列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)

1、 化工原理課程設(shè)計(jì)說明書 列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì) 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院 班級(jí)：應(yīng) 化11-21 姓名：莊 國(guó) 強(qiáng) 指導(dǎo)老師：楊 蘭 2013-6-20前言 本書是根據(jù)化工原理設(shè)計(jì)課題“列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)”編寫而來(lái)的。針對(duì)這個(gè)課題，我們通過一學(xué)期的理論學(xué)習(xí)，網(wǎng)上查閱，資料圖紙相結(jié)合的方式對(duì)列管式換熱器的各個(gè)零部件及其具體結(jié)構(gòu)，加工制造方法等有一定的了解，為這次課程設(shè)計(jì)和本書的編寫奠定了基礎(chǔ)。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。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)能源利用，開發(fā)和節(jié)約的要求不

2、斷提高因而對(duì)換熱器的要求也日益提高。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的換熱器相繼問世。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。 本書共分為十個(gè)部分：第一部分緒論，主要是對(duì)列管式換熱器的介紹。第二部分是任務(wù)書。第三部分選擇換熱器。第四部分：工藝計(jì)算第五部分：工藝結(jié)構(gòu)。第六部分：核算換熱器。第七部分：參數(shù)總結(jié)。第八部分：涉及感想。第九部分：參數(shù)解釋。第十部分：參考書目。第十一部分：自己設(shè)計(jì)的換熱機(jī)圖紙。 由于本人知識(shí)有限，經(jīng)驗(yàn)不足，書中一定存在不少缺點(diǎn)錯(cuò)誤，望各位老師提出寶貴的指正意見。 作者：莊國(guó)強(qiáng) 目錄一、

3、緒論5二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書71.設(shè)計(jì)任務(wù)及條件72.設(shè)計(jì)項(xiàng)目及內(nèi)容73.設(shè)計(jì)結(jié)果及要求7三、設(shè)計(jì)方案和簡(jiǎn)介81.換熱器類型的選擇82.管程安排83.確定物性數(shù)據(jù)8四、工藝計(jì)算91.熱流量92.平均傳熱溫度93.傳熱面積94.冷卻水用量9五、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)101.管徑與管內(nèi)流速102.管程數(shù)和傳熱管數(shù)103.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)104.傳熱管排列和分程方法115.殼體內(nèi)徑116.筒體直徑核計(jì)算117.折流板118.接管129.其他附件12六、換熱器核算131.熱流量核算132.壓力降核算15七、熱換器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果一覽表17八、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)19九、符號(hào)說明21十、參考書目23十一附件一. 緒

4、論換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，故又稱熱交換器。它是化工、煉油、動(dòng)力和原子能及許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)約能源的主要設(shè)備。在化工廠換熱器約占總投資的1020%；由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進(jìn)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。管殼式換熱器(shell and tube heat exchanger)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(jiǎn)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

5、溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。 根據(jù)冷熱流體換熱方式的不同可將換熱器分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器和間壁式換熱器。其中以間壁式換熱器應(yīng)用最為廣泛，型式也最為多樣。按換熱器傳熱面形狀和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，間壁式換熱器又可分為管式換熱器、板式換熱器和特殊式換熱器三類。列管換熱器主要特點(diǎn)： 1、耐腐蝕性：聚丙烯具有優(yōu)良的耐化學(xué)品性，對(duì)于無(wú)機(jī)化合物，不論酸，堿、鹽溶液，除強(qiáng)氧化性物料外，幾乎直到100都對(duì)其無(wú)破壞作用，對(duì)幾乎所有溶劑在室溫下均不溶解，一般烷、徑、醇、酚、醛、酮類等介質(zhì)上均可使用。2、耐溫性：聚丙烯塑料熔點(diǎn)為164-174，因此一般使用溫度可達(dá)110-125。3、無(wú)毒性：不結(jié)垢，不污染介

