油冷卻器課程設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)煤油冷卻器的設(shè)計(jì)姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： xx年xx月摘 要本設(shè)計(jì)的任務(wù)就是完成一滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選型。本設(shè)計(jì)的核心是計(jì)算換熱器的傳熱面積，進(jìn)而確定換熱器的其他尺寸或選擇換熱器的型號(hào)。由總傳熱速率方程可知，要計(jì)算換熱面積，得確定總傳熱系數(shù)和平均溫差。由于總傳熱系數(shù)與換熱器的類(lèi)型、尺寸、流體流到等諸多因素有關(guān)，-而平均溫差與兩流體的流向、輔助物料終溫的選擇有關(guān)，因此管殼式換熱器設(shè)計(jì)和選型需考慮許多問(wèn)題。通過(guò)多次核算和比較，設(shè)計(jì)結(jié)果如下：帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器，選用252.5的碳鋼管，換熱面積為131.4 m，且為雙管程單殼程結(jié)構(gòu)，

2、傳熱管排列采用組合排列法，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。管數(shù)為300，管長(zhǎng)為6m，管間距為32mm，折流板形式采用上下結(jié)構(gòu)，其間距為150mm，切口高度為25%，殼體內(nèi)徑為700mm，該換熱器可滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。AbstractThe task of this design is to complete a meet the production requirements of shell and tube heat exchanger design and type selection. The total heat transfer rate equation shows

3、that to calculate heat transfer area, you must determine the total heat transfer coefficient and the mean temperature difference. Through the repeated calculation and comparison, design results are as follows. Fixed tube plate heat exchanger with expansion joint, Select phicarbon steel pipe, heat tr

4、ansfer area of 131.4 square meters, And for the tube side shell side of the single structure, the pipe arrangement method, namely each way are sorted by regular triangle, diaphragm use square is arranged on both sides. Pipe number is 300, the length is 6 meters, tube spacing is 32 mm, baffle plate f

5、orm adopts up and down structure, the spacing is 150 mm, incision height was 25%, the shell inside diameter is 700 mm, the heat exchanger can meet the production requirements.目 錄前言4第1章 文獻(xiàn)綜述51.1 換熱器分類(lèi)71.2 列管式換熱器的類(lèi)型81.3 列管式換熱器的結(jié)構(gòu)91.3.1 管程結(jié)構(gòu)91.3.2 殼程結(jié)構(gòu)10第2章 設(shè)計(jì)方案確定142.1設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件152.1.1 設(shè)計(jì)方案的確定172.2 設(shè)計(jì)步驟

6、172.2.1 非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般步驟17第3章 設(shè)計(jì)計(jì)算183.1 確定設(shè)計(jì)方案183.2 確定物性數(shù)據(jù)183.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)183.4 計(jì)算傳熱面積233.5 工藝結(jié)構(gòu)和尺寸233.6 換熱器核算25第4章 設(shè)計(jì)全部參數(shù)30設(shè)計(jì)小結(jié)31參考文獻(xiàn)32附表33附錄34前 言熱交換器，簡(jiǎn)稱(chēng)換熱器，是在不同溫度的流體間，進(jìn)行傳遞熱能的裝置。換熱器在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等各領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在日常生活中傳熱設(shè)備也隨處可見(jiàn)，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。因此換熱設(shè)備的研究備受世界各國(guó)政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視，在全世界第一次能源危機(jī)及在節(jié)約能源上研究新途徑。在研究投入大、人力資源配備足的情況

7、下，一批具有代表性的高效換熱器和強(qiáng)化傳熱原件誕生了。這對(duì)提高能量的利用效率有著很大的促進(jìn)作用，對(duì)社會(huì)效益非常顯著，從另一方面大大緩解了能源的緊張狀況。 在化工廠的建設(shè)中，換熱器通常約占總投資的11%；在現(xiàn)代石油煉廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的40%左右。近年來(lái)隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器。列管式換熱器的應(yīng)用已具有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱器設(shè)備在很多工業(yè)部門(mén)中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門(mén)所使用的換熱器中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。同時(shí)板式換熱器也

