換熱器課程設計---年處理量2.0×105噸柴油冷卻器的設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　1、設計題目：年處理量2.0×105噸柴油冷卻器的設計</p><p><b>　　2、操作條件：</b></p><p>　?。?）柴油：入口溫度175℃；出口溫度90℃；</p><p>　　（2）冷卻介質：采用

2、循環(huán)水，入口溫度20℃，出口溫度50℃； </p><p>　?。?）允許壓降：不大于105Pa；</p><p>　?。?）柴油定性溫度下的物性數據：</p><p>　?。?）每年按330天計，每天24小時連續(xù)生產。</p><p><b>　　3、設計任務：</b></p><p>　?。?

3、）處理能力：200000t/a柴油；</p><p>　　（2）設備型式：列管式換熱器；</p><p>　?。?）選擇適宜的列管換熱器并進行核算；</p><p>　?。?）繪制帶控制點的工藝流程圖和設備結構圖，并編寫設計說明書。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　柴

4、油冷卻器是幫助柴油散熱的一個裝置。本課程設計采用浮頭式換熱器來實現柴油冷卻。在設計中，以循環(huán)水為冷卻劑，在給定的操作條件下對柴油冷卻器進行設計。</p><p>　　本設計的內容包括：1、緒論：換熱器的技術概況、換熱器的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢以及換熱器的應用和新型換熱器。2、設計方案的確定：換熱器類型的選擇、換熱器的結構設計、流動空間的選擇等。3、換熱器的工藝計算：換熱器面積的估算、換熱器工藝尺寸的計算、換熱器的核算

5、等。4、流程圖、裝配圖等內容。</p><p>　　關鍵詞：柴油；循環(huán)水；浮頭式換熱器；傳熱</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Diesel oil cooler is a device of cooling diesel . This course design use floating head he

6、at exchanger to achieve diesel cooling. In the design, water is the circulating agent for cooling, in the operating condition what is given to design the diesel oil cooler .</p><p>　　This design content incl

7、udes: 1,introduction,the technology situation of the heat exchanger,the development and found trend and the application of that and the kinds of new heat exchanger.2, the technology situation of determined of the design

8、scheme : the choice of the heat exchanger type ,the structure of the heat exchanger,and the choice of mobile space. 3,and the technical calculation of heat exchanger : the area of heat exchanger ,the estimation of heat e

9、xchanger process calculation,and the</p><p>　　Keywords: diesel oil; recirculated water;head type heat exchanger ;heat transfer</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅰ&

10、lt;/b></p><p>　　ABSTRACTⅡ</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1換熱器技術概況1</p><p>　　1.2換熱器的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2.1換熱器的發(fā)展歷程1</p>&l

11、t;p>　　1.2.2換熱器的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3換熱器的應用2</p><p>　　1.4新型換熱器2</p><p>　　第2章 設計方案4</p><p>　　2.1 換熱器類型的選擇4</p><p>　　2.1.1換熱器的分類4</p><p>　　

12、2.1.2換熱器的選擇7</p><p>　　2.2 換熱器的結構設計7</p><p>　　2.2.1 換熱管布置和排列間距7</p><p>　　2.2.2 管板8</p><p>　　2.2.3 封頭和管箱9</p><p>　　2.2.4 殼體9</p><p>　　2.2.

13、5 折流板9</p><p>　　2.2.6 緩沖板10</p><p>　　2.3流動空間的選擇10</p><p>　　2.4流速的確定11</p><p>　　2.5加熱器、冷卻器的選擇11</p><p>　　2.6流體出口溫度的確定11</p><p>　　2.7材質的選擇

14、12</p><p>　　第3章換熱器的工藝計算13</p><p>　　3.1確定設計方案13</p><p>　　3.1.1選擇換熱器類型13</p><p>　　3.1.2流體間流速確定13</p><p>　　3.2基礎物性數據13</p><p>　　3.2.1定性溫度1

15、3</p><p>　　3.2.2殼程柴油的定性溫度13</p><p>　　3.2.3管程循環(huán)水的定性溫度13</p><p>　　3.2.4柴油物性數據13</p><p>　　3.2.5循環(huán)水物性數據14</p><p>　　3.3 換熱面面積的計算14</p><p>　　3.

