化工原理課程設(shè)計(jì)--列管式換熱器 (2)

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　題目名稱：列管式換熱器</p><p>　　系 部：化學(xué)與環(huán)境工程系</p><p>　　專業(yè)班級(jí)：應(yīng)用化工技術(shù)12-班（民）</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是列管式換熱器的設(shè)計(jì)。列

2、管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì)、流動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。列管式的換熱器的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案，試算和初選換熱器的規(guī)格（包括計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻油流量，計(jì)算兩流體的平均溫度差，初選換熱器規(guī)格）；核算管程、殼程壓強(qiáng)降；核算總傳熱系數(shù)。本組選擇的換熱器為型換熱器，計(jì)算結(jié)果為:K的估計(jì)值為145，的計(jì)算值是169，，在1.15-1.25范圍內(nèi)，所選換熱器合適。</p>

3、<p>　　關(guān)鍵詞：列管式換熱器；設(shè)計(jì)；計(jì)算；結(jié)論</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1前言1</b></p><p>　　1.1 固定管板式換熱器2</p><p>　　1.2 浮頭式換熱器2</p><p>　

4、　1.3 U型管式換熱器2</p><p>　　2列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1試算和初選換熱器的規(guī)格3</p><p>　　2.1.1計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻油的流量3</p><p>　　2.1.2計(jì)算兩流體的平均溫度差4</p><p>　　2.1.3初選換熱器規(guī)格4</p>

5、<p>　　2.2核算壓強(qiáng)降5</p><p>　　2.2.1管程壓強(qiáng)降5</p><p>　　2.3核算總傳熱系數(shù)8</p><p>　　2.3.1管程對(duì)流傳熱系數(shù) αi8</p><p>　　2.3.2殼程對(duì)流傳熱系數(shù) αo8</p><p>　　2.3.3污垢熱阻10</p>

6、<p>　　2.3.4總傳熱系數(shù) KO10</p><p>　　2.4設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表11</p><p><b>　　3.參考文獻(xiàn)12</b></p><p><b>　　4.設(shè)計(jì)自評(píng)12</b></p><p><b>　　1前言</b></p&g

7、t;<p>　　換熱設(shè)備是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在化工、石油、輕工、食品、動(dòng)力、制藥、冶金等許多工業(yè)部門中廣泛應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中，換熱器占設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，近年來，加氫裝置的要求越來越多，如加氫裂化，煤油加氫，汽油、柴油加氫和潤滑油加氫等，所需的高溫、高壓的換熱設(shè)備的數(shù)量隨之加大，在這些場(chǎng)合，換熱設(shè)備通常占總投資的50%以上。換熱設(shè)備

8、也是回收余熱、廢熱，特別是地位熱能的有效裝置。</p><p>　　列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì)可分別采用普通碳鋼、紫銅或不銹剛制作。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連接管處進(jìn)入，在管內(nèi)流動(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱為管程；另一種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。</p><p&

9、gt;　　列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種。</p><p>　　1.1 固定管板式換熱器</p><p>　　這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此類換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩邊，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)，管子和管板于外殼的連接都是剛性的，

10、而管內(nèi)、管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。</p><p>　　為了克服溫差應(yīng)力，必須有溫差補(bǔ)償裝置。一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時(shí)，為了安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60-70℃和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)，由于補(bǔ)

11、償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。</p><p>　　1.2 浮頭式換熱器</p><p>　　換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式的高20%左右。</p>

12、;<p>　　1.3 U型管式換熱器</p><p>　　U型管式換熱器，每根管子都彎成U型，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。管程至少為2程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是：管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、適用于高溫高壓條件。</p><p>　　2列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)</p

13、><p>　　第五小組 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件</p><p>　　流量為30kg/s的某油品從150℃降到110℃，將原油從25℃加熱到60℃，已知定性溫度下兩流體的物性如下表：</p><p>　　試選用合適型號(hào)的換熱器。</p><p>　　2.1試算和初選換熱器的規(guī)格</p><p>　　本題為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱

14、過程，根據(jù)兩流體的情況，因原油的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，且易結(jié)垢，故選擇原油走換熱器的管程，油品走殼程。</p><p>　　2.1.1計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻油的流量</p><p><b>　　W</b></p><p><b>　　kg/s</b></p><p>　　2.1.2計(jì)算兩流體的平均溫度差&

15、lt;/p><p>　　暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為</p><p><b>　　℃ </b></p><p><b>　　而 </b></p><p>　　由圖3-24查得 </p><p><b>　　所以 </b></p

