化工原理課程設(shè)計列管式換熱器設(shè)計1

1、 課程設(shè)計說明書化工原理課程設(shè)計 課程名稱： 化工原理課程設(shè)計 課 題： 列管式換熱器設(shè)計 學(xué) 院： 化學(xué)與生物工程學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級： 2013級 1班 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 摘 要3【關(guān)鍵詞】4化工原理課程設(shè)計任務(wù)書5一、設(shè)計題目：5二、設(shè)計條件5三、設(shè)計步驟5四、設(shè)計要求6五、設(shè)計成果6六、設(shè)計考核7七、參考資料7列管式換熱器工藝設(shè)計81.1簡介81.2工作原理81.3換熱器的分類、主要特點及結(jié)構(gòu)組成81.3.1固定管板式換熱器91.3.2浮頭式換熱器91.3.3“u”型管式換熱器91.4設(shè)計要求92.1設(shè)計內(nèi)容112.2設(shè)計方案112.2.1選擇換熱器

2、的類型112.2.2流程安排112.3確定物性數(shù)據(jù)122.4列管式換熱器標(biāo)準(zhǔn)簡介122.5估算傳熱面積132.6工藝結(jié)構(gòu)尺寸13壓力容器的公稱直徑142.7換熱器核算15換熱器的主要尺寸和計算結(jié)果19參考文獻(xiàn)20附錄21摘 要【關(guān)鍵詞】 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：設(shè)計中型氮肥廠用變換氣水冷立式列管換熱器二、設(shè)計條件1.熱流體：變換氣，工作壓力為1.4mpa，進(jìn)口溫度為65，要求降到38，變換氣流量為95780 kg/h。2.冷流體：水，進(jìn)口溫度為32，出口溫度為42，操作壓力為0.3mpa3.已知變換氣及冷卻水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度（kg/m3）黏度(mpas)比熱容(kj/k

3、gk)導(dǎo)熱系數(shù)（w/(mk)）變換氣12.830.01582.4950.0806冷卻水9930.7184.1780.6224.兩流體均無相變。5.建廠地址：蘭州地區(qū)6.要求管程和殼程的阻力都不大于50kpa三、設(shè)計步驟1.掌握換熱器設(shè)計概況、設(shè)計原則（以概論綜述形式體現(xiàn)在說明書中）2.確定設(shè)計方案 （1）選擇列管換熱器的類型 （2）確定冷熱流體流動空間及流速 （3）確定冷熱流體的定性溫度及相關(guān)物性數(shù)據(jù)3.初步估算換熱器的傳熱面積。4.初選換熱器的規(guī)格5.校核 （1）核算換熱器的傳熱能力及傳熱面積，要求設(shè)計裕度不小于10%，不大于20%。 （2）核算管程和殼程的流體阻力損失。如果不符合上述要求重

4、新進(jìn)行以上計算。5.將換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果列表。6.總結(jié)設(shè)計過程，繪制列管式換熱器設(shè)計流程圖。四、設(shè)計要求1.說明書采用統(tǒng)一封面和紙張；2.方案和流程的選擇要闡明理由；3設(shè)計過程思路清晰，內(nèi)容完全；五、設(shè)計成果1.設(shè)計說明書（a4紙，不少于20頁） （1）內(nèi)容包括封面、摘要、目錄及頁碼、任務(wù)書、正文、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄或符號說明。 （2）格式必須嚴(yán)格按照蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計要求打印。2. 變換氣水冷立式列管換熱器裝配圖（a1圖紙手繪）六、設(shè)計考核1.設(shè)計是否獨立完成，是否存在抄襲行為；2.設(shè)計說明書的編寫是否規(guī)范；3.結(jié)構(gòu)尺寸計算與圖紙是否規(guī)范和正確；4.答辯七、參考資料1.化工原理

5、及設(shè)備課程設(shè)計李芳 化學(xué)工業(yè)出版社2.化工原理譚天恩（第四版） 化學(xué)工業(yè)出版社3. 化工原理課程設(shè)計賈紹義 天津大學(xué)出版社列管式換熱器工藝設(shè)計1.1簡介在化工生產(chǎn)中為了實現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進(jìn)行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動力，原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中，有時作為一