16、3.1熱負荷與熱換量14</p><p>　　3.3.2平均傳熱溫差14</p><p>　　3.3.3冷卻用水量15</p><p>　　3.3.4初選換熱器15</p><p>　　3.4工藝結構尺寸的計算15</p><p>　　3.4.1管程數和傳熱管數15</p><p>

17、　　3.4.2傳熱管排列和分程的選擇15</p><p>　　3.4.3 殼程內徑的計算16</p><p>　　3.4.4 折流板的選擇16</p><p>　　3.4.5 接管計算16</p><p>　　3.5換熱器核算16</p><p>　　3.5.1 殼程對流傳熱系數16</p>

18、<p>　　3.5.2 管程對流傳熱系數17</p><p>　　3.5.3 壁面污垢熱阻18</p><p>　　3.5.4 傳熱面積18</p><p>　　3.5.5 換熱器的內流體阻力19</p><p>　　3.6 換熱器主要結構尺寸和計算結果20</p><p>　　工藝設計主要符號說明

19、21</p><p><b>　　結束語22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　附錄24</b></p><p>　　油氣儲運課程設計教師評分表26</p><p><b>　　第1

20、章 緒論</b></p><p>　　1.1換熱器技術概況</p><p>　　換熱器 英語翻譯heat exchanger是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備又稱熱交換器。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;另一流流體則溫度較低,吸收熱量。</p><p>　　換熱器是化學、石油化學及石油煉制工業(yè)中以及其他一些行業(yè)中廣泛

21、使用的熱量交換設備，他不僅可以單 獨作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設備，因此在此化工生產中占有重要的地位。</p><p>　　近年來,由于新科學技術和節(jié)約能源的發(fā)展,對被廣泛應用的換熱器,提高換熱器的傳熱性能和開發(fā)新的節(jié)能型換熱器,已成為換熱器設計、制造方面的重要課題。為此,各國對換熱器都進行了許多研究工作,成立了專門的傳熱研究機構,如美國早在1962年就成立了“傳熱研究公司”(HT

22、RI);英國在1967年成立的“傳熱與流體流動服務處”(HTPS),設在南斯拉夫的“國際傳熱傳質中心”(I CHMT)等等。此外,還有定期召開的國際傳熱專題會議,在這些會議上發(fā)表的論文很多,涉及到的課題也很廣泛,都是比較引人注意的問題。</p><p>　　1.2換熱器的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢</p><p>　　換熱器從出現到將近一百年,通過人們的不斷實踐,發(fā)展成很多種類。但是傳統(tǒng)的設備都是

23、比較復雜、笨重。如今正在往輕型化的趨勢發(fā)展，這種趨勢不僅能為國家節(jié)省鋼鐵資源，還能帶來一系列多米諾骨牌效應一樣的經濟效益。 </p><p>　　1.2.1換熱器的發(fā)展歷程</p><p>　　二十世紀20年代出現板式換熱器,并應用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器結構緊湊、傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初,瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制

24、成的板翅式換熱器，用于飛機發(fā)動機的散熱。30年代末瑞典又制造出第一臺板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們開始注意新型材料制成的換熱器。 </p><p>　　60年代左右，由于空間技術和尖端科學的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進一步完善，從而推動了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。此外,自60

25、年代開始，為了適應高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進一步的發(fā)展。</p><p>　　70年代中期，了強化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。 70年代的世界能源危機有力促進了換熱強化技術的發(fā)展。為了節(jié)能將耗，提高工業(yè)生產經濟效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效換熱設備。所以這些年來，換熱器的開發(fā)和研究成了人們關注的課題。當今換熱器技術的發(fā)展以CFD(計算流體力

26、學技術)、模型化技術、強化傳熱技術等形成一個高技術體系。所謂提高換熱器性能就是提高其傳熱性能。狹義的強化傳熱系數指提高流體和傳熱之間的傳熱系數。 </p><p>　　近年來，隨著制造技術的進步，強化換熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據不同的工藝條件與工況設計制造了不同結構形式的新型換熱器，也取得了較大的經濟效益。</p><p>　　1.2.2換熱器的發(fā)展趨勢&l

