化工原理課程設計固定管板式換熱器的設計

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1、 化工原理課程設計 課題名稱 固定管板式換熱器的設計 專業(yè)班級 食品091班 學生姓名 學 號 指導老師 程謙偉 2011年12月 固定管板式換熱器設計任務書 一、設計題目：煤油冷卻器的設計（6人/組） 二、設計任務 1.煤油處理能力： 12萬噸/年煤油 2.設備形式：固定管板式換熱器 3.操作條件： ① 煤油：入口溫度120

2、℃，出口溫度40℃ ② 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30℃，出口溫度40℃ ③ 允許壓降：不大于105Pa ④ 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行 3、 設計要求 1. 根據(jù)換熱任務設計確定設計方案 2. 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸 3. 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力 4. 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu) 5. 進行設備結(jié)構(gòu)圖的繪制（A1圖紙） 6. 編寫設計說明書 7. 小組組員分工合作。 目錄 一、概述 5 1.換熱器的選擇及特點 5 2.通過殼程、管程流體的確定 5 3.流速的確定 6 4.管子的規(guī)格和排列方法 6 5.管程和殼程數(shù)的

3、確定 6 6.折流擋板 7 7.最后材料選用 7 8.其他構(gòu)件的選用 7 二、確定設計方案 8 三、確定物性數(shù)據(jù) 8 四、計算總傳熱系數(shù) 9 1.熱流量 9 2.平均傳熱溫差 9 3.冷卻水用量 9 4.總傳熱系數(shù)K 9 五、計算傳熱面積 10 六、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 10 1.管徑和管內(nèi)流速 10 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 11 3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 11 4.傳熱管排列和分程方法 12 5.殼體內(nèi)徑 12 6.折流板 12 7.接管 13 七、換熱器計算 13 1.熱量核算 13 （1）殼程對流傳熱系數(shù) 13 （2）管程對流傳熱系數(shù) 14 （

4、3）傳熱系數(shù)K 15 （4）傳熱面積S 15 2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力 16 （1）管程流動阻力 16 （2）殼程阻力 16 八、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 17 膨脹節(jié) 18 殼體壁厚 18 封頭設計 18 鞍座 18 拉桿的直徑和數(shù)量 18 九、設計小結(jié) 18 十、文獻參考 19 十一、主要符號說明 20 十二、附錄 21 表1.流體的污垢熱阻 21 表2.流體的污垢熱阻 21 表3. 管殼式換熱器中常用的流速范圍 21 表4.某些工業(yè)管材的絕對粗糙度 21 表5.GB-151-1999 22 表6.拉桿直徑的選取 22 表7.拉桿數(shù)量 22

5、 圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù) 23 圖2.關系 24 一、概述 根據(jù)任務書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設計列管式換熱器中的固定管板式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否易結(jié)垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，冷流體走管程，熱流體走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，確定傳熱管數(shù)，標準傳熱管長為6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)

6、。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設計步驟，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設計殼程和管程的內(nèi)徑。分別對換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。最后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，如果在設計范圍內(nèi)就能完成任務。 1.換熱器的選擇及特點 在設計任務書中，老師已明確的給出換熱器是固定管板式。經(jīng)查閱資料，固定管板式具有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的流體，比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進口溫度為30℃，出口溫度為40℃；熱流體煤油的進口溫度為120℃，出

7、口溫度為40℃。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器 2.通過殼程、管程流體的確定 通過殼程、管程流體的確定應根據(jù)以下原則：(1)不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2)腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3)壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4)飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大。(5)被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。(6)需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面

8、積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。 3.流速的確定 增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目

9、減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。在本次設計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速。 4.管子的規(guī)格和排列方法 選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。在這里，我們選擇列管式換熱器系列標準中的φ252.5mm管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。此外，管長和殼徑應相適應，一般取l/D為

10、4～6(對直徑小的換熱器可大些)。在這次設計中，管長選擇6m。 　　 管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等。等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當?shù)靥岣?。在這里選擇等邊三角形排列。 5.管程和殼程數(shù)的確定 當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較

11、小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導致管程流體阻力加大，增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)大致相等。 6.折流擋板 安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切缺率通常為20%～50%，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)B為外殼內(nèi)徑D的(0.2～1)倍。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳

12、熱系數(shù)下降。 7.最后材料選用 列管換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價格高且較稀缺，應盡量少用。這里選用的材料為碳鋼 8.其他構(gòu)件的選用 （1）封頭　封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑的殼體。 （2）緩沖擋板　為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設緩沖擋板。 （3）導流筒　殼

13、程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間(死角)，為了提高傳熱效果，常在管束外增設導流筒，使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這個空間。 （4）放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 （5）接管尺寸　換熱器中流體進、出口的接管直徑由計算得出。 二、確定設計方案 1. 該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進口溫度為30℃，出口溫度為40℃；熱流體煤油的進口溫度為120℃，出口溫度為40℃。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。 2. 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水