8、已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。本文主要是對(duì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)和運(yùn)用進(jìn)行介紹。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（1） 處理能力 19.8104t/a煤油（2） 設(shè)備形式 列管式換熱器（3） 操作條件 煤油：入口溫度140，出口溫度40。 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40。 允許壓降：不大于105Pa。 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度：c825kg/m3黏度：c0.000715Pas定壓比熱容：Cpc2.22kJ/(kg） 熱導(dǎo)系數(shù)：c0.14W/(m) 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。（4） 建廠地址 天津地區(qū)設(shè)計(jì)要求：選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算。第1章

9、設(shè)計(jì)綜述1.1換熱器分類(lèi) 換熱器是許多工業(yè)部門(mén)的通用設(shè)備。根據(jù)不同的目的不同，換熱器可以是熱交換器、加熱器、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的方式，換熱器可以分為以下三大類(lèi)：直接接觸式換熱器 這類(lèi)換熱器的主要工作原理是兩種介質(zhì)接觸而相互傳遞熱量，實(shí)現(xiàn)傳熱，接觸面積直接影響到傳熱。這類(lèi)換熱器的介質(zhì)通常是一種是氣體，另一種為液體，主要是以塔設(shè)備為主體的傳熱設(shè)備，但通常又涉及傳質(zhì)，故很難區(qū)分與塔器的關(guān)系，通常歸口味塔式設(shè)備，電廠用涼水塔為最典型的直接接觸式換熱器。蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器主要由對(duì)外充分隔熱的蓄熱室構(gòu)成，室內(nèi)裝由熱容量大的固定填充物。熱流體通過(guò)蓄熱室時(shí)將冷的填充物加熱

10、，當(dāng)冷流體通過(guò)時(shí)則將熱量帶走。熱、冷流體交替通過(guò)蓄熱室，利用固體填充物來(lái)積蓄或放出熱量而達(dá)到熱交換的目的。蓄熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的利用或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備體積較大，過(guò)程是不定常的交替操作，且不能完全避免兩種流體的摻雜。所以這類(lèi)設(shè)備化工上用的不多。間壁式換熱器 其特點(diǎn)是在冷、熱流體之間用以金屬壁（或石墨等導(dǎo)熱性能良好的非金屬壁）隔開(kāi)，使兩種流體在不發(fā)生混合的情況下進(jìn)行熱量傳遞。從傳熱的基本特征分類(lèi)，間壁式換熱器可分為管式和板式。其中包括夾套式換熱器、沉浸式蛇管換熱器、噴淋式換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器以及其他高效換熱器。1.2 列管式換熱器的類(lèi)型固定管板式換熱器固定管

11、板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)是殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清洗的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，常會(huì)使管子與管板的接口脫開(kāi)，從而發(fā)生介質(zhì)的泄露。為此在外殼上焊以膨脹節(jié)，但它僅能減小而不能完全消除由于溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，且在多程換熱器中，這種方法不能照顧到管子的相對(duì)移動(dòng)。由此可見(jiàn)，這種換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。浮頭式換熱器浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。兩端管板只由一端與管體完全固定，另一端則可相對(duì)于殼體作某些移動(dòng)，該端稱(chēng)之為

12、浮頭，如 圖1-2所示。此類(lèi)換熱器的管束膨脹不受殼體的約束，所以殼體與管束之間不會(huì)由于膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時(shí)，僅需要將管束從殼體中抽出即可，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易結(jié)垢的場(chǎng)合。但該類(lèi)換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、本中，造價(jià)約比固定管板式高20%左右，材料消耗量大，而且由于浮頭的端蓋在操作中無(wú)法檢查，所以在制造和安裝時(shí)要注意其密封，以避免發(fā)生內(nèi)漏，管束和殼體的間隙較大，在設(shè)計(jì)時(shí)要避免短路。至于殼程的壓力也受滑動(dòng)接觸的密封限制。U形管換熱器見(jiàn)圖1-3為一U形管換熱器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，封頭用隔板分成兩室，故相當(dāng)于雙管程。這類(lèi)換熱器的

13、特點(diǎn)是：管束可以自由伸縮，不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可以從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后壁管的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場(chǎng)合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。填料函式換熱器此類(lèi)換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，