6、個單獨的化工設(shè)備，有時作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。它是進(jìn)行熱量傳遞的通用工藝設(shè)備。1.2工作原理 板式換熱器主要是通過外力將換熱板片夾緊組裝在一起, 介質(zhì)通過換熱板片上的通孔在板片表面進(jìn)行流動, 在板片波紋的作用下形成激烈的湍流, 猶如用筷子攪動杯中的熱水, 加大了換熱的面積。冷熱介質(zhì)分別在換熱板片的兩側(cè)流動,湍流形成的大量換熱面與板片接觸, 通過板片來進(jìn)行充分的熱傳遞,達(dá)到最終的換熱效果。冷熱介質(zhì)的隔離主要通過密封墊的分割, 或者通過大量的焊縫來保證, 在換熱板片不開裂穿孔的情況下, 冷熱介質(zhì)不會發(fā)生混淆。1.3換熱器的分類、主要特點及結(jié)構(gòu)組成列管式換

7、熱器又稱管殼式換熱器，已有較長的使用歷史，至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種換熱設(shè)備，與其他的幾種間壁式換熱器相比，單位體積的設(shè)備所能提供的傳熱面積要大得多，傳熱效果也比較好。由于結(jié)構(gòu)緊湊、堅固，材料較省、且能選用多種材料來制造，故適應(yīng)性較強，尤其是在大型裝置和高溫、高壓中得到普遍應(yīng)用。列管式換熱器的種類很多，目前廣泛使用的類型主要有以下幾種。1.3.1固定管板式換熱器固定管板式換熱器是將兩端管板直接與殼體焊接在一起。主要由外殼、管板、管束、封頭等主要部件組成。殼體中設(shè)置有管束,管束兩端采用焊接、脹接或脹焊并有的方法將管子固定在管板上,管板外周圍和封頭法蘭用螺栓緊固。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉

8、、制造容易、管程清洗檢修方便,但殼程清洗困難,管束制造后有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)換熱管與殼體有較大溫差時,殼體上還應(yīng)設(shè)有膨脹節(jié) 。1.3.2浮頭式換熱器浮頭式換熱器一端管板固定在殼體與管箱之間,另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動,也就是殼體和管束熱膨脹可自由。故管束和殼體之間沒有溫差應(yīng)力。一般浮頭可拆卸,管束可以自由地抽出和裝入。浮頭式換熱器的這種結(jié)構(gòu)可以用在管束和殼體有較大溫差的工況。管束和殼體的清洗和檢修較為方便,但它的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜,對密封的要求也比較高。1.3.3“u”型管式換熱器u形管式換熱器是將換熱管煒成u形,兩端固定在同一管板上。由于殼體和換熱管分開,換熱管束可以自由伸縮,不會由于介質(zhì)的

9、溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。u形管換熱器只有一塊管板,沒有浮頭,結(jié)構(gòu)比較簡單。管束可以自由的抽出和裝入,方便清洗,具有浮頭式換熱器的優(yōu)點,但由于換熱管做成半徑不等的u形彎,最外層換熱管損壞后可以更換外,其它管子損壞只能堵管。同時,它與固定管板式換熱器相比,由于換熱管受彎曲半徑的限制它的管束中心部分存在空隙,流體很容易走短路,影響了傳熱效果。1.4設(shè)計要求隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，中國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求：（1） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；（2） 結(jié)構(gòu)安全

10、可靠；（3） 便于制造、安裝、操作和維修；（4） 經(jīng)濟(jì)上合理。2.1設(shè)計內(nèi)容 列管式換熱器的設(shè)計和分析包括包括熱力設(shè)計、流動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強度設(shè)計。其中以熱力設(shè)計為主,對于已經(jīng)投入的換熱器檢驗是否滿足使用要求時,均需進(jìn)行這方面的設(shè)計。 列管式換熱器的工藝設(shè)計主要包括以下內(nèi)容:根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計方案；（2）初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸；（3）核算換熱器的傳熱面積和流動阻力；（4）確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)2.2設(shè)計方案2.2.1選擇換熱器的類型 由設(shè)計任務(wù)確定選擇固定管板式換熱器。2.2.2流程安排壓力高的流體流經(jīng)管內(nèi)，因為管徑小，承受高壓能力好，同時避免了采用高壓外殼和高壓密封，選擇熱

