化工原理課程設計--換熱器

1、<p>　　化工原理課程設計題目</p><p>　　學 院：化學化工學院</p><p>　　專 業(yè)：化學工程與工藝</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號： </b></p><p><b

2、>　　指導教師：</b></p><p>　　日 期：2013年8月25日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　換熱器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。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化

3、工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。 </p><p>　　換熱器既可是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它

4、不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器</p><p>　　二十世紀20年代出現(xiàn)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

5、期間，為了解決強腐蝕性介質的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。</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。70年代中期，為

6、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。</p><p>　　70年代末隨著能源矛盾的日益突出，國內(nèi)冶金工業(yè)爐開始大量采用換熱器，其中絕大多數(shù)是金屬對流換熱器。當時最受青睞的是翅片管換熱器，它的換熱元件是帶有內(nèi)外翅片的鑄鋼管。由于單位體積內(nèi)的換熱面積大，所以換熱器整體效率高，占地小，適合舊有爐子改造位置緊張的條件。但由于鑄造產(chǎn)品質量控制難度大，裂、漏現(xiàn)象嚴重，而且膨脹問題也成為薄弱環(huán)節(jié)，更有令人

7、頭痛的積灰問題，限制了翅片管換熱器的應用水平。自80年代后期以來，各種軋制管材的換熱器逐漸取代了翅片管換熱器。雖然其單位體積內(nèi)的換熱量沒有翅片換熱器大，但它的質量穩(wěn)定，壽命長，阻力損失也不太大，得到廣大用戶的喜愛。目前應用最多的是管式換熱器，其換熱管是無縫鋼管，有時管內(nèi)加插件以強化傳熱，材質是碳鋼或碳鋼滲鋁或耐熱鋼。近年來，材質水平又有了新的提高</p><p>　　管殼式換熱器具有可靠性高、適應性廣等優(yōu)點．在各

8、工業(yè)領域中得到最為廣泛地應用。近年來．盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn)．但反過來也促進了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化發(fā)展的今大，管殼式換熱器仍占主導地位。</p><p>　　根據(jù)管殼式換熱器的結構特點，可分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五類。</p><p>　　固定管板式換熱器的典型結構如圖1所示。管束連接到管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點是結構簡單、緊湊、

9、承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應力。這種換熱器適用于殼側介質清潔且不易結垢并能進行清洗。管、殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼側壓力不高的場合。為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件(如膨脹節(jié)、撓性管板等)，來吸收熱膨脹差。</p><p>　　圖1 固定管板式換熱器</p>

10、<p>　　固定管板式換熱器的主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結構（包括管束）三部分組成。管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其結構簡單緊湊，排管多，能承受較高的壓力，造價低，管內(nèi)不宜結垢，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。這種換熱器適用于殼側介質清潔且不易結垢并能進行清洗，管程和殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼側壓力不高的場合。</p><p><b>　　關鍵詞：換熱器</b&g

11、t;</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.1換熱器的簡介.- 4 -</p><p>　　1.2設計的目的和意義- 7 -</p><p>　　1.3換熱器設計任務書- 8 -</p><p>　　1.4確定設計方案- 9 -</p><p

12、>　　1.5確定工藝流程- 10 -</p><p>　　1.6確定設計參數(shù)- 11 -</p><p>　　1.7計算總傳熱系數(shù)- 12 -</p><p>　　1.8換熱器核算- 12 -</p><p>　　1.8.1熱流量核算- 13 -</p><p>　　1.8.2壁溫計算- 14 -&l

13、t;/p><p>　　1.8.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力- 15 -</p><p>　　概述　　1.1 換熱器簡介</p><p>　　在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。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。35％～40％。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提

14、高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 　　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，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結構尺寸。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過熱器等。 換熱器按傳熱方式的不同可分

15、為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結構特點又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。 表2-1 傳熱器的結構分類 </p><p>　　1.2 設計目的和意義</p><p>　?。?）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 　　傳熱量、流體的熱力學參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學性質（密度、粘度、腐

16、蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設計者應根據(jù)這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經(jīng)過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。 　?、僭龃髠鳠嵯禂?shù)? 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的前提下，盡量選擇高的流速。 　　②提高平均溫差? 對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結構中的溫差應力。在允許的條件時，可提高熱流體的進口溫

