換熱器課程設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p><b>　　純苯液體冷卻器</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　化工原理是在研究化學工業(yè)共性的基礎上發(fā)展起來的。本課程屬于技術基礎課程，主要研究化工生產中的物理加工過程，按其操作原理的共性歸納成若

2、干個“單元操作”，研究對象由過程和設備兩部分組成。</p><p>　　化工原理課程設計是化工原理教學的一個重要環(huán)節(jié)，是完成以單元操作為主的一次設計實踐。通過課程設計使學生掌握化工設計的基本程序和方法，并在查閱技術資料、選用公式和數據、用簡潔文字和圖表表達設計結果、制圖以及計算機輔助計算等能力方面得到一次基本訓練，在設計過程中可培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和實事求是、嚴肅負責的工作作風。本課程是化工原理課程教學的一

3、個實踐環(huán)節(jié)，是使學生得到化工設計的初步訓練，為畢業(yè)設計奠定基礎。</p><p>　　換熱器按照結構形式可分為：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器；U形管換熱器；填料函式換熱器。</p><p>　　固定管板式換熱器由兩端管板和殼體構成。由于其結構簡單，運用比較廣泛,是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。在煉油、化工

4、裝置中換熱器占總設備數量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著節(jié)能技術的發(fā)展，應用領域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經濟效益。</p><p><b>　　編 者</b></p><p><b>　　于太原工業(yè)學院</b></p><p><b>　　目錄</b>&l

5、t;/p><p>　　第一章 化工原理課程設計任務書</p><p>　　一、設計題目：—純苯液體冷卻器</p><p><b>　　二、設計條件：</b></p><p>　　1、處理能力：14000kg/h</p><p>　　2、設備形式：列管式換熱器</p><p>&

6、lt;b>　　3、操作條件 </b></p><p>　　允許壓力將0.02Mpa 熱損失：按傳熱量的10%計算</p><p><b>　　三、設計內容</b></p><p><b>　　1、前言</b></p><p>　　2、確定設計方案（設備選型、冷卻劑選擇、

7、換熱器材質及載體流入空間的選擇）</p><p><b>　　3、工藝設計</b></p><p>　　初估換熱面積，并確定換熱器基本尺寸（包括管徑、管長、程數、每管程數、管子排列、壁厚、換熱器直徑、流體進出管管徑等計算）</p><p><b>　　4、換熱器核算、</b></p><p>　?。?/p>

8、1）核算總傳熱系數（傳熱面積）</p><p>　?。?）換熱器內流體的流動阻力校核（計算降壓）</p><p><b>　　5、機械結構選用</b></p><p>　?。?）管板選用、管子在管板上的固定、管板與殼體連接結構</p><p><b>　?。?）封頭類型選用</b></p>

9、;<p>　?。?）溫度補償裝置的選用</p><p><b>　　（4）管法蘭選用</b></p><p><b>　?。?）管、殼程接管</b></p><p>　　6、換熱器主要結構尺寸和計算結果表</p><p>　　7、結束語（包括對設計的自我評價及有關問題的分析討論）<

10、;/p><p>　　8、換熱器結構和尺寸（1#圖紙）</p><p><b>　　9、參考資料目錄</b></p><p>　　第二章 固定管板式換熱器簡述</p><p>　　固定管板式換熱器概述</p><p>　　固定管板式換熱器由兩端管板和殼體構成。由于其結構簡單，運用比較廣泛。</p&

11、gt;<p>　　固定管板式換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設備數量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著節(jié)能技術的發(fā)展，應用領域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經濟效益。</p><p>　　固定管板式換熱器管程和殼程中，流過不同溫度的流體，通過熱交換完

12、成換熱。當兩流體的溫度差較大時，為了避免較高的溫差應力，通常在殼程的適當位置上，增加一個補償圈（膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。</p><p>　　固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封

13、頭焊在一起，管束內根據換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數。</p><p>　　特點：固定管板式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。</p><p>　　優(yōu)點

14、：1、旁路滲流較?。?、鍛件使用較少，造價低；3、無內漏；4、傳熱面積比浮頭式換熱器大20%～30%。</p><p>　　缺點：1、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t≤50℃,當t≥50℃時必須在殼體上設置膨脹節(jié)；2、易產生溫差力，管板與管頭之間易產生溫差應力而損壞；3、殼程無法機械清洗；4、管子腐蝕后連同殼體報廢，設備壽命較低。</p><p>　　第三章 純苯液體冷卻器設計內容