14、另一端采用填料函密封，如圖1-4所示。它的管束也可自由膨脹，所以管殼之間不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程和殼程都能清洗，結(jié)構(gòu)較浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，加工制造方便，材料消耗較少。但由于密封處易于泄露，故殼程壓力不能過(guò)高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。1.3 列管式換熱器的結(jié)構(gòu)1.3.1 管程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱(chēng)為管程。換熱管布置和排列間距常用換熱管規(guī)格有192mm、252mm(1Cr18Ni9Ti)、252.5（碳鋼10）。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形錯(cuò)列和三角形直列和同心圓排列，如圖1所示。圖1換熱管排列方式 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗

15、；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)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(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用三角形排列，而在各程之間為了便于安裝，采用正方形排列。管間距（管中心的間距）t與外管徑d。的比值，焊接時(shí)為1.25，脹接時(shí)為1.31.5。管子材料常用的為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金等。應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度和介質(zhì)腐蝕性等條件決定。此外海域一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。在設(shè)計(jì)和制造換熱器時(shí)，正確選用材料很重要。既要滿(mǎn)足工藝條件的要求，又要經(jīng)濟(jì)。對(duì)化工設(shè)備而言

16、，由于各部分可采用不同材料，應(yīng)注意由于不同種類(lèi)的金屬接觸而產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕作用。管板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分隔開(kāi)來(lái)。管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的作用。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)4MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過(guò)350的場(chǎng)合。焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴(yán)密性。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作法蘭，拆下頂蓋可檢修彭脹口或清洗管內(nèi)。浮頭式、U型管式等為是殼體清洗方便，常將管板夾

17、在殼體法蘭和頂蓋法蘭直接按構(gòu)成可拆連接。封頭和管箱封頭和管箱位于殼體兩端，其作用式控制及分配管程流體。封頭 當(dāng)殼體直徑較小式常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體直接按用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。管箱 一般殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。管箱具有一個(gè)可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時(shí)無(wú)須卸下管箱。分程隔板 當(dāng)需要的換熱面積很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)到16程，常用的由2、4、6程。在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與管程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱

18、，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄露，以防止流體的短路。1.3.2 殼程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分成為殼程。殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要是由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場(chǎng)合不同，殼程內(nèi)對(duì)各種元件的設(shè)置型式亦不同，以此來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為了殼側(cè)介質(zhì)對(duì)傳熱管最有效的流動(dòng)，來(lái)提高換熱器的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板、旁路擋板等；另一類(lèi)為了管束的安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。殼體殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。直徑小于400mm的殼體通

19、常用鋼管制成，大于400mm的可用鋼板卷焊而成。介質(zhì)在殼程的流動(dòng)方式有多種形式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可以縱向的擋板分隔成雙殼程型式。用兩個(gè)換熱器串聯(lián)也可達(dá)到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯(cuò)流等型式。殼體內(nèi)徑D取決于傳熱管數(shù)N、排列方式和管心距t。計(jì)算式如下：?jiǎn)喂艹蹋?D=t(1)23）d。（1-1）式中t-管心距，mm；d。-換熱管外徑，mm； 橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。正三角形排列： =1.1（1-2）正方形排列： （1-3）多管程： D（1-4）式中 N排列管子數(shù) 管板利用率。正三角形排列：2管程 =0.70.85 4管程 =0

20、.60.8正方形排列：2管程 =0.550.7 4管程 =0.450.65殼體內(nèi)徑D的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。折流板在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過(guò)管束，增加流體流速，以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。折流板的型式由圓缺型、環(huán)盤(pán)型和孔流型等。如圖2所示。（a）水平圓缺 (b) 垂直圓缺 (c) 環(huán)盤(pán)型圖2折流板型式緩沖板在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱(chēng)緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng)，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(dǎo)流筒，不僅起到防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。其他主要附

21、件旁通擋板 如果殼體和管束之間間隙過(guò)大，則流體不通過(guò)管束而通過(guò)這個(gè)間隙旁通，為了防止這種情形，往往采用旁通擋板。假管 為減少管程分程引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過(guò)管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔34排換熱管安置一根。拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。第2章 設(shè)計(jì)方案確定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（5） 處理能力 19.8104t/a煤油（6） 設(shè)備形式 列管式換熱器（7） 操作條件 煤油：入口溫度140，出口溫度40。 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40。 允