17、度或降低冷流體的進口溫度。 　　③妥善布置傳熱面? 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側有相變，另一側流體為氣相，可在氣相一側的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 （2）安全可靠 　　換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國《鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定》&

18、lt;/p><p>　　1.3換熱器設計任務書 </p><p>　　1．設計題目 某硫酸生產(chǎn)工藝，年生產(chǎn)硫酸26萬噸。已知濃硫酸濃度98.3%，溫度90℃，要求經(jīng)換熱后硫酸出口溫度小于60℃。</p><p>　　現(xiàn)選擇水為換熱介質，冬季選擇進口溫度10℃，出口溫度60℃。擬設計一換熱器完成生產(chǎn)任務。</p><p>　　設計的目的： 2.

19、通過對硫酸產(chǎn)品冷卻的列管式換熱器設計，達到讓學生了解該換熱器的結構特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當?shù)念愋?，同時還能根據(jù)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。 1.4 確定設計方案</p><p><b>　　選擇換熱器的類型</b></p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度90℃，出口溫度50℃；冷流體進口溫度10

20、℃，出口溫度60℃，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮選式換熱器。</p><p><b>　　1.5確定工藝流程</b></p><p>　　從兩物流的操作壓力看，應使用硫酸走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水易結垢。若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從

21、總體考慮，應使用循環(huán)水走管程，硫酸走殼程。</p><p><b>　　1.6確定設計參數(shù)</b></p><p><b>　　硫酸的定性溫度：</b></p><p>　　密度          ＝1840</p><p

22、>　　定壓比熱容    Cp0＝1.582kJ/kg℃ 熱導率        λ0＝0.109W/m℃ 粘度          μ0＝Pa﹒s 水的定性溫度：</p><p>　　密

23、度          ρi＝992.2/m3  定壓比熱容    Cpi＝4.147KJ/kg℃ 熱導率        λi＝63.38W/ m℃ 粘度    &

24、#160;    μi＝65.60 Pa﹒s</p><p>　　1.7計算總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　1、熱流量</b></p><p>　　kJ/h=521kw</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p&g

25、t;　　△tm1=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)=(100-10)/㏑(100/10)</p><p><b>　　式中：℃ ,℃</b></p><p><b>　　求得℃</b></p><p><b>　　冷卻水用量</b></p><p>　　(kg/s)=9

26、047kg/h</p><p><b>　　3計算傳熱面積</b></p><p>　　求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得硫酸和水之間的傳熱系數(shù)在870W/(㎡.℃)左右，先取K值為800W/(㎡.℃)計算</p><p>　　由Q=KA△tm 得</p><p>　　(㎡) </p>&

27、lt;p><b>　　4.工藝結構尺寸</b></p><p>　　1．管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=5.5m/s。</p><p>　　2．管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>　　Ns=</b></p>

28、;<p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為 </p><p><b>　　L=</b></p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為</p><p><b>　　Np=</b></p><p

29、>　　傳熱管總根數(shù) Nt=2640×0.046=264</p><p>　　3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) </p><p><b>　　R=</b></p><p><b>　　P=</b></p><p>　　按單殼程，雙管程結構得：</p><p

30、>　　平均傳熱溫差 ℃ </p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　4. 傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。見下圖</p><p>　　取管心距t=1.25d0，則 t=1.25

31、15;25=31.25≈32㎜</p><p>　　隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計算</p><p>　　S=t/2+6=32/2+6=22㎜</p><p>　　各程相鄰管的管心距為44㎜。</p><p>　　管束的分程方法，每程各有傳熱管616根，其前后管箱中隔板設置和介質的流通順序按下圖選取。</p>

32、<p>　　5．殼體內(nèi)徑 采用多管程結構，取管板利用率η=0.75 ，則殼體內(nèi)徑為：</p><p><b>　　D=1.05t</b></p><p>　　按卷制殼體的進級檔，可取D=634mm</p><p><b>　　6. </b></p><p>　　6．折流板 采用

33、弓形折流板，去弓形之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>　　H=0.25×634=158.5m，故可取h=159mm</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×634=190.2mm，可取B為191mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)目NB=</b></p

34、><p><b>　　1.8換熱器核算</b></p><p>　　1.8.1.熱流量核算</p><p>　?。?）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計算得：</p><p><b>　　當量直徑：</b></p><p><b>　　=</b></p&

35、gt;<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>　　0</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p><b>　　粘度校正：</b>&l