傳熱器課程設(shè)計講解

1、Jianghan University環(huán)境工程原理課程設(shè)計學(xué) 院：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院專 業(yè)：環(huán)境工程學(xué) 號：122209201109姓 名：李功達(dá)指導(dǎo)老師：張麗時 間：2015年1月21日環(huán)境工程原理課程設(shè)計目錄換熱器設(shè)計任務(wù)書 II1方案確定11.1 傳熱器簡介11.2 完善換熱器要求11.2.1 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 11.2.2 安全合理11.2.3 有利于安裝、操作與維修 11.2.4 經(jīng)濟(jì)合理21.3 換熱器材質(zhì)的選擇 21.4 管板式換熱器的優(yōu)點21.5 管板式換熱器的類型及工作原理 3 42.換熱器的工藝計算52.1. 計算總傳質(zhì)系數(shù)52.1.1 .熱流量52.1.2 冷卻

2、水用量5 6 77993換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果114附屬設(shè)備的選擇121.1 管道與殼體連接 121.2 管板與殼體連接121.3 換熱器的封頭121.4 拉桿的數(shù)量與直徑的選取 121.5 導(dǎo)流筒131.6 .接管的選擇135 .設(shè)計評述136 .參考文獻(xiàn)14I環(huán)境工程原理課程設(shè)計換熱器設(shè)計任務(wù)書1 .設(shè)計題目：用水冷卻注射甘油的列管換熱器的設(shè)計。2 .設(shè)計任務(wù)及操作條件(1)處理能力:50000kg/h(2)設(shè)備型式：列管式換熱器(3)操作條件：甘油：入口溫度：120C;出口溫度50c冷卻介質(zhì)：水，入口溫度 20C,出口溫度30c允許壓強(qiáng)降：小于101.3KPa(4)設(shè)計項目：設(shè)計方

3、案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進(jìn)行簡要論述換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。主要輔助設(shè)備選型。設(shè)計管道與殼體的連接,管板與殼體的連接。繪制換熱器總裝配圖。30%t油的定性溫度：T =120 50 =85 C2密度 p o= 1068.55kg/m3定壓比熱容Cpo=3.72kJ/kg C熱導(dǎo)率入0= 0.543W/mC粘度 a o= 0.690mPa. s水的定性溫度：T=20竺=25 C2密度 p i = 995.68kg/m3定壓比熱容 G=4.178kJ/kg C熱導(dǎo)率入i = 0.6173W/mC粘度- = 0.8022m Pa . sii環(huán)境工程

4、原理課程設(shè)計1方案確定1.1 傳熱器簡介在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱 器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體 則溫度較低，吸收熱量。35%40%。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、 開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。隨著換熱器在工 業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有 優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設(shè)計中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然 后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、 過熱器等。

5、換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器 應(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點又可分為管殼式換熱器、板面式換熱 器和擴(kuò)展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。1.2 完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下各項基本要求。1.2.1 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件增大傳熱系數(shù)提高平均溫差妥善布置傳熱1.2.2 安全合理換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計算時，應(yīng) 遵照我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定 等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。1.2.3 有利于安裝、操作與維修直立設(shè)備的安裝費往往低于

6、水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運輸與裝 拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口， 檢查孔與敷設(shè)保溫層。1.2.4 經(jīng)濟(jì)合理評價換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時間內(nèi)（通常為 1年）固定費用（設(shè)備 的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。 在設(shè)計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重 要。1.3 換熱器材質(zhì)的選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計時，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材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然， 最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和

7、操作溫度，即 從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能， 有時往往成為一個復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱 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：價格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(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縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。不銹鋼：奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti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

8、工性能。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑 換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采 用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。1.4 管板式換熱器的優(yōu)點換熱效率高，熱損失小在最好的工況條件下，換熱系數(shù)可以達(dá)到6000W/m2KB 一般的工況條件下，換熱系數(shù)也可以3000-4000 W/m2K&右，是管殼式換熱器的 35倍。（1）設(shè)備本身不存在旁路，所有通過設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進(jìn)行充分的換熱。完成同一項換熱過程，板式換熱器的換熱面積僅為管殼 式的1/31/4。(2)占地面積小重量輕除設(shè)備本

