化工原理課程設計--用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p>　　設計題目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設計</p><p>　　設計成績：進度 說明書 圖紙 總分 </p><p>　　日 期： </p><p>　　一．設計任務和設

2、計條件</p><p>　　1、設計題目：用水冷卻煤油的列管式換熱器的設計</p><p><b>　　2、設計條件</b></p><p>　　煤油 </p><p>　　處理量：1.188 105 噸/年</p><p>　　進口溫度：120℃ 出口

3、溫度：40℃ </p><p>　　壓強降：≤1.5 105 pa </p><p><b>　　(2)冷卻水</b></p><p>　　進口溫度：10℃ 出口溫度：30℃ </p><p>　　(3)每年按330天計算，每天

4、24小時連續(xù)運行</p><p><b>　　3、設計項目 </b></p><p>　　(1) 選擇適宜的列管式換熱器并進行核算</p><p><b>　　(2) 傳熱計算</b></p><p>　　(3) 管、殼程流體阻力計算</p><p><b>　?、?/p>

5、 管板厚度計算</b></p><p>　?、衫L制列管式換熱器的裝配圖</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要 1</b></p><p><b>　　第一章 緒論 2</b></p><p>　　1.

6、1換熱器介紹 2</p><p>　　1.2換熱器的用途 2</p><p>　　1.3換熱器的優(yōu)點 2</p><p>　　1.4換熱器的應用 2</p><p>　　1.5幾種常用換熱器介紹 2</p><p>　　1.5.1板式換熱器 2</p><p>　　1.5.2管殼式換熱器 3&l

7、t;/p><p>　　1.5.3板翅式換熱器 3</p><p>　　第二章 設計方案簡介 3</p><p>　　2.1選擇換熱器的類型 3</p><p><b>　　2.2管程安排 3</b></p><p>　　2.3流向的選擇 3</p><p>　　第三章 確定物性

8、數(shù)據(jù) 3</p><p>　　第四章 工藝計算及主要設備設計 4</p><p>　　4.1計算熱負荷和冷卻水流量 4</p><p>　　4.2計算兩流體的平均溫度差 4</p><p>　　4.3估算傳熱面積 5</p><p>　　4.4換熱器規(guī)格 6</p><p>　　4.4.1管徑和

9、管內(nèi)流速 6</p><p>　　4.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 6</p><p>　　4.4.3傳熱管排列和分程方法 6</p><p>　　4.4.4殼體內(nèi)徑 6</p><p>　　4.4.5折流板 6</p><p><b>　　4.4.6接管 6</b></p><p&

10、gt;　　4.5熱流量核算 7</p><p>　　4.5.1課程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 7</p><p>　　4.5.2管程對流傳熱系數(shù) 8</p><p>　　4.5.3污垢熱阻和管壁熱阻 9</p><p>　　4.5.4傳熱系數(shù) 9</p><p>　　4.5.5傳熱面積裕度 10</p><p&g

11、t;　　4.6換熱器內(nèi)流體的流動阻力 10</p><p>　　4.6.1管程流體阻力 10</p><p>　　4.6.2殼程流體阻力 11</p><p><b>　　結(jié)論 12</b></p><p><b>　　結(jié)束語 13</b></p><p><b>

12、　　參考文獻 14</b></p><p><b>　　主要符號說明 14</b></p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行

13、換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應?/p>

14、慮其他結(jié)構(gòu)。</p><p>　　關鍵詞：列管式換熱器；流體；殼程；管程；封頭</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1換熱器介紹</b></p><p>　　換熱器是以兩種不同溫度的流體進行熱量交換的設備，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換

15、和傳遞不可缺少的設備。在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強的物料，因此，要求制造換熱器的材料具有抗強腐蝕性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金屬材料以及不銹鋼、鈦、鉭、鋯等金屬材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導熱差等缺點，用鈦、鉭、鋯等稀有金屬制成的換熱器價格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質(zhì)，并產(chǎn)生晶間腐蝕。</p><p><b>　　1.2換熱器的用途</b&g

16、t;</p><p>　　換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。即在確定的流體之間，在一定時間內(nèi)交換一定數(shù)量的熱量;也可以是以回收熱量為目的，用于余熱利用;也可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設備被破壞。換熱器的作用不同，其設計、選型、運行工況也各不相同。</p><p><b>　　1.3換熱器的優(yōu)點</b></p><p

17、>　　換熱器的熱損失要少，換熱效率要高;流動阻力要?。灰凶銐虻臋C械強度，抗腐蝕和抗損壞能力要強，維護工作量要少；結(jié)構(gòu)要合理，工作要安全可靠，即零部件之間因為溫升而產(chǎn)生的熱應力不會導致?lián)Q熱器破裂；要便于制造、安裝和檢修;經(jīng)濟上要合理，設奮全壽命期的總投資要少，生活熱水系統(tǒng)的換熱器應易于清除水垢，以上要求常常相互制約，難于同時滿定，因此應視具體情況，在換熱器的選型和設計中有所側(cè)重，滿足工程對換熱器的主要要求。因為換熱器故障率較低，并