15、</p><p>　　3.1 確定設計方案</p><p>　　確定設計方案的原則：滿足工藝和操作上的要求，確保安全生產，做到經濟、技術上的合理，及盡量節(jié)省設備和操作費用。</p><p>　?。?）選擇換熱器的類型</p><p>　　1）兩流體的溫度變化情況：</p><p>　　苯（熱流體）入口溫度為80℃，出口

16、溫度為60℃；</p><p>　　水（冷流體）入口溫度為29℃，出口溫度為39℃。</p><p>　　從冷熱流體的溫度來看，換熱器的殼體溫度和管壁溫度二者的溫度差并不太大，初步確定選用固定管板式換熱器。</p><p>　　2）冷熱流體井口溫度差</p><p>　　80℃-29℃=51℃>50℃</p><p&

17、gt;　　選用的固定管板式有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。 </p><p><b>　?。?）管程安排</b></p><p>　　查閱資料可知，不潔凈或易結垢的流體宜走便于清潔的管程，黏度大或者流量小流體的流體宜走殼程，溫度較高的流體應在易散熱的流體宜走殼程。</p><p>　　根據本設計的實際情況，水在操作溫度下平均黏度較大，循環(huán)水易結

18、垢，并且如果流速低的境況下，將會加快結垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，而苯為熱流體，大于苯在操作溫度下平均黏度故總體考慮，應使水走管程，苯走殼程。</p><p><b>　　（4）流體參數 </b></p><p>　　1） 定性溫度：對于低粘度的流體，其定性溫度可取流體進、出溫度的平均值，所以苯和水的定性溫度如下：</p><p>　　苯

19、的定性溫度：T==70℃</p><p>　　水的定性溫度：T==34℃</p><p>　　2）苯在定性溫度下的物性參數：密度ρ 830.0kg/m³，比熱容 1.90kJ/(kg·℃)，導熱系數λ 0.335W/(m·℃），黏度μ 0.136×10-3 Pa·s。</p><p>　　3）水在定性溫度下的物性參數

20、：密度ρ994.3kg/m³，比熱容 4.17kJ/(kg·℃)，導熱系數λ 0.624W/(m·℃），黏度μ 0.737×10-3 Pa·s。</p><p>　　3.2 估算傳熱面積</p><p><b>　?。?）計算熱負荷</b></p><p>　　= (T1-T2)=×1

21、.90×103 ×（80-60）=1.478×105W</p><p><b>　　（2）冷卻水用量</b></p><p>　　= ==3.19kg/s=11482 kg/h </p><p>　?。?）傳熱平均溫度差 </p><p>　　= = = 36℃</p>

22、;<p>　?。?）平均傳熱溫差校正及殼程數</p><p>　　平均溫度校正系數的計算</p><p>　　R = = 2 </p><p>　　P = = 0.196 </p><p>　　按單殼程，雙管程結構查表可知 = 0.965 </p><p>　　平均傳熱溫差 = = 0.

23、965×36= 34.74℃ </p><p>　　由于平均傳熱溫度校正大于0.8，同時殼程流體流量較大，故選取單殼程較為合適。 </p><p><b>　?。?）初算換熱面積</b></p><p>　　參照傳熱系數K的大致范圍為300K-800K，所以假設K = 600W/(㎡·℃）</p><p

24、>　　則估算傳熱面積 A估== =6.38</p><p>　　3.3 工藝結構尺寸 </p><p>　?。?）管徑和館內流速 </p><p>　　選用φ25mm×2mm的無縫鋼管（碳鋼），取管內流速1.1m/s。</p><p>　?。?）總管數和管程數 </p><p>　　依據傳熱管內徑和流

25、速確定單程傳熱管數</p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為</p><p>　　取標準管長 L標 =3 m，所以傳熱管程數m=2</p><p>　　傳熱總管數N = m =14×2 = 28根</p><p>　　所以總管數n=28+4=32根，即數據圓整為n=36根</p><p>　　

26、（3）傳熱管排列和分程方法</p><p>　　管程是雙程，所以采用組合排列法，每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。管子與管板采用焊接結構。</p><p>　　管心距取 PT= 1.25 = 1.25×25= 32 mm</p><p><b>　　（4）殼體直徑 </b></p><p>　　采