9、身體積外，不需要預(yù)留額外的檢修和安裝空 間。換熱所用板片的厚度僅為 0.60.8mm同樣的換熱效果，板式換熱器比管殼 式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3)污垢系數(shù)低，流體在板片間劇烈翻騰形成湍流，優(yōu)秀的板片設(shè)計避免了死區(qū)的存在，使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞，保證了良好的換熱效果。(4)檢修、清洗方便，換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起，當(dāng)檢修、清洗時，僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。(5)產(chǎn)品適用面廣設(shè)備最高耐溫可達(dá)180C ,耐壓2.0MPa,特別適應(yīng)各種工藝過 程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面 ，在低品位熱能回 收方面，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。各類

10、材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對腐蝕性的要 求。當(dāng)然板式換熱器也存在一定的缺點，比如工作壓力和工作溫度不是很高，限制 了其在較為復(fù)雜工況中的使用。同時由于板片通道較小 ，也不適宜用于雜質(zhì)較多， 顆粒較大的介質(zhì)。1.5 管板式換熱器的類型及工作原理板式換熱器按照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式；按照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式；按照密封墊可以分為粘結(jié)式 和搭扣式。各種形式進(jìn)行組合可以滿足不同的工況需求，在使用中更有針對性。比 如同樣是人字形波紋的板片還因采用粘結(jié)式還是搭扣式密封墊而有所不同，采用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對板片的腐蝕，并且設(shè)備拆

11、裝更加方便。又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器，可以達(dá)到250C、2.5MPa因此同樣是板式換熱器，因其形式的多樣性，可以應(yīng)用 于較為廣泛的領(lǐng)域，在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。雖然板式換熱器有多種形式，但其工作原理大致相同。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

12、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。1.6 .確定設(shè)計方案TC確定設(shè)計方案f Cl1|1.6.1 選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度120c出口溫度50C；冷流體進(jìn)口溫度20C,出口溫度為30 C,該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進(jìn)口溫 度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因 此初步確定選用列管式換熱器。1.6.2 管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使甘油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán) 冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下 濺，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，甘油走殼程。152

13、.換熱器的工藝計算2.1 .計算總傳質(zhì)系數(shù)(2-1)2.1.1. 熱流量Q0 =m0cp0 T =10 3.72 (120 - 50) =2604 KW平均傳熱溫差 tm1 =(-t2)In ( t1 t2)100-20I 100In20= 49.71 C(2-2)(2-3)(2-4)miQ0Cpi ；：t2604 =62.33(kg/s) 4.178 (30 -20)(2-5)式中：&1 =120 20 =100 C, &2 =50-30 = 20 C求得 Ym =49.71C平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)120 -50R = = 730 -2030-20P = =0.111120 -30按單殼程

14、，雙管程結(jié)構(gòu)得:Y =0.85平均傳熱溫差 Atm = &1 = 0.85 X 49.71 = 42.253 C由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8,同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。2.2.2冷卻水用量2.2.3計算傳熱面積求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得甘油和水之間的傳熱系數(shù)在 290710 W/( nf. C)之間，先取K值為500W/( nf. C)計算由 Q=KAtm得 A0 =-Q- =-2604 =1233( itf)(2-6)K tm500 42.2532.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸TC”工藝結(jié)才尺寸f Cl1|(1) .管徑和管內(nèi)流速TC管徑和管內(nèi)流速f Cl2|選用25X2

15、.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼)di =252.5x2 =20mm。取管內(nèi)流速u1=2m/s(2) .管程數(shù)和傳熱管數(shù)TC管程數(shù)和傳熱管數(shù)f Cl2|可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Ns二 7 2di u4 i62.33/995.6820.785 0.022 2= 100(2-7)(3)按單程管計算，所需的傳熱管長度為1003.14 0.025 10215.71m(2-8)按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長l=8m,則該換熱器的管程數(shù)為15.718=2(2-9)傳熱管總根數(shù)Nt =100 2 =200(4) .傳熱管排列和分程方法TC傳

