化工原理課程設計--列管式換熱器

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1．綜述……………………………………………………………………3</p><p>　　1.1換熱器較 … ……………………………………………</p><p>　　2．課程設計任務書……………………………………………………4</p><p>　　3．設計計算…

2、……………………………………………………………5 </p><p>　　3. 1 確定設計案 …………………………………………………</p><p>　　3. 2 流動空間以及流速的確定 …………………………………5</p><p>　　3．3 確定流體流動及進出口溫度 ………………

3、……………5</p><p>　　3．4 計算兩流體的平均溫度差 ………………………… 8</p><p>　　3．5 計算熱負荷和冷卻水流量………………………</p><p>　　4．換熱器主要附件的確定及工藝結構尺寸 ………… 8</p><p>　　4.1 污垢熱阻…………………………………………………9</p>

4、<p>　　4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) …………………………………………9</p><p>　　4.3平均溫度校正和殼程數(shù)…………………………………10</p><p>　　4.4換熱管排列和分程法 ……………………………………10</p><p>　　4.5 折流板和接管 …………………………………………11</p><p>　　5

5、．核算總傳熱系數(shù) ………………………………… 11</p><p>　　5.1 殼程對流傳熱系數(shù) ……………………………………… 11</p><p>　　5.2 管程對流傳熱系數(shù) …………………………………12</p><p>　　5.3 總傳熱系數(shù)…………………………………………………13</p><p>　　5.4 設計裕

6、度 ………………………………………………13</p><p>　　6．核算壓強降………………………………………………13</p><p>　　6.1 管程壓強降 …………………………………………13</p><p>　　6.2 殼程壓強降 ………………………………………… 14</p><p>　　7．換熱器主要結構尺寸和計算結果…………

7、………………15</p><p>　　8． 換熱器的安裝與維修 ………………………………………16</p><p>　　6．參考文獻 ……………………………………………………………16</p><p><b>　　1.綜述</b></p><p>　　換熱器的分類與比較，根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式，換熱器

8、基本上可分為三大類即間壁式混合式和蓄熱式，其中間壁式換熱器應用最多，所以主要討論此類換熱器。</p><p>　　1.1換熱器的分類與比較</p><p><b>　?。ㄒ唬┕苁綋Q熱器</b></p><p>　　管式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內(nèi)部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。在管式換熱器內(nèi)進行換熱的兩種

9、流體,一種在管內(nèi)流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。為提高管外流體給熱系數(shù),通常在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)量的橫向折流檔板。折流檔板不僅可防止流體短路,增加流體速度,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束,使湍動程度大為增加。常用的檔板有圓缺形和圓盤形兩種,前者應用更為廣泛.。流體在管內(nèi)每通過管束一次稱為一個管程,每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內(nèi)流體的速度,可在兩端封頭內(nèi)設置適當隔板,將全部管子平均分

10、隔成若干組。這樣,流體可每次只通過部分管子而往返管束多次,稱為多管程。同樣,為提高管外流速,可在殼體內(nèi)安裝縱向檔板使流體多次通過殼體空間,稱多殼程。在管式換熱器內(nèi),由于管內(nèi)外流體溫度不同,殼體和管束的溫度也不同。</p><p>　　管式換熱器根據(jù)生產(chǎn)需要的不同還可分為蛇管換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器。</p><p><b>　　(1).蛇管換熱器</b>&l

11、t;/p><p>　　這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器想適應的形狀并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管換熱器的優(yōu)點是結構簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕性材料制造；其缺點是容器內(nèi)液體湍流程度低，管外對流傳熱系數(shù)小。</p><p>　　(2).套管式換熱器</p><p>　　套管式換熱器 是用兩種尺寸不同的標準管連接稱為同心圓的套管，外面的叫殼程 內(nèi)部的叫管程。兩種不同介質(zhì)可

12、在殼程和管程內(nèi)逆向流動(或同向)以達到換熱的效果。</p><p>　　(3).列管式換熱器</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。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，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，

13、從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程 。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要有以下幾種：</p><p>　　<1> 固定管板式換熱器：這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管

14、內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 </p><p>　　<2> 浮頭式換熱器： 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；

15、管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。</p><p>　　<3> U型管式換熱器：U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結構簡單

16、，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。</p><p><b>　?。ǘ┌迨綋Q熱器</b></p><p>　　板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多，在適用的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢。</p&

17、gt;<p><b>　　2．課程設計任務書</b></p><p>　　2.1設計題目：煤油換熱器的設計</p><p><b>　　2.2設計條件：</b></p><p>　　處理能力 1.188×105噸/年煤油</p><p>　　設備型式 列管式

18、換熱器</p><p><b>　　操作條件</b></p><p>　　煤油：入口溫度120℃，出口溫度40℃</p><p>　　冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度10~30℃，出口溫度50~60℃</p><p>　　允許壓強降：不大于1.5×105Pa</p><p>　　每年按330天

19、計，每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　3設計計算</b></p><p><b>　　3.1確定設計方案</b></p><p>　　根據(jù)設計條件，由于被冷卻流體煤油不夠清潔，因此不能選用U形管式換熱器；另外，由于被冷卻流體煤油與熱流體自來水的溫差相對來說比較高，所以排除了選固定管板式換熱器的可能性。然而

20、浮頭式換熱器，它的兩端管板的有一端可以沿軸向自由浮動，這種結構不但完全清楚了熱應力，而卻整個管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修。因此，此次設計應選擇浮頭式的列管式換熱器。根據(jù)設備的使用合理性原則，</p><p>　　3.2流動空間以及流速的確定</p><p>　　從增加兩物流的傳熱膜系數(shù)看，應使煤油走管程，冷卻水走殼程。但由于冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱

