列管換熱器課程設計

1、<p><b>　　化工原理</b></p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　設計題目：醋酸冷卻器的設計</p><p>　　學 院：基礎科學學院</p><p><b>　　專業(yè)班級： </b></p><p

2、><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號： </b></p><p><b>　　指導老師： </b></p><p><b>　　符號說明</b></p><p><b>　　英文字母</b&

3、gt;</p><p>　　B——折流板間距，m；d——管徑，m；D——換熱器外殼內(nèi)徑，m；——摩擦系數(shù)；F——系數(shù)；h——圓缺高度，m；K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；L——管長，m；m——程數(shù)；n——指數(shù)；</p><p>　　N——管數(shù)；NB——折流板數(shù)；Nu——努塞爾特準數(shù)；P——壓力，Pa；Pr——普蘭特準數(shù)；Q——傳熱速率，W；r——

4、半徑，m；</p><p>　　R——熱阻，m2·℃/W；Re——雷諾準數(shù)；</p><p>　　A——傳熱面積，m2；</p><p>　　t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　a——管心距，m；T——熱流體溫度，℃；u——流速，m/s；——質(zhì)量流量，kg/s，——體積流量，m3/s。希臘字母α——對流傳熱系數(shù)

5、，W/(m2·℃)；Δ——有限差值；λ——導熱系數(shù)，W/(m·℃)；</p><p>　　μ——粘度，Pa·S；ρ——密度，kg/m3；ψ——校正系數(shù)。下標c——冷流體；h——熱流體；i——管內(nèi)；m——平均；o——管外；s——污垢</p><p><b>　　第一章、緒論</b></p><p&g

6、t;　　1.1對換熱器的認識</p><p>　　換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。</p><p>　　按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。</p><p>

7、;　　間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。</p><p>　　直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場

8、合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。</p><p>　　蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩

9、種流體的混合。</p><p>　　工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結構特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。</p><p>　　緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。</p><p>　　1.2列管換熱器簡介</p><p>　　列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導

10、作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。</p><p>　　其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、

11、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。</p><p>　　列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。</p><p>　　1.3列管換熱器的類型即選擇</p><p&g

12、t;　　根據(jù)列管式換熱器的結構特點，主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設計要求，介紹幾種常見的列管式換熱器。</p><p><b>　　固定管板式換熱器</b></p><p>　　這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結余構簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結

13、垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。</p><p><b>　　U型管換熱器</b></p><p>　　U型管換熱器結構特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當殼體與U型環(huán)熱管由溫差時，不會產(chǎn)生溫差應力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結

14、構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內(nèi)清洗困難；喲由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子壞了不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。</p><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p><p>　　浮頭式換熱器的結構如下圖1-3所示。其結構特點是

15、兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。</p><p><b>　　填料函式換熱器</b></p><p

16、>　　填料函式換熱器的結構如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。</p><p>　

17、　第二章、確定設計方案</p><p>　　2.1選擇換熱器的類型</p><p>　　兩流體溫度的變化情況：熱流體進口溫度84℃ ，出口溫度48℃；冷流體進口溫度26℃，出口溫度40℃，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。 </p><p>　　2.2換熱器材質(zhì)的選擇</p><p>　　一般換熱器常用材

18、料有碳鋼和不銹鋼，由于處理的是醋酸，要求有較好的耐酸性，不銹鋼有良好的耐腐蝕性性，所以選擇1Crl8Ni9Ti奧氏體不銹鋼。</p><p>　　2.3流動空間及流速的確定</p><p>　　考慮到醋酸腐蝕性，所以醋酸走管程，水走殼程。選用(1Crl8Ni9Ti),取管內(nèi)流速。</p><p>　　第三章、物性數(shù)據(jù)的確定</p><p>　

19、　3.1定型溫度的計算</p><p><b>　　已知條件:</b></p><p>　　醋酸：， 水 : ,</p><p>　　定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度。 </p><p>　　3.2醋酸的物性參數(shù) <

