固定管板式換熱器的設計

1、江西科技師范大學食品科學與工程專業(yè)化工原理課程設計說明書 題目名稱 固定管板式換熱器的設計 專業(yè)班級 學 號 學生姓名 指導教師 汪涯 2013 年 12 月 24日 目錄 1.設計方案1 1.1設計條件1 1.2換熱器工藝設計1 1.2.1設計方案的確定1 1.2.1.1選擇換熱器的類型1 1.2.1.2流體流經管程或課程的選擇1 1.2.2換熱器工藝結構尺寸1 1.2.2.1管徑和管內流速1 1.2.2.2管程數和傳熱管數2 1.2.2.3平均傳熱溫差校正及殼程數2 1.2.2.4傳熱管排列和分程方法2 1.2.2.5殼體直徑2 1.2.2.6折流板3 1.2.2.7接管32.衡算3 2.

2、1物性數據的確定3 2.2估算傳熱面積4 2.2.1冷流量4 2.2.2飽和水蒸汽用量4 2.2.3平均傳熱溫差4 2.2.4初算傳熱面積4 2.3傳熱面積校核4 2.3.1管程傳熱膜系數4 2.3.2殼程傳熱膜系數5 2.3.3污垢熱阻和管壁熱阻5 2.3.4總傳熱系數5 2.3.5傳熱面積校核5 2.4換熱器內壓降的核算6 2.4.1管程阻力6 2.4.2殼程阻力63.設備選型表7 3.1換熱器及其各部件型號的選型7 3.2設備清洗方法74.附錄及圖紙85.總結96.參考文獻101、設計方案 換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占重要地位。根據冷、熱流體熱量交換原

3、理和方式分為三類：混合式、蓄熱式、間壁式。本次設計我們采用的事間壁式換熱器來做的。它是通過間壁進行熱量交換的。1.1設計條件 （1）冷卻水 處理量：31m3/h、進口溫度：4、出口溫度：53、壓強降：2.03.1Mpa（2）飽和水蒸汽 進口溫度：110、出口溫度：100、壓強降：7.08.1Mpa選擇壓力泵為壓力維持設備。其壓力維持范圍為210 Mpa。因為壓力泵的傳壓介質為空氣，升降壓平穩(wěn)，采用超細微調部件，確保了足夠小的調節(jié)細度（最小調節(jié)細度為0.01Pa）。外殼采用絕熱材料進行隔熱保溫，大大減少了溫度對微壓儀器校驗的影響。該壓力泵采用了德國進口的快速接頭和連接管路。壓力泵采用全開放式結構

4、設計，它結構簡單、可靠性高、 操作維護方便、不易泄漏。調壓裝置采用精密大容腔活塞，獨特的結構設計、特殊的密封材料無需潤滑，減少摩擦， 壓力調節(jié)范圍大，升降壓平穩(wěn)。1.2換熱器工藝設計1.2.1設計方案的確定滿足工藝和操作上的要求，確保安全生產，做到經濟、技術上的合理，即盡可能節(jié)省設備費用和操作費用。1.2.1.1選擇換熱器的類型 兩流體的溫度變化情況：飽和水蒸汽進口溫度110，出口溫度：100；冷卻水進口溫度：4，出口溫度：53。因為換熱器用冷卻水冷卻，在較低溫度下操作時其進口溫度會降低，并可能使換熱器管壁溫度和殼體溫度相差較大，所以確定選用管板式換熱器。又因為水蒸氣冷卻時有顯熱和潛熱之分，潛

5、熱是指物質在相變過程中吸收或放出的熱量，比如空氣中的水蒸氣變成水；顯熱是指物質溫度的升高或者降低，熱傳遞中不發(fā)生相變，比如冷水變熱水。此設計中沒有發(fā)生相變，所以此選擇的是以顯熱方式進行放熱的。1.2.1.2流體流經管程或殼程的選擇 從兩流體的操作壓力來看，應使飽和水蒸汽走管程，冷卻水走殼程。但由于冷卻水易結垢，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降，鑒于此兩種因素，應使冷卻水走管程，飽和水蒸汽走殼程。1.2.2換熱器工藝結構尺寸1.2.2.1管徑和管內流速 因為管內走的是易結垢的流體，所以選擇 傳熱管（碳鋼），查列管式換熱器常用流速范圍表和不同黏度在列管式換熱器中的流速表2可