11、流體走管程，冷流體走殼程。不潔凈或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流經(jīng)易于清洗的一側(cè)，對于直管管式，一般通過管內(nèi)。有腐蝕的流體應(yīng)在管內(nèi)流過；壓力高的流體流經(jīng)管內(nèi)；飽和蒸汽一般通入殼程；被冷卻物料一般走殼程，便于散熱。2.3確定物性數(shù)據(jù) 冷流體的定性溫度為37，熱流體的定性溫度為51.5，定性溫度下的冷熱流體的物性數(shù)據(jù)如下表：流體密度（kg/m3）黏度(mpas)比熱容(kj/kgk)熱導(dǎo)率（w/(mk)）變換氣12.830.01582.4950.0806冷卻水9930.7184.1780.6222.4列管式換熱器標(biāo)準(zhǔn)簡介 列管式換熱器的設(shè)計、制造、檢驗與驗收必須遵循中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)鋼制管殼式（即列管式）

12、換熱器（gb151-1999）執(zhí)行。按該標(biāo)準(zhǔn)，對換熱器的參數(shù)作如下規(guī)定。公稱直徑（mm）:卷制圓筒，以圓筒內(nèi)徑作為換熱器的公稱直徑，mm;鋼管制圓筒，以鋼管外徑作為換熱器的公稱直徑。換熱器的傳熱面積(m2):計算傳熱面積是以換熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除伸入管板內(nèi)的換熱管長度后，計算所得到的管束外表面積的總和；公稱傳熱面積指經(jīng)圓整后的計算傳熱面積。換熱器的公稱長度（m）:以換熱器長度作為換熱器的公稱長度。換熱器為直管時，取直管長度；換熱器為u形管時，取u形管的直管段長度。該標(biāo)準(zhǔn)還將列管式換熱器的主要組合部件分為前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分。該標(biāo)準(zhǔn)將換熱器分為、兩級，級采用較高級冷拔換熱管

13、，適用于無相變傳熱和易產(chǎn)生振動的場合。級采用普通冷拔換熱管，適用于再沸、冷凝和無振動的一般場合。2.5估算傳熱面積（1）熱流量q=whcph(t1-t2)=95780x2.495x(65-38)/3600=1792.28(kj/s)(2)平均傳熱溫差tm=12.65 -=dddr=2.7 p=0.37（3）計算傳熱面積假設(shè)k=200w/(m2k)，則 a估=q/(ktm)=1792.28/(20012.65)700（m2）冷卻水用量 wc=2.6工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （1）換熱管管徑和管內(nèi)流速 選用25mm2.5mm較高級的冷拔傳熱管（不銹鋼），取管內(nèi)流速u1=4.0m/s（2）管程數(shù)和傳熱管數(shù) ns

14、=按單程管計算，所需傳熱管長度為l=a估/（3.14d0ns）=700/（3.140.0251154）=7.72（m）長度合適，可按照單程管計算。（3）換熱器排列正三角形排列可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)。采用正三角形排列法，根據(jù)換熱管表可知管中心距為32mm。（4）殼體內(nèi)徑按單程管結(jié)構(gòu)d=t(1.1-1)+(23)d0=32（1.1-1）+325=1200（mm）參考卷制殼體的公稱直徑，可取d=1300mm.壓力容器的公稱直徑300350400450500550600650700750800900100011001200130014001500160017001800190020002

15、1002200230024002500260028003000320034003600380040004200440045004600（5）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20%，則切去圓缺高度為260mm；取折流板間距b=350mm。 折流板數(shù)=-116（6）接管直徑計算取u1=2.0m/s殼體流體進(jìn)出口接管d1=180.5（mm）取整后取接管公稱直徑為200mm。取u2=12.5m/s，則d2=455.2(mm)圓整后取接管公稱直徑為450mm。2.7換熱器核算（1）熱流量核算管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) i=0.023（）0.8（）n變換器被冷卻，n取0.4,管程流通面積ai=