22、許壓降：不大于105Pa。 煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度：c825kg/m3黏度：c0.000715Pas定壓比熱容：Cpc2.22kJ/(kg） 熱導(dǎo)系數(shù)：c0.14W/(m) 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。（8） 建廠地址 天津地區(qū)設(shè)計(jì)要求：選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算。2.1.1 設(shè)計(jì)方案的確定換熱器類(lèi)型的選擇在列管式換熱器內(nèi)，由于管內(nèi)、外流體溫度不同，殼體和管束的溫度及其熱膨脹的程度也不同。若兩者溫差較大，就可能引起很大的內(nèi)應(yīng)力，使設(shè)備變形、管子彎曲、斷裂甚至從板上脫落。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以消除或減少熱應(yīng)力的影響。此外，有的流體易于結(jié)垢，有的腐蝕性較大，也要求換

23、熱器便于清洗和修理。目前，已有幾種不同型式的換熱器系列化生產(chǎn)，以滿(mǎn)足不同的工藝需要。其類(lèi)型參見(jiàn)前言所述。流動(dòng)空間的選擇在管殼式換熱器的計(jì)算中，首先需要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。 應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對(duì)于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失。 管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。 應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，順流式就優(yōu)于逆流式，因?yàn)轫樍魇竭M(jìn)出口端的溫度比較平均，不像逆流式那樣，熱、冷流體的高溫部分均集中于一端，低溫部分集中

24、于另一端，易于因兩端脹縮不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 對(duì)于有毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì)，必使其不泄漏，應(yīng)特別注意其密封，密封不僅要可靠，而且還應(yīng)要求方便及簡(jiǎn)單。 應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。 以上這些原則有些是相互矛盾的，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 流速的確定當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，介質(zhì)的流速高，換熱強(qiáng)度大，從而可使換熱面積減少、結(jié)構(gòu)緊湊、成本降低，一般也可抑止污垢的產(chǎn)生。但流速大也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，諸如壓降 P增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。加熱劑、冷卻劑的選擇常用冷卻劑有水，空氣，鹽水，氨蒸氣等。一般來(lái)說(shuō)，除低溫及冷凍外，冷卻劑應(yīng)優(yōu)先選用水，水的初溫

25、應(yīng)當(dāng)由當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件決定；此外，應(yīng)注意：水與被冷卻流體冷端之間一般需有5 35的溫度差。水的出口溫度不宜太高，如出口溫度超過(guò)50時(shí)，溶解于水中的無(wú)機(jī)鹽要析出在壁面上形成污垢。因此，用未經(jīng)處理過(guò)的河水作冷卻劑時(shí)，其出口溫度一般不應(yīng)超過(guò)50，否則會(huì)加快污垢的生成，大大增加傳熱阻力。02表1 常用冷卻劑和加熱劑冷卻劑名稱(chēng)溫度范圍加熱劑名稱(chēng)溫度范圍水（自來(lái)水，河水，井水）空氣冷凍鹽水氨蒸汽0 80, 30-150用于低溫冷卻-15用于冷凍工業(yè)飽和水蒸汽煙道氣 180700 1000流體出口溫度的確定工藝流體的進(jìn)出口溫度是由工藝條件決定，加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度也是確定的，但其出口的溫度是由設(shè)計(jì)者選定的

26、。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(gè)優(yōu)化問(wèn)題。材質(zhì)的選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來(lái)選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿(mǎn)足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來(lái)考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較

27、高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無(wú)耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的：如一般換熱器用的普通無(wú)縫鋼管，其常用的材料為10 號(hào)和20 號(hào)碳鋼。不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以ICr18Ni9 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)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能。列管式換熱器是各種工程領(lǐng)域中最普遍應(yīng)用的熱交換裝置,其優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足熱交換任務(wù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等多目標(biāo).借助轉(zhuǎn)軸直接搜索可行方向法(DSFD)的思想,計(jì)算了油-水換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,通過(guò)比較并加以分析優(yōu)化結(jié)果與常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果,證明了煤油冷卻器的設(shè)計(jì)既達(dá)到了結(jié)構(gòu)合理,經(jīng)濟(jì)性好的目的,也具有根據(jù)不同需