27、t;/p><p>　　隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，未來國內市場需求將呈現以下特點：對產品質量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產品將是今后發(fā)展的重點要求產品性價比提高；對產品的個性化、多樣化的需求趨勢強烈，逐漸注意品牌產品的選用。國內經濟發(fā)展帶來的良好機遇，以及進口產品巨大的可轉化性共同預示著我國換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景。同時，行業(yè)發(fā)展必須要注重對現有產品的改進和高端產品的研發(fā)。&

28、lt;/p><p><b>　　1.3換熱器的應用</b></p><p>　　換熱器可以是一個獨立的設備，也可作為其他工藝設備的一個組成部件。其作用主要有：</p><p>　　改變物料的溫度和相態(tài)，以滿足工藝要求；</p><p>　　進行能量回收（余熱回收），以提高過程能量利用效率，節(jié)省能耗；</p>&

29、lt;p>　　維持設備內必要的工作溫度，以保證設備運行的安全性與操作條件。如壓縮機氣缸的冷卻夾套、反應器床層內的換熱部件。</p><p>　　換熱器的應用十分廣泛，在石油工業(yè)中，換熱器的投資約占總設備投資的30%~40%。換熱器在石油工業(yè)中的應用：a.各種油品的加熱及冷卻、乙烯冷箱 b.塔頂氣體的冷凝、冷卻 c.工廠冷卻水、循環(huán)水系統(tǒng) d.天然氣體凈化、工廠氣體凈化 e.工作酸性水處理 f.余熱回收 g.

30、海洋鉆井平臺用海水冷卻、循環(huán)淡水冷卻、脫鹽裝置、淡水蒸餾、三甘醇脫水時進行熱回收</p><p><b>　　1.4新型換熱器</b></p><p>　　1.螺旋折流板換熱器 螺旋折流板換熱器突破了殼層介質流橫向垂直和管子相切的傳統(tǒng)觀念。由若干塊四分之一殼體橫截面的扇形折流板呈螺旋狀自進口處向出口處推進，這樣介質在整個殼體中連續(xù)、平穩(wěn)、旋轉著流動，避免了大角度折

31、返帶來的嚴重壓力損失，減少了能耗。同時由于折流板呈螺旋分布使殼體介質流產生旋渦，從圓心到半徑方向存在較大速度梯度，這個梯度場能有效的在管子表面產生湍流，使邊界減薄，提高膜傳熱系數。</p><p>　　圖1-1 螺旋折流板換熱器</p><p>　　2.麻花扁管換熱器 麻花扁管的制造包括“壓扁”和“熱扭”兩個工序。由于管子結構獨特是管程和殼程同時處于螺旋流運動，促進了湍流。該換熱器

32、的傳熱系數叫現有換熱器提高40%，而壓力降幾乎相等。</p><p>　　特點：改進了傳熱，減少了污垢，真正逆流，無振動，節(jié)省空間，無折流元件，降低了成本。</p><p>　　圖1-2 麻花扁管換熱器</p><p>　　Hitan繞絲花環(huán)換熱器 該型換熱器是英國Cal Gavin Ltd公司開發(fā)的一種新產品,采用一種稱之為Hitan matrix eleme

33、nts的絲狀花內插物,可使流體在低速下產生徑向位移和螺旋流相疊加的三維復雜流動,可提高誘發(fā)湍流和增強沿溫度梯度方向上的流體擾動,能在不增加阻力的條件下大大提高傳熱系數。</p><p>　　氣動噴涂翅片管換熱器 通常在實踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。采用在翅片表面噴涂AC-鋁,并添加了24A白色電爐氧化鋁的試驗，將試驗所得數據加以整理,便可評估翅片底面的接觸阻力。氣動噴涂翅片的底面的接觸

