化工原理課程設(shè)計固定管板式換熱器的設(shè)計

化工原理課程設(shè)計課題名稱 固定管板式換熱器的設(shè)計 專業(yè)班級 食品091班 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 程謙偉 2011年12月固定管板式換熱器設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：煤油冷卻器的設(shè)計（6人/組）二、設(shè)計任務(wù)1.煤油處理能力： 12萬噸/年煤油2.設(shè)備形式：固定管板式換熱器3.操作條件：① 煤油：入口溫度120℃，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105Pa④ 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行3、 設(shè)計要求1. 根據(jù)換熱任務(wù)設(shè)計確定設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制（A1圖紙）6. 編寫設(shè)計說明書7. 小組組員分工合作目錄一、概述 51.換熱器的選擇及特點 52.通過殼程、管程流體的確定 53.流速的確定 64.管子的規(guī)格和排列方法 65.管程和殼程數(shù)的確定 66.折流擋板 77.最后材料選用 78.其他構(gòu)件的選用 7二、確定設(shè)計方案 8三、確定物性數(shù)據(jù) 8四、計算總傳熱系數(shù) 91.熱流量 92.平均傳熱溫差 93.冷卻水用量 94.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 101.管徑和管內(nèi)流速 102.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 113.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 114.傳熱管排列和分程方法 125.殼體內(nèi)徑 126.折流板 127.接管 13七、換熱器計算 131.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（3）傳熱系數(shù)K 15（4）傳熱面積S 152.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(shè)計 18鞍座 18拉桿的直徑和數(shù)量 18九、設(shè)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圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù) 23圖2.關(guān)系 24一、概述根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設(shè)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(dǎo)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)確定傳熱管排列方式和分程方法根據(jù)設(shè)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(shè)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(shè)計范圍內(nèi)就能完成任務(wù)1.換熱器的選擇及特點在設(shè)計任務(wù)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(yīng)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(guān)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(yīng)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怠?/p>

這些也是選擇流速時應(yīng)予考慮的問題在本次設(shè)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(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)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(yīng)為1.5、2、3或6m此外，管長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取l/D為4～6(對直徑小的換熱器可大些)在這次設(shè)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)靥岣咴谶@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)較小。

為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程但是程數(shù)過多，導(dǎo)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(shè)計時應(yīng)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(yīng)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，使對流傳熱系數(shù)下降7.最后材料選用列管換熱器的材料應(yīng)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(yīng)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(shè)緩沖擋板3）導(dǎo)流筒　殼程流體的進、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(shè)導(dǎo)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(shè)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，為便于水垢清洗，應(yīng)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(guān)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(dǎo)熱系數(shù)λo=0.141 W/(m℃)導(dǎo)熱系數(shù)λi=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(shè)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℃/WRso=0.000172 m2℃/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45 W/(m℃) =234.86 W/(m2℃)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/s2.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(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。

現(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(yīng)查附錄中圖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(yīng)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 mm6.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(wù)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(guān)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(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)操作壓力,0.40.3管數(shù)/根236操作溫度,℃30/40120/40管程數(shù)4流量,Kg/h65532.9315000管間距,mm32流體密度，kg/m3994.1812間距，mm200流速，m/s0.990.180殼體內(nèi)徑，mm650傳熱量，kW760管長，mm6000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℃4755.38531.71管子規(guī)格Ф25*2.5污垢系數(shù)，m2K/W0.0003440.000172折流板型式圓缺形折流板流動阻力，Pa68747.864623.66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-151-1999（附錄中表5),得圓筒厚度為：10 mm封頭設(shè)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(shè)計小結(jié)十、文獻參考[1] 賈紹義，柴誠敬 主編．化工原理課程設(shè)計[M].天津：天津大學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)出版社，1996[5] 化工設(shè)備技術(shù)全書編委會．換熱器設(shè)計[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988[6] 匡國柱，史啟才．化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002[7] 錢頌文主編. 換熱器設(shè)計手冊[M]. 北京: 化學(xué)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，mmu----流速，m/sCp----定壓比熱容，kJ/(kg℃)wi----循環(huán)水用量 ，kg/hd----管徑，mm希臘字母D----殼體內(nèi)經(jīng)，mmα----對流傳熱系數(shù)，W/(m2℃)h----折流板圓缺高度，mmλ----導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃)K----總傳熱系數(shù)，W/(m2℃)ε=絕對粗糙度l----長度，mμ----粘度，PasL----長度，mρ----密度，kg/m3n----管數(shù)φ----校正系數(shù)N----程數(shù)P----壓強，Pa下標Q----熱流量，kJ/ho----管外Rs----污垢熱阻，(m2℃)/Wi----管內(nèi)S----傳熱面積，m2e----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115115～205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0.859810-41.1719710-4自來水，井水，鍋爐軟水1.1719710-43.439410-4蒸餾水0.859810-40.859810-4硬水5.159010-48.598010-4河水5.159010-43.439410-46.878810-45.159010-4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1.1719710-4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程流速（m/s）1.0-2.00.8-1.50.5-3＞1.00.8-1.80.5-1.5殼程流速，（m/s）0.5-1.50.5-1.50.2-1.5＞0.50.4-1.00.3-0.8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/mm325400,500,600,700800,900,10001100,1200最小壁厚/mm8101214表6.拉桿直徑的選取換熱管外徑D10m≤D≤14m14m＜D＜25m25m≤D≤57m拉桿直徑d10mm12mm16mm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~＜260010461012161824283212448101214182024164466810121416圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù)圖2.關(guān)系。