6、取管內流速。1.2.2.2管程數和傳熱管數 可根據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數按單程管計算，所需的傳熱管長度為按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據本設計實際情況，采用非標設計，現取傳熱管長，則該換熱器的管程數位傳熱管總管根數 1.2.2.3平均傳熱溫差校正及殼程數 平均溫差校正系數計算如下按單殼程，雙管程結構，查金屬熱導率圖1得平均傳熱溫差 由于，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。1.2.2.4傳熱管排列和分程方法 由于冷卻水為易結垢流體，故采用正方形排列。取管心距，則由于管程為四，故隔板中心到離其最近管中心的距離1.2.2.5殼體直徑 采用多管程結構，殼體直徑按照公式-按

7、卷制殼體的進級檔，可取1.2.2.6折流板 采用圓缺形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體直徑的%，則切去的圓高度為 故可取取折流板間距 ，則折流板數目1.2.2.7接管 殼體流體進出口接管：查列管式換熱器常用流速范圍表和不同黏度在列管式換熱器中的流速表2可取管內氣體流速，則接管內徑為圓整后可取管內徑為。管程流體進出口接管：殼體流體進出口接管：查列管式換熱器常用流速范圍表和不同黏度在列管式換熱器中的流速表2可取管內液體流速，則接管內徑為圓整后可取管內徑為。 2、衡算2.1.物性數據的確定定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進、出口溫度的平均值。故殼程飽和水蒸汽的定性溫度為管

8、程流體的定性溫度為根據其定性溫度查得其物性數據如下：冷卻水： ； 。飽和水蒸汽：；。2.2估算傳熱面積2.2.1 冷流量 （忽略熱損失）2.2.2飽和水蒸汽用量 （忽略熱損失）2.2.3平均傳熱溫差2.2.4初算傳熱面積 由于水蒸汽走管外，用作冷凝劑查列管式換熱器中傳熱系數K值范圍推薦值表2可查的估算的傳熱面積為2.3傳熱面積校核2.3.1管程傳熱膜系數。管程流體流速和雷諾數分別為普朗特數 2.3.2殼程傳熱膜系數管子按正方形排列，傳熱當量直徑為殼程流通截面積 殼程流體流速及其雷諾數分別為普朗特數 黏度校正 2.3.3污垢熱阻和管壁熱阻查附錄92，管外側污垢熱阻，管內側污垢熱阻。已知管壁厚度，

9、碳鋼在該條件下的熱導率為50W/.2.3.4總傳熱系數K總傳熱系數系數K為2.3.5傳熱面積校核根據公式 ，換熱器的實際傳熱面積為S，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任務。2.4換熱器內壓降的核算2.4.1管程阻力由Re=37314,傳熱管相對粗糙度0.01，查雙對數坐標圖1得管程流體阻力在允許范圍之內。2.4.2殼程阻力按下式計算 其中 ， 。流體流經管程的阻力 ， 流體流過折流板缺口的阻力其中，則總阻力由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力比較適宜。3、設備選型3.1換熱器及其各部件型號的選型(1)采用管板式，材質為碳鋼，管子為正方形排列，單殼程四管

10、程。(2)換熱器殼體內徑是800mm，采用焦作市國能設備廠生產的換熱器殼體，型號為KYQ-II，使用周期為四年。(3)換熱管尺寸為，采用浙江銀來鋼管有限公司生產的傳熱管，型號為310S，使用周期為三年。(4)折流板間距為200m，采用淄博衡迪防腐設備有限公司生產的折流板，型號為四氟折流板，使用周期為三年.(5)接管型號為BR02Q，廠家是上海將星化工設備有限公司，使用周期為兩年。(6)膠墊型號為JD11，廠家是廣州晶昌工程材料制品有限公司，使用周期為兩年。(7)冷卻器型號為2LQFL，廠家是姜堰市萬安機械配件廠，使用周期為五年。3.2設備清洗方法因為換熱器大多是以水為載熱體的換熱系統(tǒng)，南于某些