34、阻力對效率無實質性影響。氣動噴涂法不但可用于成型,還可用來將按普通方法制造的翅片固定在熱換器管子的表面上,也可用來對普通翅片的底面進行補充加固?？梢灶A計,氣動噴涂法在緊湊高效的換熱器生產中將會得到廣泛應用</p><p><b>　　第2章 設計方案</b></p><p>　　化工生產中所用的換熱器類型很多。不同類型換熱器，其性能各異，因此要了解各種換熱器的特點，以

35、便根據工藝要求選用適當類型。同時，還要根據傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力等。</p><p>　　2.1 換熱器類型的選擇</p><p>　　2.1.1換熱器的分類</p><p>　　隨著換熱器在工業(yè)生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點，性能各異。</p><

36、;p>　　按照冷熱物料間接觸方式，換熱器可以分為直接式換熱器、蓄熱式換熱器、表面式換熱器（間壁式換熱器）。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設備具有結構簡單、制造容易等特點，但由于在換熱過程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設備以間壁式換熱器居多。</p><p>　　間壁式換熱器的類型也是多種多樣，按照基本換熱元件的型態(tài)可分為管式和板式兩大類。后者有多重形式其中有

37、間壁由若干平行的板面構成，冷熱流體的流道可以都做的很窄，故單位體積中能容納較多的傳熱面，即有較高的緊湊度，。為進一步提高換熱器的緊湊度與傳熱效果，可以采用擴展表面（例如管翅式）和其他強化措施，具體分類如下：</p><p>　　一、管式換熱器 </p><p>　　1、管殼式換熱器 </p><p>　?。?）固定管板式換熱器（2）浮頭式換熱器（3）U型

38、管式換熱器</p><p><b>　　2、套管式換熱器</b></p><p>　　3、蛇管換熱器 </p><p>　?。?）沉浸式蛇管換熱器（2）噴淋式蛇管換熱器</p><p><b>　　4、翅片管換熱器</b></p><p>　　二、板式換熱器

39、</p><p><b>　　1、夾套換熱器</b></p><p><b>　　2、平板式換熱器</b></p><p><b>　　3、螺旋板式換熱器</b></p><p><b>　　4、板翅式換熱器</b></p><p>

40、;<b>　　5、傘板換熱器</b></p><p><b>　　6、螺旋板式換熱器</b></p><p><b>　　三、熱管換熱器</b></p><p>　　不同的換熱器各有自己的優(yōu)缺點和使用條件。一般來說，板式換熱器單位體積的傳熱面積較大、設備緊湊250～1500，低耗材，傳熱系數大，熱損失

41、小。但承壓能力較低，工作介質的處理量較小，且制造加工較復雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結構較簡單、加工制造比較容易，結構堅固，性能可靠，適應面廣等突出優(yōu)點，因此被廣泛用于化工生產中。</p><p>　　列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據主導地位。列管式換熱器設計資料個數據比較完善，目前在許多國家已有系

42、列化標準。</p><p>　　列管式換熱器有以下幾種：</p><p>　　1）固定管板式換熱器</p><p>　　由殼體、管板、管束、封頭、折流擋板、接管等部件組成。管子兩端與管板的連接方式可用焊接法或膨脹法固定，殼體則同管板焊接，從而管束、管板與殼體成為一個不可拆卸的整體。</p><p>　　優(yōu)點：結構簡單、緊湊，制造成本低；管內不

43、易結垢，及時產生了污垢也便于清洗。</p><p>　　缺點：課殼程檢修和清洗困難。</p><p>　　主要適用于殼體和管束溫差小，管外物料比較清潔，不易結垢的場合。當冷熱劉體檢溫差超過50℃時，應加補償圈以減少熱應力。</p><p>　　圖2-1 固定管板式換熱器</p><p><b>　　U形管式換熱器</b>

44、;</p><p>　　該換熱器的每根管子都呈U形，管子的兩端固定在同一塊板上。封頭內用隔板分成兩室，管程至少為兩程。管子可自由伸縮，與殼體無關。</p><p>　　優(yōu)點：結構簡單，只有一塊管板，質量輕，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。</p><p>　　缺點：膽管內清洗困難，制造困難，管板利用率低，報廢率較高。</p><p