20、/p><p>　　當T=66℃時，醋酸的各項參數(shù)如下：</p><p>　　密度 </p><p>　　定壓比熱容 </p><p>　　粘度 </p><p>　　熱導率 </p><p>

21、;　　3.3水的物性參數(shù) </p><p>　　當t=33℃時，水的各項參數(shù)如下：</p><p>　　密度 </p><p>　　定壓比熱容 </p><p>　　粘度 </p><p>　　熱導率 </p>&l

22、t;p>　　第四章、估算傳熱面積</p><p><b>　　4.1熱流量</b></p><p>　　已知條件：醋酸處理量</p><p><b>　　4.2平均傳熱溫差</b></p><p><b>　　按照逆流傳熱，可得</b></p><p&

23、gt;　　暫且按照單殼程，多管程計算，根據(jù)課本《化工原理》第三版 圖4—25可查溫度校正系數(shù)</p><p><b>　　4.3冷卻水用量</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)可求 </p><p><b>　　4.4估算傳熱面積</b></p><p>　　為求得傳熱面積A，需先求出傳熱系

24、數(shù)K，而K值又與給熱系數(shù)、污垢熱阻等有關。在換熱器的直徑、流速等參數(shù)均未確定時，給熱系數(shù)也無法計算，所以只能進行試算。參考《化工原理》第三版 表4—7，初選總傳熱系數(shù)</p><p>　　第五章、工藝結構尺寸</p><p>　　5.1管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用傳熱管（不銹鋼），取管內(nèi)流速 。</p><p>　　5.2管程數(shù)和

25、傳熱管數(shù)</p><p>　　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>　　傳熱管內(nèi)徑:</b></p><p><b>　　管內(nèi)體積流量：</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜

26、采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用標準設計，現(xiàn)取傳熱管長l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為:</p><p>　　取管程 </p><p>　　傳熱管總根數(shù)： </p><p>　　5.3傳熱管排列和分程方法傳熱管排列和分程方法" \f C \l "2" </p><p>　

27、　采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。</p><p><b>　　取管心距，則:</b></p><p>　　按照標準橫過管中心線的管數(shù) </p><p><b>　　5.4殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結構，殼體內(nèi)徑可按式估算。取管板利用率η=0

28、.7 ，則殼體內(nèi)徑為:</p><p>　　5.5標準換熱管的選擇</p><p><b>　　換熱管的選型匯總</b></p><p>　　根據(jù)以上的計算可以得到如下的計算結果：</p><p>　　通過查表，可以發(fā)現(xiàn)下面的結構尺寸的換熱器和所需的比較接近，故而選擇該種換熱器：</p><p>

29、　　綜合各項參數(shù)，選擇型號為BES-400-1.6-28-4.5/19-4Ⅱ的換熱器。</p><p><b>　　5.6折流板</b></p><p>　　采用圓缺折流板，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><b>　　折流板間距 ，則 </b></p><p&

30、gt;<b>　　,</b></p><p>　　按標準系列取板間距 </p><p><b>　　折流板數(shù)</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　5.7接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接

31、管內(nèi)循環(huán)水流速為則接管的內(nèi)徑為：</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)醋酸流速，則接管內(nèi)徑為：</p><p><b>　　第六章、換熱器校核</b></p><p><b>　　6.1熱流量核算</b></p><p>　　6.11殼程對流傳熱系數(shù)（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)" \

32、f C \l "3" </p><p>　　對圓缺形折流板，可采用喬恩公式：</p><p>　　當量直徑，由正三角形排列得</p><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>　　普朗

33、特準數(shù)：</b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p>　　6.12管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通截面積：</b></p><p>　　管程流體流速和雷諾數(shù)：</p><p><b>　　普朗特準數(shù)<

