乙醇管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)

1、成績(jī)課程設(shè)計(jì)說明書題目： 管殼式換熱器設(shè)計(jì) 課程名稱： 化工原理課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 李* 學(xué) 號(hào)： 20120501* 專業(yè)班級(jí)： 化學(xué)工程與工藝12-2 指導(dǎo)教師： 張 允 2014年 11 月 26 日 摘要：管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛地應(yīng)用，管殼式換熱器主要有固定管板式換熱器，斧頭式換熱器，u型管式換熱器等。一般由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體本次設(shè)計(jì)的換熱

2、器為固定管板式換熱器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)gb150-1998鋼制壓力容器和gb151-1999管殼式換熱器等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換熱器各零件進(jìn)行選擇和計(jì)算。固定管板式換熱器包括外殼、封頭、管板、折流板、法蘭、以及支座等。還涉及到了管子與管板之間的連接以及確定壁厚的校驗(yàn)等內(nèi)容。設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，圖紙符合國家機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)要求，傳熱效果滿足要求。關(guān)鍵詞：固定管板式換熱器，傳熱系數(shù)，管程數(shù)與殼程數(shù)，傳熱管排列和分程方法，折流板，接管，換熱器的校核，殼體的選擇，法蘭的選擇，折流板的設(shè)計(jì)，是否使用膨脹節(jié)的確定，開孔補(bǔ)強(qiáng)等。目錄1.設(shè)計(jì)背景41.1 課程背景41.2設(shè)計(jì)目的42.設(shè)計(jì)方案52.1設(shè)計(jì)

3、條件52.2設(shè)計(jì)流程53.方案實(shí)施63.1確定設(shè)計(jì)方案63.1.1選擇換熱器的類型63.1.2流動(dòng)空間及流速的確定63.1.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)73.1.4 計(jì)算傳熱面積83.1.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算83.1.6 換熱器的核算103.2機(jī)械設(shè)計(jì)133.2.1換熱器殼體壁厚計(jì)算及校核133.2.2 換熱器封頭的選擇及校核143.2.3 容器法蘭的選擇153.2.4管板結(jié)構(gòu)尺寸153.2.5 管子拉脫力的計(jì)算153.2.6計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)173.2.7折流板設(shè)計(jì)183.2.8開孔補(bǔ)強(qiáng)183.2.9支座194. 結(jié)果與結(jié)論204.1工藝設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表205.收獲：216.謝辭22設(shè)計(jì)背景1.1 課程

4、背景 換熱器是化工、石油、鋼鐵、動(dòng)力、食品、發(fā)電等許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要的地位。尤其是化工生產(chǎn)中，換熱器關(guān)系到生產(chǎn)的正常運(yùn)行和操作費(fèi)用。換熱器的種類繁多，但管殼式換熱器設(shè)備在化工生產(chǎn)中仍占據(jù)主要地位，尤其在高溫或有腐蝕性介質(zhì)的作業(yè)中更能顯出優(yōu)勢(shì)。管殼式換熱器是由一些直徑較小的圓管加上管板組成管束，外套一個(gè)外殼而構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適應(yīng)性強(qiáng)，選材廣，易制造，成本低等優(yōu)點(diǎn)。 其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是為了

5、保證換熱器的質(zhì)量和運(yùn)行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。 對(duì)同一種形式的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計(jì)中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟(jì)的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。1.2設(shè)計(jì)目的通過對(duì)乙醇產(chǎn)品冷卻的管式換熱器設(shè)計(jì)，了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念愋停瑫r(shí)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(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。并對(duì)自己所學(xué)課程的應(yīng)用有一定的了解。2.設(shè)計(jì)方案

6、2.1設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)一管式換熱器，處理乙醇，一年按330天，每天24小時(shí)生產(chǎn)，其中高溫液體為乙醇，入口溫度75，出口。冷卻液體為水，入口溫度，出口溫度。要求其最大壓力降不大于。2.2設(shè)計(jì)流程（1）工藝設(shè)計(jì)工藝結(jié)構(gòu)尺寸的確定包括管程數(shù)與殼程數(shù)，傳熱管排列和分程發(fā)發(fā)、殼體內(nèi)經(jīng)、折流板數(shù)、接管。換熱器的核算包括熱量核算，換熱管內(nèi)流體的流動(dòng)阻力等。（2） 機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程包括對(duì)殼體材料的選擇，換熱器封頭的選擇，容器法蘭的選擇，管子拉脫力的計(jì)算，死否需要膨脹節(jié)的計(jì)算，折流板設(shè)計(jì)，開孔補(bǔ)強(qiáng)等。方案實(shí)施3.1確定設(shè)計(jì)方案3.1.1選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度75，出口溫度15。冷流體（循