45、>　　適用于高溫、高壓、管內為清潔流體的場合。</p><p>　　圖2-2 U型管式換熱器</p><p><b>　　3）浮頭式換熱器</b></p><p>　　其兩端管板之一不與外殼連接，可以沿管長方向浮動，該端成為浮頭。當殼體與管束因溫度不同而引起膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內沿軸自由伸縮，可完全消除熱應力。</p>

46、;<p>　　優(yōu)點：當換熱管與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可從殼體內抽出，便于管內和管間清洗和維修。</p><p>　　缺點：結構復雜沒用材量大，造價高；浮頭蓋與浮頭管間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質的混合。</p><p>　　適用于兩流體溫差較大的各種物料的熱換，應用較為普遍。</p><p>　　圖

47、2-3 浮頭式換熱器</p><p><b>　　4)填料函式換熱器</b></p><p>　　該換熱器是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束不可以自由伸縮，不會產生因殼壁與管壁溫差恩引起的溫差壓力。</p><p>　　優(yōu)點：結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也較浮頭式的低；管束可以從殼體內抽出，管內、管間均

48、能進行清洗，維修方便。</p><p>　　缺點：填料函耐壓不高，殼程介質可能通過填料函外漏。</p><p>　　對易燃、易爆、有毒和貴重的介質不適用。</p><p>　　圖2-4 填料函式換熱器</p><p>　　2.1.2換熱器的選擇</p><p>　　各種換熱器各有其適合場合，選用時應該根據工藝要求、廠

49、區(qū)特點、不同型式換熱器對介質和操作條件的適應性以及設備制造費用和操作費用等因素進行技術經濟綜合權衡。在設計換熱器時還應同時恰當的選用其結構材料，要根據設備的操作壓力和溫度、介質的腐蝕性、材料的加工工藝性能和價格因素等方面綜合考慮。作為換熱元件的材料應該有較高的導熱性、足夠的機械強度和耐熱性。在石油化工行業(yè)中，更需注意材料的耐蝕性。選材不當，既影響換熱器的使用壽命和安全性，也可能不必要的是設備的成本大為提高。在我國隨著經濟快速發(fā)展的同時，

50、各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現。為了適應發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求：</p><p>　　1 合理地實現所規(guī)定的工藝條件；</p><p><b>　　2 結構安全可靠；</b></p><p>　　3 便于制造、安裝、操作和維修

51、；</p><p><b>　　4 經濟上合理。</b></p><p>　　浮頭式換熱器屬于間壁式換熱器，其換熱管內構成的流體通道稱為管程，換熱管外構成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進而實現兩流體換熱工藝目的。</p><

52、p>　　綜合上述情況 本次設計采用浮頭式換熱器。</p><p>　　2.2 換熱器的結構設計</p><p>　　2.2.1 換熱管布置和排列間距</p><p>　　常用換熱管規(guī)格有、（1Cr18Ni9Ti）、(碳鋼 10)。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列。</p><p>　　正

53、三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清理；同心圓排列用于小直徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。我過換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也偶正三角形排列。</p><p>　　對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝個班，采用正方形排列方式。</p><p>　　管心距（管中間的距離）t與管外徑的比

54、值，焊接時為1.25，脹接時為1.35~1.5。</p><p>　　圖2-1 換熱管排列方式</p><p><b>　　2.2.2 管板</b></p><p>　　管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體開來。</p><p>　　管板與管子的連接可用脹接或焊接。脹接發(fā)是利用脹管器將管子擴脹，產生顯著

55、的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封固定的目的。</p><p>　　焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴密性。</p><p>　　管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩種。固定管板常采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上并兼做法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管內。浮頭式、U型管式等為使殼體清洗方便，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構成可拆連接。</p><

56、p>　　2.2.3 封頭和管箱</p><p>　　封頭和管箱位于殼體兩端，起其作用是控制及分配管程流體。</p><p>　　封頭 當殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用發(fā)法蘭和螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。</p><p>　　管箱 殼徑較大的換熱器大多采用管箱結構。管箱具有一個可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時無