18、且供暖為季節(jié)性負荷，有足夠的檢修時間，生活熱水系統(tǒng)暫停供熱也不會造成重大影響，所以可不設備用換熱器。換熱器臺數(shù)的選擇和單臺能力的確定應適應熱負荷的分期增長，并考慮供熱的可靠性。</p><p><b>　　1.4換熱器的應用</b></p><p>　　換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機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

19、用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。</p><p>　　1.5幾種常用換熱器介紹</p><p>　　1.5.1板式換熱器：板式換熱器主要由傳熱板片、固定蓋板、活動蓋板、定位螺栓及壓緊螺栓組成得新型高效換熱器，板片之間用墊片進行密封。由于板片表面的特殊結(jié)構(gòu)，能使流體在低流速下發(fā)生強烈湍動，從而強化

20、了傳熱過程。</p><p>　　1.5.2管殼式換熱器：管殼式換熱器又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型</p><p>　　1.5.3板翅式換熱器：通常由隔板、翅片、封條、導流片組成。在相鄰兩隔板間放置翅片、導流片以及封條組成一夾層，稱為通

21、道，將這樣的夾層根據(jù)流體的不同方式疊置起來，釬焊成一整體便組成板束，板束是板翅式換熱器的核心，配以必要的封頭、接管、支撐等就組成了板翅式換熱器。</p><p>　　第二章 設計方案簡介 </p><p>　　換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設備，故又稱熱交換器。它是化工、煉油、動力和原子能及許多工業(yè)部門廣泛應用的一種通用設備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實現(xiàn)余熱

22、回收和節(jié)約能源的主要設備。在化工廠換熱器約占總投資的10~20%；由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需求。</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120℃ 出口溫度40℃；冷流體進口溫度10℃，出口溫度30℃，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻

23、，冬季時其進口溫度會降低，考慮這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用帶有膨脹節(jié)的固定板管式換熱器。</p><p><b>　　2．2管程安排 </b></p><p>　　從兩物流的操作壓力看，應使煤油走管程，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，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應使循環(huán)水

24、走管程，煤油走殼程。</p><p>　　2.3流向的選擇 </p><p>　　當冷、熱流體的進出口溫度相同時，逆流操作的平均推動力大于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需的傳熱面積較小。逆流操作時，冷卻介質(zhì)溫升可選擇得較大因而冷卻介質(zhì)用量可以較小。顯然在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流。</p><p>　　第三章 確定物性數(shù)據(jù) </p><

25、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。 </p><p>　　管程冷卻水的定性溫度為： t= =20（℃）</p><p>　　殼程煤油的定性溫度為： T= =80（℃）</p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。</p><p>　　定性溫度下

26、流體的物性，見表1：</p><p>　　表1 定性溫度下流體的物性</p><p>　　第四章 工藝計算及主要設備設計</p><p>　　4.1.計算熱負荷和冷卻水流量 </p><p>　　=1.188108/(33024)=15000 kg/h</p><p><b>　　熱負荷量： = </

27、b></p><p>　　=150002.08103(120-40)</p><p>　　=2.496109 kg/h=693333 </p><p><b>　　冷卻水量： = </b></p><p><b>　　= </b></p><p>　　=29856kg

28、/h=8.29 kg/s</p><p>　　4.2.計算兩流體的平均溫度差</p><p>　　暫按單殼程、多管程進行計算。</p><p><b>　　逆流時平均溫度差：</b></p><p>　　熱流體(煤油） 140℃ → 40℃</p><p>　　冷流體（水）

29、 30℃ ← 10℃</p><p>　　110℃ 30℃</p><p>　　=T1-t2=120-30=90℃</p><p>　　=T2-t1=40-10=30℃</p><p>　　逆流時的平均溫差為：</p><p>　　而 </p>

30、;<p>　　查溫差校正系數(shù)有關圖表（見圖1）可得：</p><p><b>　　平均傳熱溫差:</b></p><p><b>　　℃</b></p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取2殼程換熱器合適。</p><p>　　圖1 對數(shù)平均溫度

31、差校正系數(shù)</p><p><b>　　4.3估算傳熱面積</b></p><p>　　由常用《化工單元設備設計》表1-6，查的水與煤油之間的傳熱系數(shù)在290-698 W/(m2 .℃)，假設K=600估算傳熱面積為：</p><p>　　S= =693333/(60046.42)=24.89㎡</p><p><

32、b>　　4.4.換熱器規(guī)格</b></p><p>　　4.4.1．管徑和管內(nèi)流速 選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1 =1.0m/s。</p><p>　　4.4.2．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=根</b></p&g

33、t;<p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為 </p><p><b>　　L=11.75m</b></p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長l=3m，則該換熱器的管程數(shù)為</p><p><b>　　Np=</b></p>