16、熱管排列和分程方法f Cl2|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 t=1.25d,貝U t=1.25 X 25=31.25 = 32 mm隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式(3-16)計算t32S = +6=+ 6 = 22mm 22各程相鄰管的管心距為44 mm0(5) .殼體內(nèi)徑TC殼體內(nèi)徑f Cl2|采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率”=0.75 ,則殼體內(nèi)徑為：D =1.0&)$/=1.0532 J200/0.8 = 531.26mm(2-10)按卷制殼體的進(jìn)級檔，可取D=600mm(6).折流板TC“折流板f Cl2 |采用弓形折流板，去弓形之流

17、板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%則切去的圓缺高度為:H=0.25X600=150rm 故可 取 H=150mm取折流板間距 B=0.3D, WJ B=0.3X600=180mm 可取 B 為 300mm平二士士匕興/ 傳熱L管長折流板數(shù)NB = 土法的二暗-1 折流B板間距8000/ CL C CC-1 =25.6 =26300(2-11 )2.3換熱器核算TC”換熱器核算”f Cl1|2.3.1. 熱流量核算TC”熱流量核算”f Cl2|(1)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)TC (1)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)”f Cl3|用克恩法計算1 0 =0.36lRe00.55 Pr13(二)0.140de0w(2-12)當(dāng)量

18、直徑:.13 2 二 24叮t -/。de 二一24 =0.02m二do(2-13)殼程流通截面積:So -BD(1 -do)=300 600(1 -絲戶0.0394m32(2-14)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為:Uo10/1068.55 =0.2375 m / s0.0394(2-15)ReodeU0:700.02 0.2375 1068.550.69 104=7355.96(2-16)普朗特數(shù):P03.72 103 0.69 10“0.543= 4.727(2-17)粘度校正:(2-18)(J14 wao = 0.36M 0.0543 M 7355.960.55 M 4.72713 =21

19、94.6w/m2 K0.02(2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)TC (2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)”f Cl3|:i 0.80.4為=0.023 Re Prdi管程流體流通截面積:八22042Si =0.785 0.02 = 0.0320m2管程流體流速:Ui62.33/995.680.0320=1.994m/ sReideUi ：ii0.02 1.994 995.680.8022 10,= 47510.8普朗特數(shù):Pr&i3J34.178 1008022 100.6173= 5.430.617308042二 i =0.023 47510.8 . 5.43 . = 7700.90w/m .k0.02(3)污垢熱阻

20、和管壁熱阻：(2-18)(2-19)(2-20)(2-21 )(2-22)(2-23)ricccc/rzs _ _ 2 i /管外側(cè)污垢熱阻Ro = 0.000176m k/w2管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri =0.00058m k/w管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m K)所以：0.00252Rw = =0.00005m k/w50(4)傳熱系數(shù)TC” (4)傳熱系數(shù)”f Cl3| KeKedo . Rdo . Rwd Ro:d d d i iimo2 .= 635.9w/m k(2-24)(5)傳熱面積裕度TC” (5)傳熱面積裕度”f Cl3|依式可得所計算傳熱面積Ac為:Ac =QiK

21、e；：tm2604 1000635.9 42.253=119.4m2(2-25)該換熱器的實際傳熱面積為：Ap =ndolNT =3.14父0.025父8M 200 = 125.6m2該換熱器的面積裕度為：H =A_1 = 125.6-119.4 = 5.2%(2-26)Ac119.4傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)2.3.2 壁溫計算TC壁溫計算f Cl2|另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和 傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較 大。計算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有(

22、2-27)tm =25C , Tm =85C , ac =a i = 7700 .90w/m 2 k% =a0 =2194.6w/m2 k傳熱管平均壁溫度：tw = 38.31 C殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85C。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 At =85-38.31 = 46.69C。2.3.3 換熱器內(nèi)流體的流動阻力TC換熱器內(nèi)流體的流動阻力fCl2 |(1)管程流體阻力TC (1)管程流體阻力f Cl3|(2-28)(2-29).：Pt R：Pr)NsNpFsl ：u2Ns =1, Np =2, R = i di 2由Re=49231.8,傳熱管粗糙度8=0.05mm,