7、環(huán)水）進(jìn)口溫度5，出口溫度15。該換熱器冷卻熱的混合氣體，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。3.1.2流動(dòng)空間及流速的確定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大，應(yīng)使較大的循環(huán)水走管內(nèi)。所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。選用25mm2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)循環(huán)水流速取0.5m/s。殼程乙醇的定性的溫度為： 密度 0767.35kg/m3定壓比熱容 cp02.63kj/kgc 熱導(dǎo)率 00.164w/mc 粘度 0mpas管程（水）的定性的溫度為： 密度 i999.7kg/m3 定壓比熱容 cpi4.191

8、kj/kgc 熱導(dǎo)率 i0.5745w/ mc 粘度 im pas3.1.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)3.3.1.熱流量 m0=20104103/(33024)=7.0(kg/s) q0= m0coto=7.02.63(75-15) =1104.6(kw)3.3.2.平均傳熱溫差=(t1-t2 )/ ln(t1/t2) =(75-15 ) -(15-5 )/ ln(75-15 )/ (15-5 ) =27.9(c)其中t1=t1-t2，t2=t2-t1。3.3.3. 水用量 wi =q0/(c iti)=1104.6/4.191(15-5)=26.36kg/s2.2.4.總傳熱系數(shù)k管程傳熱系數(shù)：re=

9、7644.7i=0.023 =0.023=2082w/（mc）殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)0=850w/（m2c）污垢熱阻rsi=0.00017197m2c/w，rso=0.00017197m2c/w管壁的導(dǎo)熱系數(shù)=45 w/（mc）k=449.3w/（mc）3.1.4 計(jì)算傳熱面積s=88.12m2考慮15%的面積裕度，s=1.15s=1.1588.12=101.34（m2）3.1.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算 (1)管徑和管內(nèi)流速f252.5傳熱管（碳管），取管內(nèi)流速ui=0.5m/s（2） 管程速和傳熱管數(shù)ns=167.9=168（根）按單程計(jì)算，所需的傳熱管長度為l=7.7（m）按單程設(shè)計(jì)

10、，傳熱管過長，宜采用多管結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在傳熱管長=6m，則該換熱器管程數(shù)為np=2(管程)傳熱管總根數(shù)n=1682 =336（根）（3） 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)： =6 =0.17按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。但r=5的點(diǎn)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t=0.85平均傳熱溫差tm=ttm=0.8527.9=23.725(c)(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a=1.25d0，則： a=1.2525=31.25=32（mm）橫過管束中心線的管數(shù)=1.19=2

11、1.8=22殼體內(nèi)徑采用多管結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為：d=1.05a=1.0532=736.1（mm)圓整可取d=800mm(5) 折流板(6) 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25800=200（mm)取折流板間距b=0.3d，則b=0.3800=240mm)，可取b=0.3800=240mm折流板數(shù)nb=傳熱管長/折流板間距-1=6000/240-1=24（塊） (7) 接管殼程流體進(jìn)、出口接口：取接管內(nèi)油品流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑： 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=2.0m/s，則接管內(nèi)徑為：

12、 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為3.1.6 換熱器的核算（1） 熱量衡算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式：當(dāng)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： 普朗特?cái)?shù)： 粘度校正： 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 管程流體流通截面積：管程流體流速： 普朗特?cái)?shù)： 傳熱系數(shù)： =399.0 傳熱面積裕s：該換熱器的實(shí)際傳熱面積為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(dòng)阻力 管程流動(dòng)阻力 ns=1，np=4，ft=1.4，由rei = 7645.17，傳熱管相對(duì)粗糙度e/d=0.01/20=0.0005，查圖得= 0.04流速u

13、i=0.4998，i999.7kg/m3，所以：所以 = 0.046/0.02999.70.49982/2=1498.35(pa)=3999.70.49982 /2=374.59(pa)pi = (1498.35+374.59)1.42 = 5244.232pa 105pa管程壓降再允許范圍之內(nèi)。流體流經(jīng)管束的阻力：p1 = ffonc(nb+1)f=0.5 p1 = ffonc(nb+1) = 0.50.736822（24+1）=19435.06流體流過折流板缺口的阻力：p2 = nb(3.5-) p2 = nb(3.5-) =24(3.5-)0.52767.35/2 =1381.23(pa

14、)總阻力：po = ( 19435.06+1301.23)1.01.0 = 20816.29pa 105 pa殼程壓降也在范圍之內(nèi)。3.2機(jī)械設(shè)計(jì)3.2.1換熱器殼體壁厚計(jì)算及校核材料選用q245r計(jì)算壁厚為：, 式中:為計(jì)算壓力，取=mpa；;=0.85;t =147mpa（設(shè)殼壁溫度為 350c）將數(shù)值代入上述厚度計(jì)算公式，可以得知：查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-11?。徊榛ぴO(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-9得 查表4-13圓整后取 1、液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)附表9-1，可見故水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。3.2.2 換熱器封頭的選擇及校核 上下封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)gb/t25198壓力容器封頭