34、;/b></p><p><b>　　6.13總傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　傳熱系數(shù)K</b></p><p>　　查課本《化工原理》第三版表4—7得：</p><p>　　管內(nèi)醋酸側的污垢熱阻 </p><p>　　館外水側的污垢熱阻

35、 </p><p>　　不銹鋼的熱導率 </p><p><b>　　傳熱面積A：</b></p><p>　　與原本估計值基本相符</p><p>　　所選換熱器的換熱面積 </p><p>　　即傳熱面積有的裕度。</p><p>　　計算表明所選換

36、熱器規(guī)格可用。</p><p>　　6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p>　　6.21管程流動阻力</p><p>　　—直管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa</p><p>　　—回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa，可由經(jīng)驗公式</p><p>　　估算換熱器內(nèi)流體的流動阻力" \f C \l &q

37、uot;2" </p><p><b>　　串聯(lián)的殼程數(shù)</b></p><p><b>　　管程數(shù)</b></p><p>　　由，傳熱管的相對粗糙度</p><p>　　查課本《化工原理》第三版圖1—28</p><p><b>　　得 </b

38、></p><p>　　流速 ， ，所以</p><p>　　管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)</p><p>　　6.22殼程流動阻力</p><p>　　—流體流過管束的壓力降，Pa</p><p>　　—流體流過折流擋板缺口的壓力降，Pa</p><p>　　—結垢校正系數(shù)，無因

39、次，對液體，對氣體 </p><p>　　流體流經(jīng)管束的阻力：</p><p>　　F—管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)，三角形排列F=0.5，正方形排列F=0.3</p><p>　　—殼程流體的摩擦系數(shù)，</p><p>　　—橫過管束中心線的的管數(shù)</p><p>　　B—折流板間距 D—殼體直徑

40、，m</p><p><b>　　—折流板數(shù)目 </b></p><p>　　殼程流動阻力也在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　第七章、主要附件的尺寸設計</p><p><b>　　7.1 封頭</b></p><p>　　封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小（一般小

41、于400mm）的殼體，圓形用于大直徑的殼體。殼徑為600mm，選用圓形封。</p><p><b>　　7.2 緩沖擋</b></p><p>　　它可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。</p><p>　　7.3放氣孔、排液孔</p><p>　　換熱器的殼體上常安有放

42、氣孔和排液孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。</p><p>　　7.4浮頭管板及鉤圈</p><p>　　浮頭式換熱器浮頭管板的厚度不是由強度決定的，按結構取80mm； 鉤圈采用型。材料與浮頭管板相同，設計厚度按浮頭管板厚加16mm，定為96mm。</p><p><b>　　7.5法蘭選擇</b></p><p>　　

43、按照國標，選擇厚度為30mm,外徑為540mm,內(nèi)徑為418mm法蘭。</p><p>　　第八章、設計結果一覽表</p><p><b>　　設計結果一覽表</b></p><p>　　第九章、設計結果評價</p><p>　　我設計的是浮頭換熱器，根據(jù)實際需求，按照國家的相關標準，我選用的標準換熱器型號為BES-40

44、0-1.6-28-4.5/19-4Ⅱ。該種換熱器的殼體內(nèi)經(jīng)為400mm,換熱面積是28.4,管長為4.5m,管數(shù)為144根，是單殼管程，4管程的換熱器。實際需要換熱面積為23.41，所以面積裕度為。符合設計要求，殼程與管程的壓力降也均小于，符合要求。由于醋酸有腐蝕性，所以走管程，并選用耐腐蝕的不銹鋼材料，水走殼程，選用價格較便宜的碳鋼材料。經(jīng)校核我所用的換熱器符合各項標準。</p><p><b>　　

45、第十章、附圖</b></p><p><b>　　10.1工藝流程圖</b></p><p>　　10.2換熱器裝配圖</p><p><b>　　見附圖</b></p><p><b>　　第十一章、參考文獻</b></p><p><