16、><p><b>　　℃</b></p><p>　　2.1.3初選換熱器規(guī)格</p><p>　　根據(jù)兩流體的情況，假設(shè) W/(㎡·℃)</p><p><b>　　故 </b></p><p><b>　　m2</b></p>&

17、lt;p>　　由于 ℃﹥ ℃，因此需考慮熱補(bǔ)償。據(jù)此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（參見附錄中選定的型換熱器）。有關(guān)參數(shù)如下：</p><p><b>　　實(shí)際傳熱面積 </b></p><p><b>　　㎡</b></p><p>　　若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程中的總傳熱系數(shù)為 W/(㎡·℃)。<

18、;/p><p><b>　　2.2核算壓強(qiáng)降</b></p><p>　　2.2.1管程壓強(qiáng)降</p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　　管程流通面積 </b></p><p><b>　　㎡</b>&

19、lt;/p><p><b>　　m/s</b></p><p><b>　　(湍流)</b></p><p>　　設(shè)管壁粗糙度 mm , ,由關(guān)系圖中查得：</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　Pa </b

20、></p><p><b>　　Pa</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　Pa</b></p><p>　　2.2.2殼程壓強(qiáng)降</p><p><b>　　其中 </b></p&

21、gt;<p>　　管子為正方形斜轉(zhuǎn)45°排列，</p><p>　　取折流擋板間距 m</p><p><b>　　殼程流通面積</b></p><p><b>　　㎡</b></p><p><b>　　m/s</b></p><

22、;p><b>　?。?</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　Pa</b></p><p><b>　　Pa</b></p><p><b>　　Pa</b></p><

23、;p>　　計(jì)算表明，殼程和殼程壓強(qiáng)降都能滿足要求。</p><p>　　2.3核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　2.3.1管程對(duì)流傳熱系數(shù) αi </p><p><b>　　(湍流)</b></p><p><b>　　W/(㎡·℃)</b></p><p&g

24、t;　　2.3.2殼程對(duì)流傳熱系數(shù) αo</p><p><b>　　即 </b></p><p>　　取換熱器列管之中心距 mm。流體通過管間最大截面積為</p><p><b>　　㎡</b></p><p><b>　?。?ｓ</b></p><p&g

25、t;<b>　　ｍ</b></p><p>　　殼程中油品被冷卻，取 。</p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　W/﹙㎡·℃﹚</b></p><p><b>　　2.3.3污垢熱阻</b></p>

26、<p>　　參見表3-16，管內(nèi)、外測(cè)污垢熱阻分別取為 </p><p><b>　　㎡·℃/W</b></p><p><b>　　㎡·℃/W</b></p><p>　　2.3.4總傳熱系數(shù) KO</p><p>　　管壁熱阻可忽略時(shí)，總傳熱系數(shù) 為</p

27、><p><b>　　W/﹙㎡·℃﹚</b></p><p>　　由前面的計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)要的總傳熱系數(shù)為145 W/﹙㎡·℃﹚，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的 為 169 W/﹙㎡·℃﹚，故選擇的換熱器是合適的。安全系數(shù)為</p><p><b>　　% %</b></p

28、><p>　　2.4設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表</p><p><b>　　3.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋．《化工原理》上冊(cè)，第二版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，1999.</p><p>　　[2] 楊祖榮主編．《化工原理》，第一版，北京，高等教育出版社，2004.</p>&

29、lt;p><b>　　4.設(shè)計(jì)自評(píng)</b></p><p>　　經(jīng)過一個(gè)星期的設(shè)計(jì)，讓我受益匪淺。通過一個(gè)星期的大量計(jì)算和查閱資料，大體上將換熱器的設(shè)計(jì)成功完成。雖然當(dāng)中還存在少量問題，但這次設(shè)計(jì)對(duì)我來說還是比較成功的。在這次設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)到了很多東西，感受也很深刻。</p><p>　　這次的設(shè)計(jì)讓我明白了很多關(guān)于換熱器方面的知識(shí)，同時(shí)也讓我學(xué)會(huì)了怎樣去克服

30、困難，能夠讓我更加全面的去思考問題。在這次的設(shè)計(jì)過程中我遇到了不少困難，但通過詢問老師及和同組人的共同探討下，問題一一化解。與此同時(shí)，我學(xué)會(huì)了如何通過調(diào)節(jié)流速來改變流體湍動(dòng)程度，使校正值符合要求，也學(xué)會(huì)了如何去確定管程、殼程以及怎樣核算、怎樣用公式等。在設(shè)計(jì)過程中，我更是加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)的操作技術(shù)，特別是對(duì)公式編輯器的使用。</p><p>　　總而言之，通過這次的設(shè)計(jì)，我收獲了很多。這真的是一次很好的鍛煉自己的機(jī)會(huì)