57、須拆下管箱。</p><p>　　分程隔板 當西藥的換熱面積很大時，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內應設分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數目大致相等。這樣可提高介質流速，增強傳熱。管程多著可達16程，常用的有1、4、6程，其布置方案見表3-2.在布置時應盡量使管程流體與課程流體成逆流布置，以增強傳熱，同時應嚴防分程隔板的泄露，以防止流體的短路。</p><p>

58、;<b>　　圖2-2 管程布置</b></p><p><b>　　2.2.4 殼體</b></p><p>　　殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進入和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mm的可用鋼板卷焊而成。</p><p>　　介質在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應用

59、最為普遍。如殼側傳熱膜系數遠小于管側，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。</p><p><b>　　2.2.5 折流板</b></p><p>　　在殼程管束中們一般都裝有橫向折流板，用以引導流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。折流板的型式

60、有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。</p><p><b>　　2.2.6 緩沖板</b></p><p>　　在殼程進口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可以防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導流筒，不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。</p><p>　　

61、一般浮頭式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術特性</p><p>　　1.管束可以抽出，以方便清洗管、殼程 </p><p>　　2.介質間溫差不受限制 </p><p>　　3.可以在高溫高壓下工作， 一般溫度小于等于450℃，壓力小于等于64Mpa</p><p>　　4.可用于結垢比較嚴重的場合</p>&

62、lt;p>　　5.多用于管程腐蝕場合</p><p>　　6.但小浮頭易發(fā)生內漏金屬材料耗量大成本高結構復雜。</p><p>　　2.3流動空間的選擇</p><p>　　在管殼式換熱器的計算中,首先需決定何種流體走管程,何種流體走殼程,這需遵循一些一般原則。</p><p>　　易結垢流體應走易于清洗的一側。對于固定管板式、

63、浮頭式換熱器，一般應使易結垢流體流經管程；但對于U型換熱器，易結垢流體流經殼程。</p><p>　　若在設計上需要提高流體的流速，以提高傳熱膜洗漱。在這種情況下，應將需提高流速的流體放在管程。這是因為管程流通截面積較小，且易于采用多管程結垢，以提高流速。</p><p>　　具有腐蝕性的流體應走管程，以免管束與殼體同時受到腐蝕，同時這樣也可以節(jié)約耐腐蝕材料，降低換熱器成本。</p&

64、gt;<p>　　壓力高的流體應走管程，這是因為管子直徑較小，承壓能力強，能夠頭避免采用耐壓的殼體和密封措施。</p><p>　　溫度很高的（很低的）物料應走管內，以減少熱量（冷量）的散失。</p><p>　　粘度大的流體走殼程，因為殼程內的流體在折流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數下就可以達到湍流狀態(tài)。</p><p>　　有

65、毒的流體宜走管程，以減少向環(huán)境泄露的機會。</p><p>　　若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數α較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數較大的流體溫度，以較小管壁和殼壁的溫度差。</p><p>　　所以 此次方案設計循環(huán)水走管程,柴油走殼程。</p><p><b>　　2.4流速的確定</b></p><p>　

66、　提高流體在換熱器中的流速，將增大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數增加，所需傳熱面積減少，設備費用降低。但是，流速增加，流體阻力也將相應增大，操作費用增加。因此，選用適宜的流速是是十分重要的，適宜的流速應通過經濟核算來確定。一般，盡可能使管程內流體的Re>(同時也要注意其他方面的合理性)，高粘度流體常按層流設計。根據經驗，在下列表中列出一些工業(yè)上常用的流體流速范圍，以供參考。</

67、p><p>　　表2-1 換熱器常用流速的范圍</p><p>　　表2-2 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速</p><p>　　2.5加熱器、冷卻器的選擇 </p><p>　　在換熱過程中加熱器和冷卻器的選用根據實際情況而定。除應滿足加熱和冷卻溫度外，還應考慮來源方便，價格低廉，使用安全。在化工生產中常用的加熱劑有飽和水蒸