28、要得到其最優(yōu)方案的靈活性。2.2 設(shè)計(jì)步驟 目前，我國(guó)已制定了管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這樣可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)加工。但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿(mǎn)足需要時(shí)，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求而自行設(shè)計(jì)非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。2.2.1 非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般步驟了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性。由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。決定流體通入的空間。計(jì)算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。初算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。選取管徑和管內(nèi)流速。計(jì)算傳熱系數(shù)K值，包括管程對(duì)流傳熱系數(shù)和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有

29、關(guān)，因此一般先假定一個(gè)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，以計(jì)算K值，然后再做校核。初估傳熱面積?？紤]安全系數(shù)和初估性質(zhì)，因而常取實(shí)際傳熱面積式計(jì)算的1.151.25倍。選擇管長(zhǎng)L。計(jì)算管數(shù)N。校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。畫(huà)出排管圖，確定管徑D和管程擋板形式及數(shù)量等。校核管程對(duì)流傳熱面積。校核有效平均溫差。校核傳熱面積，應(yīng)有一定安全系數(shù)，否則需重新設(shè)計(jì)。計(jì)算流體流動(dòng)阻力。如果阻力超過(guò)允許范圍，需調(diào)整計(jì)算，直至滿(mǎn)意為止。第3章 設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 確定設(shè)計(jì)方案 選擇換熱器類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140，出口溫度40；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度30，出口溫度40。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，天津處在我國(guó)北方，冬

30、季較冷。因此冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的的管壁溫和殼體溫差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。流動(dòng)空間的確定在管殼式換熱器的計(jì)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。 應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 在運(yùn)行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對(duì)于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失。 管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。 應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，順流式就優(yōu)于逆流式，因?yàn)轫樍魇竭M(jìn)出口端的溫度比較平均，不像逆流式那樣，熱、冷流體的高溫

31、部分均集中于一端，低溫部分集中于另一端，易于因兩端脹縮不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 對(duì)于有毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì)，必使其不泄漏，應(yīng)特別注意其密封，密封不僅要可靠，而且還應(yīng)要求方便及簡(jiǎn)單。 應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。 以上這些原則有些是相互矛盾的，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。1 宜于通入管內(nèi)空間的流體( 1 )不清潔的流體因?yàn)樵诠軆?nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。( 2 )體積小的流體因?yàn)楣軆?nèi)空間的流動(dòng)截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動(dòng)。( 3 )有壓力的流體因?yàn)楣茏映袎耗芰?/p>

32、強(qiáng)，而且還簡(jiǎn)化了殼體密封的要求。（4）腐蝕性強(qiáng)的流體因?yàn)橹挥泄茏蛹肮芟洳判栌媚透g材料，而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所以造價(jià)可以降低。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查。 ( 5 )與外界溫差大的流體因?yàn)榭梢詼p少熱量的逸散。2 宜于通入管間空間的流體 ( l )當(dāng)兩流體溫度相差較大時(shí)，a 值大的流體走管間這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對(duì)伸長(zhǎng)，故溫差應(yīng)力可以降低。 ( 2 )若兩流體給熱性能相差較大時(shí)，a 值小的流體走管間此時(shí)可以用翅片管來(lái)平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。 ( 3 )飽和蒸汽對(duì)流速和清理無(wú)甚要求

33、，并易于排除冷凝液。 ( 4 )粘度大的流體管間的流動(dòng)截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大。 ( 5 )泄漏后危險(xiǎn)性大的流體可以減少泄漏機(jī)會(huì)，以保安全。此外，易析出結(jié)晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流體，最好通人比較更容易進(jìn)行機(jī)械清洗的空間。在管殼式換熱器中，一般易清洗的是管內(nèi)空間。但在U 形管、浮頭式換熱器中易清洗的都是管外空間。流速的確定當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，介質(zhì)的流速高，換熱強(qiáng)度大，從而可使換熱面積減少、結(jié)構(gòu)緊湊、成本降低，一般也可抑止污垢的產(chǎn)生。但流速大也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，諸如壓降 P增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。表2 換熱器常用流速的范圍 介質(zhì) 流