14、垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。 3. 選用φ252.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.0 m/s 三、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值 殼程煤油的定性溫度為 管程流體的定性溫度為 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程的有關物性數(shù)據(jù)。 煤油在80℃下的物性數(shù)據(jù) 循環(huán)冷卻水在35℃下的物性數(shù)據(jù) 密度 ρ0=812 kg/m3 密度 ρi=994.1 kg/m3 定壓比熱容 cpo=2.28 kJ/(kg℃) 定壓比熱容 cpi=4.175 kJ/(kg.℃) 導熱系數(shù) λo=0.141 W/(m℃) 導熱系數(shù) λi

15、=0.624 W/(m.℃) 粘度 μo=0.00084 Pas 粘度 μi=0.000725 Pa.s 四、計算總傳熱系數(shù) 1.熱流量 2.平均傳熱溫差 (℃) 3.冷卻水用量 4.總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù) W/(m2℃) 殼程傳熱系數(shù) 假設殼程的傳熱系數(shù)α0=300 W/(m2℃) 根據(jù)附錄中表1.和表2.流體的污垢熱阻可得 污垢熱阻 Rsi=0.000344 m2℃/W Rso=0.000172 m2℃/W 管壁的導熱系數(shù) λ=45 W/(m℃) =234.86 W/(m2

16、℃) 五、計算傳熱面積 考慮15%的面積裕度， 六、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1.管徑和管內(nèi)流速 選用φ252.5傳熱管（碳鋼），根據(jù)附錄中表3.管殼式換熱器中常用的流速范圍,取管內(nèi)流速ui=1.0 m/s 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) （根） 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器管程數(shù)為 （管程） 傳熱管總根數(shù)（根） 3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應查附錄中

17、圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù)。 但R=8的點在圖上難以讀出，因而相應以1/R代替R,PR代替P，查同一圖線，可得 =0.83 平均傳熱溫差 ℃ 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=1.25do，則 橫過管束中心線的管數(shù) （根） 5.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 圓整可取D=650 mm。 6.折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板的切缺率為25%，則切去的圓缺高度為h=0.25650=162.5(mm),故可取h=160mm。 取折流板間距B=0.3D，則

18、 B=0.3650=195(mm)，可取B為200mm。 折流板數(shù) (塊) 折流板圓缺面水平裝配。 7.接管 殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為u=1.0m/s，則接管內(nèi)徑為 取標準管徑為80mm。 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為 取標準管徑為130mm。 七、換熱器計算 1.熱量核算 （1）殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用克恩公式 當量直徑，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 普蘭特準數(shù) 粘度校正 W/(m2℃) （2）管程對

19、流傳熱系數(shù) 管程流通截面積 管程流體流速 雷諾數(shù) 普蘭特準數(shù) W/(m2℃) （3）傳熱系數(shù)K =356.21 W/(m2℃) （4）傳熱面積S 該換熱器的實際傳熱面積Sp、 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。 2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力 （1）管程流動阻力 根據(jù)附錄中表4.某些工業(yè)管材的絕對粗糙度可得，傳熱管的絕對粗糙度ε=0.1，所以相對粗糙度 由，查附錄中圖2.關系圖可得， W/(m℃) 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。 （2）殼程阻力

20、 流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 殼程流動阻力也比較適宜。 八、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 固定管板式換熱器規(guī)格尺寸和計算結(jié)果如下： 工藝參數(shù) 換熱器型式：固定管板式 名稱 管程 殼程 換熱面積：101.24 物料名稱 循環(huán)水 煤油 設備結(jié)構(gòu)參數(shù) 操作壓力, 0.4 0.3 管數(shù)/根 236 操作溫度,℃ 30/40 120/40 管程數(shù) 4 流量,Kg/h 65532.93 15000 管間距,mm 32 流體密度，kg/m3 994.1 812 間距，mm 20

21、0 流速，m/s 0.99 0.180 殼體內(nèi)徑，mm 650 傳熱量，kW 760 管長，mm 6000 總傳熱系數(shù)，W/m2℃ 356.21 排列方式 正三角形 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/m2℃ 4755.38 531.71 管子規(guī)格 Ф25*2.5 污垢系數(shù)，m2K/W 0.000344 0.000172 折流板型式 圓缺形折流板 流動阻力，Pa 68747.86 4623.66 折流板數(shù)/個 29 膨脹節(jié) 因為管內(nèi)平均溫度35℃，管外平均溫度80℃，80-35=45<50℃。所以不需要膨脹節(jié)。 殼體壁厚 查GB-151-199

22、9（附錄中表5),得圓筒厚度為：10 mm 封頭設計 上下均選橢圓形封頭 JB/T4737-2002標準，DN6502 鞍座 查JB/T4712-92 ，DN=650.mm，選用B1型鞍式支座 L>3000mm，LB=(0.5~0.7)L，此取LB=4000 拉桿的直徑和數(shù)量 根據(jù)附錄中表6.拉桿直徑的選取，取得拉桿直徑為16mm。 根據(jù)附錄中表7.拉桿數(shù)量，取得拉桿數(shù)量為4根。 九、設計小結(jié)