16、0.7850.0221200=0.377 (m2)ui=5.50m/s故i=0.023（）0.8()0.4=733.2(w/m2k)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)nu=0.36re0.55pr1/3()0.14 殼程當(dāng)量直徑de和流速u0為de=0.020186(m)ao=bd(1-)=0.351.3（1-）=0.0995（m2）u 0=0.434(m/s)0=0.36（）0.55（）1/3（）0.14 =0.36()0.55（）1/30.95=3135.8（w/m2k）注：黏度校正系數(shù)為1污垢熱阻和管壁熱阻 查表選取污垢熱阻rdi=0.0001720m2k/w; rd0=0.0008589m2k/w. t

17、sm=1/2（tm+tm）=44（）式中tm-熱流體平均溫度tm-冷流體平均溫度管材料選用不銹鋼304，然后查表。利用內(nèi)插法得到=16.80w/(mk)d m =0.0228(m)傳熱系數(shù)k計算=+rdi+rd0+=+0.0001719+0.0008598+得k=292.5w/（m2k）傳熱面積裕度 a=485.2（m2）實際傳熱面積a=d0nl=3.140.02561154=543.5（m2）=100%=11.7%在合理范圍內(nèi)(2)換熱器內(nèi)流體阻力核算管程流動阻力 pi=（p1-p2）ftnsnpns=1 np=1 ft=1.4 由re=85774.2查的絕對粗糙度為0.1，傳熱管相對粗糙度

18、=0.1/21=0.00476 得=0.033.注：換熱管絕對粗糙度數(shù)據(jù)，莫迪圖見天津大學(xué)出版的化工原理 ui=5.03m/s，=12.83kg/m3, 則 p1=i=0.033=1580.8（pa） p2=3=486.9（pa）則 pi=（1580.8+486.9）11.4=2942.2（pa）5000pa則管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力 p0=(p1+p2)ftnsns=1,ft=1.15,流體流經(jīng)管束的阻力p1=ff0nc(nb+1)其中，f=0.5，f0=585774-0.228=0.375，nc=1.1n0.5,nb=16,u0=0.434, 則p1=0.50.58638（16

19、+1）=17702（pa）流體通過折流板缺口的阻力p2=nb(3.5)=15（3.5-） =4330（pa）總阻力 p0=17702+4330=255032（pa）50 kpa換熱器流動阻力也較適宜換熱器的主要尺寸和計算結(jié)果 參數(shù)管程（熱流體）殼程（冷流體）流量/kgh-195780154433平均相對分子質(zhì)量18溫度（進(jìn)口/出口）/65/3832/42壓力/mpa1.40.3物性定性溫度/密度/kg-312.83933定壓比熱容/kjkg-1k-12.4954.178黏度/pas1.5810-57.1810-4熱導(dǎo)率/wm-1k-10.08060.622普朗特殊設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)

20、1殼體內(nèi)徑/mm1300殼程數(shù)1管長/mm6000管心距/mm32管徑/mm252.5管子排列三角形管數(shù)目/根1154折流板個數(shù)15傳熱面積/m2700折流板間距0.35管程數(shù)1材質(zhì)流速/ms-14.00.377表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/wm-2k-1733.23300污垢熱阻/wm-2k-1171910-48.59810-4阻力/pa2928.222032熱流量/kjs-11792.28傳熱溫差/12.65傳熱系數(shù)/wm-2k-1351.1裕度/%11.7%參考文獻(xiàn)1 王元文.管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計j.廣東化工,2005,3:43-44.2 董寶春. 管殼式換熱器的工藝設(shè)計j.甘肅石油和化工,2009,9(3):34-38.3 解小鑾.管殼式換熱器設(shè)計的幾個問題j.石油和化工設(shè)備,2011,11:22-24.4 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司 化工工藝設(shè)計手冊(第三版)上冊 m 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003,264-331.5 劉巍 等 冷換設(shè)備工藝計算手冊(第二版)m 北京:中國石化出版社,2008.6 陸恩錫,張慧娟.化工過程模擬原理與應(yīng)用 m 北京:化學(xué)工業(yè)出版設(shè),2011.37 jb/t4715-92,固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)s.8 jb/t4714-92,浮頭式換熱器型式與