68、汽、導熱油，冷卻劑有水。</p><p>　　此次設計需使用冷卻劑，實驗設計時已給出選，用循環(huán)水作為冷卻劑。</p><p>　　2.6流體出口溫度的確定</p><p>　　工藝流體的進出口溫度是由工藝條件決定，加熱劑或冷卻劑的進口溫度也是確定的，但其出口的溫度是由設計者選定的。該溫度直接影響加熱劑或冷卻劑的耗量和換熱器的大小，所以此溫度的確定有一個優(yōu)化問題。&l

69、t;/p><p>　　此次設計中，流體進出口的溫度已給出。</p><p><b>　　2.7材質的選擇</b></p><p>　　在進行換熱器設計時，換熱器各種零件、部件的材料，應根據設備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當然，最后還要考慮材料的經濟合理性。一般為了滿足設備的操作壓力和操作溫度，即從設備

70、的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結構有著密切關系。</p><p>　　一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。</p><p><b>　　1、碳鋼</b></p><

71、p>　　價格低，強度較高，對堿性介質的化學腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應用時合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。</p><p><b>　　2、不銹鋼</b></p><p>　　奧氏體系不銹鋼以1Cr18Ni9為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性

72、能。</p><p>　　本次設計采用碳鋼材料的換熱器即可。</p><p>　　第3章換熱器的工藝計算</p><p><b>　　3.1確定設計方案</b></p><p>　　3.1.1選擇換熱器類型</p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體（柴油）進口溫度175℃，出口溫度90℃；冷

73、流體（循環(huán)水）進口溫度20℃，出口溫度50℃。該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。</p><p>　　3.1.2流體間流速確定</p><p>　　由于循環(huán)冷卻水易結垢，為了便于水垢的清洗，應采用循環(huán)水走管程，柴油走殼程。選用φ25×2.5mm的碳鋼管，管內流速取u=1.5m/s。</p><p><b>　　3.

74、2基礎物性數據</b></p><p><b>　　3.2.1定性溫度</b></p><p>　　取流體進口溫度的平均值為定性溫度。</p><p>　　3.2.2殼程柴油的定性溫度</p><p>　　3.2.3管程循環(huán)水的定性溫度</p><p>　　3.2.4柴油物性數據<

75、;/p><p>　　由手冊查得 柴油在定性溫度下物性數據：</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容 </b></p><p><b>　　導熱系數 <

76、/b></p><p>　　3.2.5循環(huán)水物性數據</p><p>　　循環(huán)冷卻水在下的物性數據</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容 </b></p

77、><p><b>　　導熱系數 </b></p><p>　　3.3 換熱面面積的計算</p><p>　　3.3.1熱負荷與熱換量</p><p><b>　　熱負荷 </b></p><p><b>　　熱換量 </b></p><

78、p>　　3.3.2平均傳熱溫差</p><p>　　由R、P查圖得換熱器的溫度校正系數 </p><p><b>　　平均傳熱溫差 ℃</b></p><p>　　3.3.3冷卻用水量</p><p>　　3.3.4初選換熱器</p><p><b>　　設初選換熱器 </

79、b></p><p><b>　　則估算面積 </b></p><p>　　考慮15%的換熱裕度則 </p><p>　　3.4工藝結構尺寸的計算</p><p>　　3.4.1管程數和傳熱管數</p><p>　　依據傳熱管內徑和流速確定當程傳熱管數</p><p&g

80、t;　　按單管程計算，所需傳熱管長度為</p><p>　　按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。先取傳熱管長L=4.5m，則該換熱器管程數為</p><p>　　則傳熱管總根數 根</p><p>　　3.4.2傳熱管排列和分程的選擇</p><p>　　采用組合法排列，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距&

81、lt;/p><p><b>　　則 </b></p><p>　　橫過管束中心線的管束 </p><p>　　3.4.3 殼程內徑的計算</p><p><b>　　圓整后 </b></p><p>　　3.4.4 折流板的選擇</p><p>&l

82、t;b>　　采用弓形折流板</b></p><p><b>　　塊</b></p><p>　　折流板圓缺面：水平裝置。</p><p>　　3.4.5 接管計算</p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內油品速度為u=1.0m/s</p><p><b>　　則