6、質(zhì)，也可用于食品工業(yè)。4、重量輕：對(duì)設(shè)備安裝維修極為方便。列管式換熱器是化工生產(chǎn)中常用的一種換熱設(shè)備, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適應(yīng)性強(qiáng); 單位體積所具有的傳熱面積大并傳熱效果好; 而且種類多, 型號(hào)全。 二. 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)任務(wù)及條件某化工廠在生產(chǎn)過程中，需將純苯液液體從80冷卻到55，其流量為21000kg/h，冷卻介質(zhì)采用35的循環(huán)水。要求換熱器的管程和殼程壓降不大于10kpa，試設(shè)計(jì)能完成上述任務(wù)的列管換熱器。名稱苯循環(huán)水密度kg/m3828.6992.6比熱kj/(kg)1.8414.174導(dǎo)熱系數(shù)w/(m)0.1290.632黏度ns/m20.3521030.67103二、設(shè)計(jì)

7、項(xiàng)目及內(nèi)容1 設(shè)計(jì)方案：選擇換熱器類型2 工藝計(jì)算：確定換熱器型號(hào)3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：確定設(shè)備工藝尺寸4 繪制圖紙：換熱器工藝條件圖三、設(shè)計(jì)任務(wù)及條件1.說明書：封面、目錄、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介、設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)值、工藝計(jì)算、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表、設(shè)計(jì)評(píng)述、參考文獻(xiàn)和主要符號(hào)說明。2.圖紙：換熱器工藝條件圖（a2），包括設(shè)備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性表和管口表。三. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介一、設(shè)計(jì)方案的確定1.換熱器類型的選擇 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度80，出口溫度55冷流體進(jìn)口溫度35，出口溫度43（根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇冷卻水的溫升為8）從兩流體溫度來(lái)看，估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼

8、體壁溫之差不會(huì)很大，因此初步確定選用固體管板式換熱器。2. 管程安排從二種物流的操作看出，應(yīng)使苯走管程，循環(huán)水走殼程，但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若流速忒低，將會(huì)加快結(jié)垢，綜合考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，苯走殼程。這樣可以提高冷卻效果，便于苯通過殼程向空氣中散失。3.確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：一般氣體和低粘度流體可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。純苯的定性溫度為：t= =67.5冷卻水的定性溫度為：t= =39密度kg/m3比熱導(dǎo)熱系數(shù)黏度ns/m2苯828.61.8410.3521030.129循環(huán)水992.64.1740.671030.632四. 工藝計(jì)算1.熱流量q=whcpo（t1-t2）= 1.84

9、1103（80-55）=2.685105w2.平均傳熱溫度苯80 55 冷卻水43 353. 傳熱面積根據(jù)流體情況，參照有關(guān)資料 假設(shè)k估=450w/(m2) 2.685105/(45025.9) = 23 m24. 冷卻水用量wc = = 2.685105/4.174103(43-35) =8.05 kg/s = 28975 kg/h五. 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1. 管徑與管內(nèi)流速選用 25mmx2.5的碳鋼管。取管內(nèi)流速2. 管程數(shù)和傳熱管數(shù)管內(nèi)徑：d=0.025-0.005=0.02nc = = = 52（根） 按單程換熱計(jì)算，管束長(zhǎng)度l為l = = = 5.3（m）按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采

10、用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際情況采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，取傳熱管長(zhǎng)l=3m,則該換熱器管程數(shù)為np = （管程）傳熱管總根數(shù) n = = 104（根）3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)由書化工原理查得 = 0.94平均傳熱溫差tm = tm = 0.9427.6 = 25.9由于0.8，故取雙殼程合適4.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。取管心距t=1.2 do，則t=1.225=30 (mm)nc= 1.19 = 1.19 =12 (根)分程方法：每一程的管數(shù)應(yīng)該大致相等，采用平方分法，此方法便于接管。5.殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率0.7，則殼體內(nèi)

11、徑為d = 1.05t = 1.0530 =384.00(mm)圓整可取d400mm6. 筒體直徑核計(jì)算殼體內(nèi)徑d，應(yīng)等于或大于管板的直徑，所以直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達(dá)式為：di=t（ne-1）+2e因?yàn)榘凑切闻帕校簄e=1.1=1.1=11取e=1.2d0=1.225=30mm所以di=30（11-1）+230=360mm圓整可取di400mm7.折流板采用圓缺形折流板，取折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25，則切去的圓缺高度為h0.25400100(mm)。取折流板間距b0.3d，則b0.3400 120(mm)可取b=150mm折流板數(shù) nb=傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1=3000