23、相對粗糙度上二處 =2.5父10查 di 20莫狄圖得尢=0.025 ,流速u=1.944m/s,3P= 995.68kg/m 所以.8-pi -0.025 0.021.9942 995.68 =19794.3Pa_ 22.：u c 995.68 1.994=3 = 5938.3Pa.R =(19794.3 5938.29) 2 1.5 = 77197.8Pa77197.8Pa 小于 101315Pa所以：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)殼程流體阻力(2-30)(2-31 )(2-32)V p0 =（甲1：P2）FsNs：U2Pi = FfnC(NB 1)022h ：u；甲2 = Nb(3.5-)0

24、D 2p1-流體橫過管束的壓力降,Pap2-流體通過折流擋板缺口的壓力降，PaFS-殼程壓力降的垢層校正系數(shù)，無銀次，對于液體取1.15, Ns-殼程數(shù)管子的排列方式的壓力降的影響的校正因數(shù)FS =1.15 ,單殼程數(shù)Ns =1管子為正三角形排列，管子排列方法對壓力降的校正系數(shù) F = 15橫過管束中心線的管子數(shù) n =1.1, n =1.1. 200 : 16 c折流擋板間距h=15,折流擋板數(shù)Nb=26殼程流通面積 A。=h(D ncd。)=0.15(0.6_16 0.025) =0.03. ：pi= 0.5 5.0 7355.96 022816 (26 1)21068.55 0.2375

25、2= 4274.86Pa 21068.55 023752= 1958.87 Pa2 0.3：p2 =26 (3.5 )0.6所以.：ps =(4274.86 1958.87) 1.15 1 =7168.79Pa ；101315Pa即殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)3換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表3-1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器型式：浮頭式換熱器面積（Itf）:123.3工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水甘油操作壓力，MPa0.1010.101操作溫度，C20/3050/120流量，kg/s62.33103流體密度. kg/ m995.681068.55流速，m/s1.9940.2375傳熱量

26、，kw2604總傳熱系數(shù)，w/m2 - k635.9對流傳熱系數(shù)，w/m2 - k7700.902194.6污垢系數(shù)，m2 - k/w0.0001760.00058阻力降，KPa84.6207.49程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格e 25 M 2.5管婁2 204管長，mm8000管間距，mm32排列方式正三角形折流擋板型式弓形間距，mm300切口高度25%殼體內(nèi)徑，mm600保溫層厚度，mm項目數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)殼徑D(DN)600mm管尺寸025mmX2.5管程數(shù)Np (N)2管長l (L)6.0m管數(shù)n232管排列方式正三角形排列中心排管數(shù)nc16管心距32mm管程流通面積Si20.0314

27、m傳熱面積2119.4m根據(jù)核算結(jié)果表明,所選FB600 -107.6 -16 -2型換熱器可用.4附屬設(shè)備的選擇4.1 管道與殼體連接管子在管板上固定原則是必須保證管子與管板連接牢固,不能在連接處產(chǎn)生泄漏. 由于操作壓力為常壓，故采用脹接法.脹接法是用脹接器擠壓伸入管板孔中的管子 底部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時產(chǎn)生彈性變形.當(dāng)取出脹接管器后，管板孔 彈性收縮，管板與管子就會緊緊擠壓在一起，實現(xiàn)密封緊固.4.2 管板與殼體連接管板與殼體連接形式分為兩類：可拆式和不可拆式.浮頭式的換熱器一采用管板本 身不直接與殼體焊接,而通過殼體上法蘭和管箱法蘭夾持固定.殼體的設(shè)計壓力為 101.3KPa

28、小于1MPa且殼體介質(zhì)為非易燃易爆，非揮發(fā)性及有毒.故采用殼體壁厚 c =10mm4.3 換熱器的封頭選用橢圓形封頭DN=600m選用甲型平焊法蘭PN=0.6MPaD=715mm D1=680mm D2=650mm D3=640mm D4=637mmmmd=18mm4.4 拉桿的數(shù)量與直徑的選取表4-1拉桿直徑mm換熱器外徑d10 d 1414Hd 2525MdM 57拉桿直徑dn101216換熱器的外徑d=25mm所以拉才f直徑dn=16mm由于DN=600mm,dn=16mmfe可得拉桿數(shù)量為4個拉桿的長度的確定螺紋的公稱直徑dn=16mmLa=20mm Lb=60mm b=2.0mm4.5 導(dǎo)流筒在殼程流體進(jìn)出口和管板間必存在一段流體不能流動的空間(死角)，所以常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)出殼程時