34、<p>　　傳熱管總根數(shù) Nt=27×4=108根</p><p>　　4.4.3.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。</p><p>　　取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25=32㎜</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù) nC=1.19

35、×10.3=13根</p><p>　　4.4.4．殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，則殼體內(nèi)徑為：</p><p>　　圓整可取 D=1.05t</p><p>　　按卷制殼體的進級檔，可取D=500mm</p><p>　　4.4.5．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

36、去的圓缺高度為： H=0.25×500=125mm，故可取H=150mm</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則 h=0.3×500=150mm，可取h為150mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)目NB=塊</b></p><p><b>　　4.4.6接管</

37、b></p><p>　　表2 管殼式換熱器中常用的流速范圍</p><p>　　表3 管殼式換熱器中不同黏度液體的常用流速</p><p>　?、贇こ塘黧w進出口接管：</p><p>　　取接管內(nèi)水流速u1=0.6m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　經(jīng)圓整采用Φ108mm×4熱軋無縫鋼管（GB

38、8163-87）,取標準管徑為100mm</p><p>　　②管程流體進出口接管：</p><p>　　取接管內(nèi)冷卻水流速u1=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　經(jīng)圓整采用Φ108mm×4熱軋無縫鋼管（GB8163-87）,取標準管徑為100mm</p><p><b>　　4.5.熱流量核算</b

39、></p><p>　　4.5.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) </p><p><b>　　用克恩法計算得：</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　　當量直徑： </b></p><p><b>　　殼程

40、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>　　普朗特數(shù)：</b></p><p><b>　　粘度校正：</b></p><p>　　4.5.2管程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　管程流體流通截面積：<

41、;/p><p><b>　　管程流體流速：</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p>　　4.5.3污垢熱阻和管壁熱阻：</p><p><b>　　查閱表可得，</b></p><p><b>　　冷卻水側(cè)污垢熱阻

42、</b></p><p><b>　　煤油側(cè)的污垢熱阻 </b></p><p>　　表4 常見流體污垢熱阻</p><p><b>　　導熱系數(shù)=45</b></p><p>　　4.5.4 傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　528 <

43、/b></p><p>　　4.5.5傳熱面積裕度 :</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積為Sp</p><p>　　該換熱器的面積裕度為：</p><p>　　傳熱面積裕度在（15％-25％）之間，所以合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。</p><p>　　4.6換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p>

44、<p>　　4.6.1管程流體阻力</p><p>　　殼程數(shù)Ns=2 ，管程數(shù)4 ,污垢校正系數(shù) Ft=1.5</p><p>　　流體流過直管段由于摩擦引起的壓力降為 ：</p><p>　　流體流過回管彎（進出口阻力忽略不計）因摩擦所引起的壓力降為：</p><p>　　由 =20457，傳熱管對粗糙度0.01/20=0

45、.005，查莫狄圖得，流速ui=1.03m/s,</p><p><b>　　,所以:</b></p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　莫狄圖</b></p><p>　　4.6.2． 殼程流體阻力：</p><p>　　流體流經(jīng)管束的阻

46、力為： </p><p>　　F=1, NS=2 ,f0 =5.0× Re0-0.228 = 5×14018 -0.228=0.57，nc =13 ，NB =19 ,uo = 0.6258，</p><p>　　所以 =0.57×13×(19+1)×0.62582×812/2=23564（Pa）</p><

47、;p>　　流體流經(jīng)折流板缺口的阻力：</p><p>　　隔板間距B=0.15m，D=0.5m </p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　綜上，管程殼程流體阻力都在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　結(jié)論 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表：</p><p>　　表5

48、 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本次設計，我們參考了大量的參考資料，比如到網(wǎng)上查資料，到圖書室借閱相關圖書，總之我們尋找了關于物料及換熱器的大量數(shù)據(jù)。我們通過本小組成員的相互協(xié)作，以及與其他同學的探討，初步設計出了用水冷卻脫脂牛奶的列管式換熱器，在設計過程中，對換熱器的選型以及它的各個因素的考慮是非常重要

49、的，我們設計的換熱器除要具有可行性操作外，也要能基本滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。</p><p>　　本次設計綜合考慮了換熱器及其附件，因為我們不能單獨地只考慮一個因素的影響，而是要綜合考慮各個因素對換熱器及換熱任務的影響。比如在在設計初期我們選擇的換熱器雖然能滿足換熱任務，但是對于殼程的壓強就不能滿足需要。此次設計，讓我們把從書本上學到的內(nèi)容運用到實踐中，使我們對知識的掌握更加牢固。</p><p

50、>　　本次設計，我們是受益匪淺，不僅掌握了有關換熱器的知識，而且掌握了一些重要資料收集的方法。但由于本次設計的時間比較有限，而且我們對于實際工業(yè)生產(chǎn)這方面知識的欠缺以及我們經(jīng)驗上的欠缺，難免有錯誤之處，懇請老師批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1.常用化工單元設備的設計，陳英蘭 劉玉蘭主編，華東理工大學出版社。<