12、/150-1=19(塊)折流板圓缺面水平裝配8.接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)純苯流速為 u1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 d1 = = = 0.095（m）取標(biāo)準(zhǔn)管徑為133 mm11mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為d2= = = 0.081（m）取76mm6.5mm無(wú)縫鋼管。9.其他附件本換熱器殼體內(nèi)徑為400mm，故其拉桿直徑為6 ，最少拉桿數(shù)為4，殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板 六. 換熱器核算1. 熱流量核算a. 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 = = 0.5

13、29 m/sre0 = = = 31131普蘭特準(zhǔn)數(shù)：pr = = = 5.024粘度校正 = = =1663.5w/(m2)b. 管程對(duì)流傳熱系數(shù)rei = = = 14815.9（湍流）普蘭特準(zhǔn)數(shù)pr = = =4.42=2858.53w/(m2)c、污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50 ，所以d、傳熱系數(shù) =460.2(w/(m2)e、傳熱面積裕度計(jì)算傳熱面積為：該換熱器的實(shí)際傳熱面積為:該換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)2. 壓力降核算a. 管程流動(dòng)阻力，由，傳熱管相對(duì)粗糙度，查莫狄圖得，流速，所以， 管程流動(dòng)阻力在允許

14、范圍之內(nèi)。b. 殼程壓力降，流體流經(jīng)管束的阻力：管子為正三角形排列取折流擋板間距為z=0.2m流體流過折流板缺口的阻力，總阻力殼程流動(dòng)阻力也比較合適。計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓降均能滿足設(shè)計(jì)條件 七. 熱換器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果一覽表設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果一覽表參數(shù)管程殼程流量（kg/h）2897521000進(jìn)口溫度（）3580出口溫度（）4355壓力（kpa）常壓物性參數(shù)定性溫度（）3967.5密度（kg/m3）992.6828.6定壓比熱容（j/(kg)）4.1741.841粘度（pas）0.0003520.000670熱導(dǎo)率（w/(m)）0.6320.129普朗特?cái)?shù)4.425.024雷諾數(shù)14

15、815.931131設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑（mm）400殼程數(shù)2管徑（mm)管子排列正三角形管長(zhǎng)（mm）3000材質(zhì)無(wú)縫碳鋼管數(shù)目（根）104折流板數(shù)/個(gè)19傳熱面積（m2）24折流板間距/mm200主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速（m/s）0.50.529表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(w/(m2)2858.31663.5阻力(kpa)2.6236.111傳熱量（w）256000傳熱系數(shù)(w/(m2)460.2裕度%6.6 八設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)課程設(shè)計(jì)是化工原理課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練。課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要自己做出

16、決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。 通過課程設(shè)計(jì),我以下幾個(gè)方面的能力得到了提升 (1)查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集)的能力； (2)樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力； (3)迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力； (4)用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。經(jīng)過簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及相關(guān)的核算過程?？梢员容^出所設(shè)計(jì)的換

17、熱器大致能滿足生產(chǎn)要求。其中設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算值k=230w/(m2)，與校核所得的k=274.7 w/(m2)相差不大，且換熱器的換熱面積303.2m2也有16.3%的裕量，以及最后流動(dòng)阻力的計(jì)算結(jié)果都在生產(chǎn)工藝要求的范圍之內(nèi)。說明這次的換熱器的設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)的。通過這次設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我們需要耐心地計(jì)算好每一步，需要學(xué)會(huì)在不斷地演算中發(fā)現(xiàn)問題，并通過查閱資料和聯(lián)系實(shí)際來(lái)解決這些問題，。要能夠善于前后聯(lián)系，整體上把握好設(shè)計(jì)的方向。總的來(lái)說，這次的設(shè)計(jì)還是比較成功的。要想設(shè)計(jì)更好的，更適合工業(yè)化生產(chǎn)的換熱器，那還需要大量查閱資料，不斷積累經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)知識(shí)。 九符號(hào)說明英文字母因數(shù)d折流板間距，mre雷諾準(zhǔn)數(shù)c系數(shù)，無(wú)量綱a傳熱面積，m2d管徑，mt冷流體溫度，換熱器外殼內(nèi)徑，mt熱流體溫度，f摩擦系數(shù)u流速，m/sf系數(shù)質(zhì)量流量，kg/sh圓缺高度