83、接管內徑為</b></p><p>　　取標準管徑為100mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速2m/s</p><p><b>　　則接管內徑為</b></p><p>　　取標準管徑為90mm</p><p><b>　　3.5換熱器核算<

84、;/b></p><p>　　3.5.1 殼程對流傳熱系數</p><p>　　對圓缺形折流板，可采用克恩公式：</p><p>　　當量直徑，由正三角形排列得</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　課程流體流速及其雷諾數分別為</p><

85、;p><b>　　普朗特常數</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　3.5.2 管程對流傳熱系數</p><p><b>　　管程流通面積</b></p><p>　　管程流體流速及其雷諾數分別為</p><p>

86、;<b>　　普朗特準數</b></p><p>　　3.5.3 壁面污垢熱阻</p><p>　　3.5.4 總傳熱系數K</p><p>　　3.5.4 傳熱面積</p><p><b>　　換熱器實際傳熱面積</b></p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p

87、><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。</p><p>　　3.5.5 換熱器的內流體阻力</p><p><b>　　管程流動阻力</b></p><p>　　NS=1，NP=4，Ft=1.4</p><p><b>　　，</b></p>&

88、lt;p>　　由Re=20456，傳熱管相對粗糙度，查圖——摩擦系數與雷諾準數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。</p><p><b>　　殼程流動阻力</b></p><p><b>　　，&

89、lt;/b></p><p><b>　　，，，，</b></p><p>　　殼程流動阻力也比較適宜。</p><p>　　3.6 換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p>　　工藝設計主要符號說明</p><p><b>　　1.英文字母</b></p&g

90、t;<p><b>　　2.下標</b></p><p><b>　　3.希臘字母</b></p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　在課程設計這段時間內，我學到了很多，也收獲了很多。</p><p>　　首先，課程設計鍛煉了我的信息搜集能力

91、和信息處理能力。在此次課程設計期間，我開始學著通過各種途徑查閱相關資料，并對大量資料進行整合和篩選，挑選出我所需要的，這對于我今后的研究和學習有很大的幫助。其次，課程設計檢驗了我對學過知識的運用情況以及我在短時間內理解陌生知識并將其變?yōu)樽约旱闹R的能力。而且這次課程設計中，有些東西必須是靠自己獨立去完成的，提高了我獨立自主的能力，另一方面，有些不懂的、計算錯誤卻不知道原因的又必須和同學們討論研究，也提高了我團隊合作的能力。</p&

92、gt;<p>　　同時，在這次課程設計中，我鞏固加強了對Excel表格、Word文檔以及CAD制圖軟件的運用，讓我對這些計算機軟件的運用更加熟練自如。</p><p>　　本設計在編寫過程中，得到邵寶力老師以及油氣1002班同學們的指導與幫助，在此表示衷心的感謝！本設計還參考了一些化工石油設計著作，在此特向有關作者致意！</p><p>　　由于本人水平有限，設計之中難免存在

93、不妥之處，希望老師與讀者批評指正！</p><p><b>　　王斌</b></p><p><b>　　2012.12</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 賈紹義，柴城敬.化工原理課程設計.天津：天津大學出版社，2002：40~4

94、5</p><p>　　[2] 王國勝.化工原理課程設計第二版.大連：大連理工大學出版，2006：39</p><p>　　[3] 王衛(wèi)東.化工原理課程設計.北京：化學工業(yè)出版社，2011：137~163</p><p>　　[4] 王松漢.石油化工設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2002：562~567</p><p>　　[5] 百度文庫

95、.教育專區(qū).高等教育.工學.換熱器的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢</p><p>　　[6] 百度文庫.教育專區(qū).高等教育.工學.國外新型換熱器</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　表1 列管式換熱器中常用的流速范圍</p><p>　　表2 列管式換熱器中不同黏度液體的最大流速</p>

96、<p>　　表3 冷卻水的避免污垢的熱阻 單位：W/（m²·℃）</p><p>　　表4 工業(yè)用液體的壁面污垢的熱阻</p><p>　　圖一 溫度差修正系數 </p><p><b>　　圖二 莫迪圖</b></p><p>　　油氣儲運課程設計教師評分表</p><