34、速循環(huán)水新鮮水 一般液體易結(jié)液體低粘液體高粘液體氣體管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215表3 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱(chēng)乙醚、二氧化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮?dú)錃獍踩魉?，m/s12310 8根據(jù)上表，由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，油品走殼程。選用252.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui0.8m/s。3.2 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。殼油的定性溫度為： 管程流體的定性溫度為： 根據(jù)定性溫度

35、，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度：c778kg/m3 定壓比熱容： Cpc2.30kJ/(kg） 熱導(dǎo)率：c0.14W/(m) 黏度：c0.000715Pas 循環(huán)冷卻水在30下的物性數(shù)據(jù)： 密度：i992.2kg/m3 定壓比熱容：Cpi4.174kJ/(kg.) 熱導(dǎo)率：i0.6176W/(m.) 黏度：i0.0008007 Pas2.3.3 計(jì)算總傳熱系數(shù)1 熱流量 2平均傳熱溫差 3 冷卻水用量 4 總傳熱系數(shù) K管程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)=500 W/();污垢熱阻 =0.000344/W =0.000172/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)45W/m

36、 3.4 計(jì)算傳熱面積 考慮到15的面積裕度3.5 工藝結(jié)構(gòu)和尺寸1 管徑和管內(nèi)流速選用25 2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速。2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)經(jīng)和流速確定單程傳熱管數(shù) （根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m ，則該換熱器管成數(shù)為 （管程）傳熱管總根數(shù) N=223=66（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) 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(xiàn)，可得 平均傳熱溫差 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

37、角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距，則 t=1.2525=31.2532 mm橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù) （根）5 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為 圓整可取 D=400 6 折流板采用弓形折流板，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=0.25700 ,故可取h=175 。折流板間距 B取150mm，折流板數(shù) （塊）折流板圓缺水平裝配。7 接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為 u=1.0 m/s,則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)冷水流速u(mài)=1.8m/s，則接管內(nèi)徑為 取管徑為300。3.6 換熱器核算1 熱量核算

38、（1）殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板，可采用克恩公式 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 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 黏度校正 （2） 管程對(duì)流傳熱系數(shù) 管程流通截面積 管程流體流速 普蘭特準(zhǔn)數(shù) （3） 傳熱系數(shù) K 故（4） 傳熱面積 該換熱器的實(shí)際傳熱面積 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（1） 管程流動(dòng)阻力 , , , 由Re=12763（湍流），傳熱管相對(duì)粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄圖得，流速，所以 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。（2） 殼程阻力 ，流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 ， 流體流過(guò)折

39、流板缺口的阻力 ， B=0.15 m ， D=0.4m 總阻力 殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。殼體的設(shè)計(jì)：從以上情況來(lái)看，取GB-6654，16MnR結(jié)構(gòu)鋼板作為筒體的材料：設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，筒體壓力的選擇：1）去P=0.11MPa2）筒體的設(shè)計(jì)溫度：取3）腐蝕裕量，根據(jù)16MnR材料，查得，4）鋼管厚度負(fù)偏差：5）筒體的許用應(yīng)力：6）筒體的焊縫系數(shù)：取換熱器筒體厚度計(jì)算，內(nèi)壓薄壁圓筒體的計(jì)算厚度為：名義厚度：圓整后取名義厚度為6mm。復(fù)驗(yàn)故最后取，該殼程可用7mm的16MnR的鋼板制作。7）校核水壓強(qiáng)度試驗(yàn)：0由公式式中，故可見(jiàn),所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。第4章 設(shè)計(jì)全部參數(shù)換熱器類(lèi)型：固定管板式換熱面積（m）：131.4工藝參數(shù)名稱(chēng) 管程殼程物料名稱(chēng)循環(huán)水煤油操作溫度，20/40140/30流量，kg/h1894225000流體密度,kg/m992.2778流速,m/s0.5150.170傳熱量，kW439.2總傳熱系數(shù),W/m333.4對(duì)流傳熱系數(shù), W/m3824.281