平均傳熱溫差 ℃ </p><p>　　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。</p><p>　　4. 傳熱管排列和分程方法</p><p>　　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。見(jiàn)下圖</p><p>　　取管心距t=1.25d0，則 t=1.25

31、15;25=31.25≈32㎜</p><p>　　隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計(jì)算</p><p>　　S=t/2+6=32/2+6=22㎜</p><p>　　各程相鄰管的管心距為44㎜。</p><p>　　管束的分程方法，每程各有傳熱管616根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按下圖選取。</p>

32、<p>　　5．殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.75 ，則殼體內(nèi)徑為：</p><p><b>　　D=1.05t</b></p><p>　　按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=634mm</p><p><b>　　6. </b></p><p>　　6．折流板 采用

33、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：</p><p>　　H=0.25×634=158.5m，故可取h=159mm</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×634=190.2mm，可取B為191mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)目NB=</b></p

34、><p><b>　　1.8換熱器核算</b></p><p>　　1.8.1.熱流量核算</p><p>　?。?）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算得：</p><p><b>　　當(dāng)量直徑：</b></p><p><b>　　=</b></p&

35、gt;<p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　普朗特?cái)?shù)：</b></p><p><b>　　粘度校正：</b>&l