23、十、文獻參考 [1] 賈紹義，柴誠敬 主編．化工原理課程設計[M].天津：天津大學出版社，2002.8 [2] 譚天恩，竇梅，周明華等主編．化工原理:上冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.4 [3] 秦叔經(jīng)，葉文邦等編．換熱器[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.12 [4] 潘繼紅等．管殼式換熱器的分析與計算[M]．北京：科學出版社，1996 [5] 化工設備技術(shù)全書編委會．換熱器設計[M]．上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1988 [6] 匡國柱，史啟才．化工單元過程及設備課程設計[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2002 [7] 錢頌文主編. 換熱器設計手冊[M]. 北京:

24、化學工業(yè)出版社. 2002 十一、主要符號說明 英文字母 T----煤油溫度，℃ B----折流板間距，mm u----流速，m/s Cp----定壓比熱容，kJ/(kg℃) wi----循環(huán)水用量 ，kg/h d----管徑，mm 希臘字母 D----殼體內(nèi)經(jīng)，mm α----對流傳熱系數(shù)，W/(m2℃) h----折流板圓缺高度，mm λ----導熱系數(shù)，W/(m℃) K----總傳熱系數(shù)，W/(m2℃) ε=絕對粗糙度 l----長度，m μ----粘度，Pas L----長度，m ρ----密度，kg/m3 n----管數(shù) φ----校正系數(shù)

25、 N----程數(shù) P----壓強，Pa 下標 Q----熱流量，kJ/h o----管外 Rs----污垢熱阻，(m2℃)/W i----管內(nèi) S----傳熱面積，m2 e----當量 t----循環(huán)水溫度，℃ m----平均 t----管心距，mm 十二、附錄 表1.流體的污垢熱阻 加熱流體溫度?！? 小于115 115～205 水的溫度，℃ 小于25 大于25 水的速度，（m/s） 小于1.0 大于1.0 小于1.0 大于1.0 污垢熱阻，(m2℃/W)： 海水 0.859810-4 1.1719710-4

26、 自來水，井水，鍋爐軟水 1.1719710-4 3.439410-4 蒸餾水 0.859810-4 0.859810-4 硬水 5.159010-4 8.598010-4 河水 5.159010-4 3.439410-4 6.878810-4 5.159010-4 表2.流體的污垢熱阻 流體名稱 污垢熱阻(m2℃/W) 流體名稱 污垢熱阻(m2℃/W) 流體名稱 污垢熱阻(m2℃/W) 有機化合物蒸氣 0.859810-4 有機化合物 1.1719710-4 石腦油 1.1719710-4 溶劑蒸氣 1.1719710-4 鹽水 1

27、.1719710-4 煤油 1.1719710-4 天然氣 1.1719710-4 熔鹽 0.859810-4 汽油 1.1719710-4 焦爐氣 1.1719710-4 植物油 5.159010-4 重油 8.598010-4 水蒸氣 0.859810-4 原油 (3.4394~12.098)10-4 瀝青油 1.1719710-4 空氣 3.439410-4 柴油 (3.4394~5.1590)10-4 表3. 管殼式換熱器中常用的流速范圍 介質(zhì) 流速 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 管

28、程流速（m/s） 1.0-2.0 0.8-1.5 0.5-3 ＞1.0 0.8-1.8 0.5-1.5 殼程流速，（m/s） 0.5-1.5 0.5-1.5 0.2-1.5 ＞0.5 0.4-1.0 0.3-0.8 表4.某些工業(yè)管材的絕對粗糙度 管道類別 絕對粗糙度ε/mm 金屬管 無縫黃銅管、銅管、鉛管 0.01～0.05 新的無縫鋼管、鍍鋅鐵管 0.1～0.2 新的鑄鐵管 0.3 輕度腐蝕的無縫鋼管 0.2～0.3 顯著腐蝕的無縫鋼管 0.5以上 舊的鑄鐵管 0.85以上 表5.GB-151-1999 殼體外徑/mm 325

29、 400,500,600,700 800,900,1000 1100,1200 最小壁厚/mm 8 10 12 14 表6.拉桿直徑的選取 換熱管外徑D 10m≤D≤14m 14m＜D＜25m 25m≤D≤57m 拉桿直徑d 10mm 12mm 16mm 表7.拉桿數(shù)量 拉桿直徑d，mm 公稱直徑D，mm ＜400 ≥400~＜700 ≥700~＜900 ≥900~＜1300 ≥1300~＜1500 ≥1500~＜1800 ≥1800~＜2000 ≥2000~＜2300 ≥2300~＜2600 10 4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 14 16 圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù) 圖2.關系