27、用多管程結構，管板利用率η = 0.8 </p><p>　　則殼體內徑為：D = 1.05 =1.05×32× = 225.39mm</p><p>　　按殼體標準圓整數據取 D =273mm</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離</p><p><b>　?。?）折流擋板</b&

28、gt;</p><p>　　采用弓形折流擋板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去圓缺高度為：</p><p>　　h = 0.25×273=68.25mm</p><p>　　取折流板間距 </p><p><b>　　B = 150mm</b></p><p>　　

29、折流板數 </p><p>　　3.4 換熱器計算校核</p><p><b>　?、趴倐鳠嵯禂岛怂?lt;/b></p><p><b>　　管程傳熱系數 </b></p><p><b>　　流體被加熱 </b></p><p><b&

30、gt;　　故W/(㎡·℃）</b></p><p><b>　　管外傳熱系數</b></p><p>　　管子按正三角形排列，傳熱當量</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p><b>　　㎡</b></p><

31、;p><b>　　殼程流體流速</b></p><p><b>　　殼程中苯被冷卻，取</b></p><p><b>　　W/(㎡·℃）</b></p><p>　　管內，外側熱阻分別取：㎡·℃/W；</p><p>　　㎡·℃/W。已知管

32、壁厚度b=0.002m;取碳鋼導熱系數</p><p><b>　　W/(m·℃)。</b></p><p><b>　　總傳熱系數K為</b></p><p>　　W/(㎡·℃） 715-<50</p><p><b>　　⑵傳熱面積核算</b&

33、gt;</p><p><b>　　所需傳熱面積</b></p><p>　　前已算出換熱器的實際傳熱面積,則</p><p><b>　　,故滿足生產要求。</b></p><p><b>　　⑶核算壓力降</b></p><p><b>　

34、　管程壓力降</b></p><p>　　已知：;；;(湍流)。對φ25mm×2mm的管子，；對于碳鋼管，取管壁相對粗糙度取</p><p><b>　　由關系圖中查得</b></p><p><b>　　殼程壓力降</b></p><p><b>　　已知：有<

35、;/b></p><p>　　管子按正三角形排列 </p><p>　　折流檔板間距 </p><p>　　折流擋板數 </p><p>　　殼程流通截面積 ㎡</p><p><b>　　殼程流速 </b></p>&

36、lt;p><b>　?。?</b></p><p>　　計算結果表明，管程與殼程的壓力降均能滿足設計要求。</p><p>　　3.5換熱器相關設備的選用</p><p><b>　　換熱管的選擇 </b></p><p>　　選用的是外徑 25mm，壁厚為2mm無縫鋼管。兩管程，公稱

37、直徑D=219mm換熱器排列圖如下</p><p><b>　　定距管</b></p><p>　　根據GB/TB163-2008.流體輸送用無縫鋼管，采用φ25mm×2mm的定距管，拉桿采用定距管結構</p><p><b>　　管板與管子連接 </b></p><p>　　管板與管子

38、連接采用焊接法 </p><p><b>　　管箱的選擇</b></p><p>　　因為DN小于400mm,所以選用平蓋管箱</p><p><b>　　折流板間距S</b></p><p>　　折流板間距S=150mm</p><p><b>　　膨脹節(jié)的選用

39、</b></p><p>　　選用U形膨脹節(jié)，波的高度為70mm，圓弧半徑為22mm。</p><p><b>　　封頭的選用</b></p><p>　　上下兩端封頭均采用標準橢圓形封頭，根據</p><p>　　JB/T 4737-95標準，封頭為：公 稱直徑DN為219mm,曲面高度h1=54.75

40、mm，曲面高度h2=25mm，壁厚為8mm。</p><p>　　接管及法蘭的選用 </p><p>　　根據流速選擇管徑 u=1.8-2.5m/s</p><p><b>　　根據公式：</b></p><p><b>　　熱流體： 取 </b></p><p>&l

41、t;b>　　則：</b></p><p><b>　　冷流體： 取 </b></p><p><b>　　則：</b></p><p>　　管程流體進出口接管用無縫鋼管，根據GB 6479標準，選外徑為60mm,壁厚為3.5mm的，配用法蘭PL60-0.25RF Q235A,采用HG20592標準。&l