11、鹽類在溫度升高時從水中結晶析出。附著于換熱管表面，形成水垢。在冷卻水中加入聚磷酸鹽類緩沖劑，當水的pH值較高時，也可導致水垢析出。初期形成的水垢比較松軟，但隨著垢層的生成，傳熱條件惡化，水垢中的結晶水逐漸失去，垢層即變硬，井牢地附著于換熱管表面上。此外，如同水垢一樣，當換熱器的_T作條件適合溶液析出晶體時。換熱管表面上即可積附f_物料結晶形成的垢層；當流體所含的機械雜質有機物較多、而流體的流速義較小列，部分機械雜質或有機物也會在換熱器內沉積，形成疏松、多孔或膠狀污垢。其清洗方法如下：    (1)噴射清洗：噴射清洗是一種強力清洗法，它是利刷噴射設備將介質

12、以極高的沖擊力噴人換熱器的管側和殼側，起到除垢的目的。常用的介質足水、蒸汽或石英砂。對于僅僅依靠沖擊力是不能去除而必須依靠熱量才能使其松動的污垢，蒸汽噴射清洗是非常好的方法。   (2)管內插人物清洗：這種方法只能除去管子里面的污垢，它依靠捕人物在管內的運動。與管子內表面接觸，達到去除污垢的效果。捕人物的型式多種多樣，可以是在撓性軸的端部裝上刮刀或鉆頭也町以使用鋼絲刷子來清洗較低硬度的污垢。對于換熱器管內污垢，以上兩種換熱器清洗方法，我們都采用過，我們認為采用管內插人物清洗效果比直接噴射清洗效果明顯，但捕人物清洗勞動強度相對較大。此后我們試著將兩種方法結合使用，在

13、用捅人物清洗同時用高壓水噴射結果效果大大提高。其優(yōu)點是見效快易操作而日可降低清洗強度。因此，目前我們經常采用此方法清洗列管內污垢。但缺點是清洗設備需裝拆，易對設備造成機械損傷。4、附錄及圖紙 1、換熱管器主要結構尺寸和計算數據項 目結 果單 位管程流率49360殼程流率257760管程進（出）口溫度28（78）殼程進（出）口溫度110（100）管程壓力2.03.1殼程壓力7.08.1冷卻水定性溫度53飽和水蒸汽定性溫度105管程冷卻水密度987.2殼程飽和水蒸汽密度955.2管程定壓比熱容4.175殼程定壓比熱容4.174管程黏度殼程黏度管程熱導率殼程熱導率0.6176管程普朗特數3.5殼程普

14、朗特數4.9殼體內徑800管徑管心距32管數目172根折流板個數39個折流板間距200傳熱面積108.9管程流速1.03殼程流速2.1管程表面?zhèn)鳠嵯禂?598殼程面?zhèn)鳠嵯禂?613）管程污垢熱阻0.0003殼程污垢熱阻0.0002管程阻力0.06殼程阻力0.25熱流量3027.78傳熱溫差45.6傳熱系數1005裕度1.6%2、換熱器及其各部件型號的選型設備參數材質 尺寸型號 生產廠家換熱器殼體碳鋼 800mmKYQ-II 焦作市國能設備廠換熱管碳鋼 310S 浙江銀來鋼管有限公司折流板碳鋼四氟折流板 淄博衡迪防腐設備有限公司5、總結此次換熱器的設計我們對相關的數據進行了認真的計算和校核。前面有幾次是不符合要求的，但通過認真的對相關數據的查表，以及逐步核算，最好終于達到要求。我們選用的管板式換熱器綜合考慮了壓強、溫度、設備投資等各種因素，能使之較好的符合工業(yè)和生活生產的要求，且管板式換熱器結構簡較簡單，成本亦低。但由于其殼程檢修和清洗困難，用“膨脹節(jié)”結構進行熱補償，并且這種補償方式不適用于熱、冷溫差較大的場合，這是此次設計的不足之處。另外，