21、器的熱流量下降；又被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。所以從總體考慮，應使冷卻水走管程，煤油走殼程。選用25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取0.8m/s。</p><p>　　3.2 計算總傳熱系數(shù)</p><p>　　3.2.1 確定流體流動及進出口溫度</p><p>　　定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。</p><p>　　殼程煤

22、油的定性溫度為 </p><p><b>　　T==80（℃）</b></p><p>　　管程流體的定性溫度為</p><p>　　取進口溫度25℃，出口溫度55℃</p><p><b>　　t==40(℃)</b></p><p>　　根據(jù)定性溫度分別查取流體的有關物

23、理性質(zhì)數(shù)據(jù)</p><p>　　查《工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊》</p><p>　　可得煤油在80℃的有關物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　密度 </p><p>　　定壓比熱容 </p><p>　　導熱系數(shù)

24、 =0.144W/(m·℃)</p><p>　　粘度 =0.664Ｘ10Pa·s</p><p>　　冷卻水在40℃的有關物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　密度 </p><p>　　定壓比熱容 <

25、;/p><p>　　導熱系數(shù) </p><p>　　粘度 </p><p>　　3.2.2計算兩流體的平均溫度差</p><p><b>　　==34.625℃</b></p><p>　　計算熱負荷和冷卻水流量</p&g

26、t;<p><b>　　熱流量</b></p><p><b>　　冷卻水用量</b></p><p>　　3.2.4總傳熱系數(shù)</p><p>　　假設總傳熱系數(shù) K = 400 </p><p><b>　　、</b></p><

27、p>　　3.3 換熱器主要附件的確定及工藝結構尺寸</p><p><b>　　污垢熱</b></p><p>　　=0.00034394 m2·℃/W</p><p>　　=0.00017197 m2·℃/W</p><p>　　3.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p&g

28、t;　　3.3.2.1計算傳熱面積</p><p>　　考慮15%的面積裕度 </p><p>　　3.3.2.2管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用25×2.5㎜的傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速為=0.8 m/S</p><p>　　3.3.2.3管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p><b>　　=

29、</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為</p><p>　　按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)在取L=9米管，4管程該換熱器管程數(shù)為</p><p>　　Np = 23 ×4 =92根</p><p>　　平均溫度校正和殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差校

30、正系數(shù)</p><p>　　按雙殼程，四管程，溫差校正系數(shù)應查有關圖表，可得。</p><p><b>　　0.89</b></p><p>　　熱流量的校正 </p><p>　　Q = K A = 40063.10530.816 = 777900 </p><p>　　3.3.4換熱管

31、排列和分程法</p><p>　　采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距</p><p><b>　　,則</b></p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p>　　采用多管程結構,取管板利用率0.7,則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　

32、　取400mm</b></p><p>　　3.3.5 折流板和接管</p><p>　　3.3.5.1 折流板 （按單殼程計算）</p><p>　　采用弓形折流板,取弓形折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>　　故可取100</b></p><

33、;p><b>　　取折流板間距，</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　可取B為180mm。</p><p><b>　　折流板數(shù) </b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p>　　3.3

34、.5.2 接管</p><p>　　殼程流體進出口接管:取接管內(nèi)煤油流速為，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　取標準管徑為80mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　取標準管徑為80mm。</p><p>　　3.4 核算總傳熱系數(shù)</p

35、><p>　　3.4.1 殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　對圓缺形折流板,可采用克恩公式</p><p>　　當量直徑,由正方形排列得</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>

36、;　　普蘭特準數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　3.4.2 管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p><b>　　普

37、蘭特準數(shù)</b></p><p>　　3.4.3 總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　設計裕度</b></p><p><b>　　傳熱面積</b></p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p>

38、<p>　　傳熱面積裕度適宜,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務</p><p><b>　　3.5核算壓強降</b></p><p>　　3.5.1 管程壓強降</p><p><b>　　, , </b></p><p><b>　　, </b></p>&

39、lt;p>　　由，傳熱管相對粗糙度0.005，查圖——摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及相對粗糙度的關系得，流速，，</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　3.5.2 殼程壓強降</p><p><b>　　,.15 </b><

40、;/p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　總阻力 </b></p><p><b>　　殼程流動阻力也合適</b

41、></p><p>　　3.3.3換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p><b>　?。ㄒ娤卤恚?lt;/b></p><p>　　換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p>　　四 換熱器的安裝與維護</p><p><b>　　安裝</b></p>

42、<p>　　1.安裝位置：根據(jù)該換熱器的結構形式，在換熱器的兩端留有足夠的空間來滿足拆裝，維修的需要。</p><p>　　2.基礎：必須使換熱器不發(fā)生下沉，在活動支座的一端應予埋滑板。</p><p><b>　　3.地腳螺栓和墊鐵</b></p><p>　　1）活動支座的地腳螺栓應裝有兩個緊鎖的螺母，螺母與底板間應留有1-3mm

43、的間隙。</p><p>　　2）地腳螺栓兩側均有墊鐵。設備找平后，斜墊鐵，可與設備支座底板焊牢，但不得與下面的平墊鐵或滑板焊死。</p><p>　　3）墊鐵的安裝不應妨礙換熱器的熱膨脹。</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p>　　化工原理課程設計 賈紹義 柴誠敬 天津大學出版