42、t;/p><p>　　殼程流體進出口接管用無縫鋼管，根據GB 6479標準，選外徑為50mm,壁厚為3.5mm的, 配用法蘭PL50-0.25RF Q235A，采用HG20592標準。</p><p>　　排氣口接管用無縫鋼管，根據GB 6479標準，選外徑為32mm,壁厚為2.5mm的，配用法蘭PL32-0.25RF Q235A，采用HG20592標準。</p><p&g

43、t;　　排污口接管用輸送流體用無縫鋼管，根據GB 6479標準，選外徑為32mm,壁厚為2.5mm的，配用法蘭PL32-0.25RF Q235A，采用HG20592標準。</p><p><b>　　管板的選用</b></p><p>　　管板厚度40mm，用Q235A。</p><p><b>　　殼體厚度的確定</b>

44、</p><p>　　殼體內徑D=219，可選用壁厚為8mm.</p><p><b>　　支座的選用</b></p><p>　　選用鞍式支座，根據JB/T 4712-92標準，鞍座A273-F(S)。</p><p>　　3.6 換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p>　　第4部分

45、 主體裝置圖繪制（見圖紙）</p><p>　　第5部分 主要符號說明</p><p>　　P ----- 壓力，Pa ----- 熱阻，㎡·℃/w N ----- 管數</p><p>　　S ----- 傳熱面積，㎡ t（T） ----- 冷（熱）流體溫度，℃</p><p>　　U ----- 流速,m/s

46、----- 對流傳熱系數，w/（㎡·℃）</p><p>　　D ----- 殼體內徑 ----- 校正系數 d ----- 管徑</p><p>　　Q ----- 傳熱速率 ----- 粘度，Pa·s Re ----- 雷諾數</p><p>　　K ----- 總傳熱系數，w/（㎡·℃） Pr ----- 普朗特數<

47、;/p><p>　　第6部分 結束語</p><p>　　從上述課程設計的結果不難看出，若要保證設計出的換熱器在K值假設與真實計算值之差、壓力差，面積富裕值等方面滿足要求，需假設合適的K值、選用合適的標準管束及數目、擋板數、殼尺寸等等。</p><p>　　再通過這次課程設計，我們在以下幾個方面得到了培養(yǎng)和訓練：</p><p>　?。?

48、）查閱資料，選用公式和搜集數據的能力。</p><p>　?。?）正確選用設計參數，樹立從技術上可行和經濟上合理兩方面考慮的工程觀點，同時還需考慮到操作維修的方便和環(huán)境保護的要求。</p><p>　?。?）正確、迅速地進行工程計算。設計計算是一個反復試算的過程，計算工作量很大，因此正確與迅速（含必要的編程能力）必需同時強調。 </p><p>　?。?）掌握化工設

49、計的基本程序和方法，學會用簡潔的文字和適當的圖表表示自己的設計思想。</p><p>　　這次課程設計的訓練讓我對自己的專業(yè)有了更加理性的認識，這對我們的繼續(xù)學習是一個很好的指導方向，我們了解了工程設計的基本內容，掌握了化工原理設計的主要程序和方法，增強了分析和解決工程實際問題的能力。同時，通 過 課 程 設 計，還 使 我 們 樹 立 正 確 的 設 計 思 想，培 養(yǎng) 實 事 求 是、嚴 肅 認 真、高 度

50、負責的工作作風，加強工程設計能力的訓練和培養(yǎng)嚴謹求實的科學作風更尤為重要。 </p><p>　　最后，我還要感謝我們的指導老師對我們的教導與幫助，感謝老師的盡心盡力，感謝同學們的相互支持，與他們一起對一些問題的探討和交流讓我開拓了思路，也讓我在課程設計時多了些輕松、愉快。</p><p>　　第7部分 參考主要文獻</p><p>　　[1]《化工原理》天

51、津大學化工原理教研室編 天津：天津大學出版社。（1990）</p><p>　　[2]《換熱器》秦叔經、葉文邦等，化學工業(yè)出版社（2003）</p><p>　　[3]《化工過程及設備設計》華南工學院化工原理教研室（1987）</p><p>　　[4]《化工原理課程設計》申迎華、郝曉剛，化學工業(yè)出版社（2009）</p><p>　?。?）

52、繪管板布置圖確定實際管子數目</p><p>　　由官辦布置圖知，實際排管數為24根，扣除4根拉桿，則實際換熱管為20根。</p><p>　　取管板厚度為40mm . </p><p>　　則換熱器的實際傳熱面積 A = </p><p>　　= 20×3.14×0.025×（4.5-0.04×2