15、，封頭為dn8008，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表4-15得曲面高度 ，直邊高度 ，材料選用q245r鋼3.2.3 容器法蘭的選擇材料選用q345r 根據(jù)nb/t47021-2012 選用dn800，pn1.0 mpa的榫槽密封面平焊焊法蘭。 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)附表14得 法蘭尺寸如下表： 表4-1 法蘭尺寸 公稱直徑dn/mm 法蘭尺寸/mm 螺柱d規(guī)格數(shù)量800 9308908558458425423m2040 3.2.4管板結(jié)構(gòu)尺寸 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸： 表5-1 固定管板式換熱器的管板的主要尺寸公稱直徑dbcd螺栓孔數(shù)80093089084584254152340 3.2.5 管

16、子拉脫力的計(jì)算 計(jì)算數(shù)據(jù)按表6-1選取表6-1項(xiàng)目管子殼體操作壓力/mpa0.70.6材質(zhì)20鋼q245r線膨脹系數(shù)彈性模量許用應(yīng)力/mpa140140尺寸管子根數(shù)336管間距/mm32管殼壁溫差/管子與管板連接方式開槽脹接脹接長度/mm45許用拉脫力/mpa4.01、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 其中 , mm 2、溫差應(yīng)力引起的每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的拉脫力 (6-6) 由此可知，作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力： q=+=0.06+0.9=0.964.0 因此拉脫力在許用范圍內(nèi)。3.2.6計(jì)算是否安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力為f： （n） 壓力作用于殼體上的軸

17、向力： 其中 = 壓力作用于管子上的軸向力為： 則 根據(jù)gb管殼式換熱器q4.0，條件成立，故本換熱器不必要設(shè)置膨脹節(jié)。 3.2.7折流板設(shè)計(jì)經(jīng)選擇，我們采用弓形折流板，h=, 折流板間距取600mm, 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-7得折流板最小厚度為4 mm,折流板外徑負(fù)偏差-1.0查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-9折流板外徑為796mm材料q235-a。查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)表7-10拉桿12，共8根，材料20鋼。3.2.8開孔補(bǔ)強(qiáng)1、確定殼體和接管的計(jì)算厚度及開孔直徑 接管計(jì)算厚度為 其中 選用20鋼 查附表9得 開孔直徑為： 2、確定殼體和接管實(shí)際厚度，開孔有效補(bǔ)強(qiáng)面積及外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度h 已知?dú)んw名

18、義厚度，補(bǔ)強(qiáng)部分厚度為 接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為 b=2d= 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 3、計(jì)算需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積和可以作為補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積為： 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積為： 4、 (5、比較，同時(shí)，計(jì)算接管與殼體焊縫面積之后，該開孔接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠。3.2.9支座根據(jù)附表10-4 bi型鞍座標(biāo)準(zhǔn)系列（dn500-900）公稱直徑允許載荷鞍座高度底板腹板筋板墊板螺栓間距鞍座質(zhì)量增加100mm高度增加的質(zhì)量弧長e帶墊板不帶墊板800220200720150101040012010940260665530382774. 結(jié)果與結(jié)論4.1工藝設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表換熱器形式固定管板式換熱器理論換熱面積

19、，m288.12實(shí)際換熱面積，m2101.34傳熱速率，kw1104.6總傳熱系數(shù)，w/（m2.k）449.3名稱殼程管程物料名稱乙醇水入口溫度，755出口溫度，1515流量，kg/h2520094896流體密度，kg/m3767.35999.7流速，m/s0.2170.4998對(duì)流傳熱系數(shù),w/（m2. k）8502082污垢熱阻，m2.k/w0.000171970.000197阻力降,mpa0.0194350.001381程數(shù)2單推薦使用材料q245r20鋼管子規(guī)格252.5mm換熱管排列方式正三角形管心距32mm管數(shù)336管長6000mm折流板數(shù)24間距240mm切口高度折流板形式上下橫

20、過管束中心線的管數(shù)殼體內(nèi)徑800mm4.2、符號(hào)說明b折流板間距，m； 希臘字母：對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2c)；有限差值；導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m2c)；黏度，pas；密度，kg/m3；校正系數(shù)。下標(biāo)：c冷流體；h熱流體；i管內(nèi)；m平均；o管外；s污垢。c系數(shù)，無量綱；d管徑，m；d換熱器外殼內(nèi)徑，m；f摩擦系數(shù)；f系數(shù)；h圓缺高度，m；k總傳熱系數(shù)， w/(m2)；l管長，m；m程數(shù)；n指數(shù)、管數(shù)、程數(shù)；n管數(shù)、程數(shù)；nb折流板數(shù)；nu努塞爾特準(zhǔn)數(shù)；p壓力，pa； 因數(shù)；pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)；q熱通量，w/m2；q傳熱速率，w；r半徑，m； 汽化潛熱，kj/kg；r熱阻，m2/w； 因數(shù)；re雷諾準(zhǔn)數(shù)；s（或a）傳熱面積，m2；t冷流體溫度