化工原理課程設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)第1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一列管換熱器工藝設(shè)計(jì)

第2頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（一）概述一、換熱器作用

加熱（冷卻）器、蒸發(fā)器、再沸器、冷凝器等。

二、換熱器類型

1、板式（設(shè)備緊湊250-1500m2/m3、材耗低15kg/m3、傳熱系數(shù)大、熱損失小。承壓能力較低、工作介質(zhì)的處理量小、制造加工較復(fù)雜、成本較高）

第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、管式（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造加工較容易、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、性能可靠、適應(yīng)面廣。在傳熱性能和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器）

在化工廠占投資比例約為11％在煉油廠占投資比例高達(dá)40％第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、管式換熱器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

列管式換熱器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收必須遵循中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“鋼制管殼式（即立管式）換熱器”（GB151）執(zhí)行。

按該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：換熱器的公稱直徑DN換熱器的傳熱面積A換熱器的公稱長(zhǎng)度LN換熱器的主要部件分為前端管箱、殼體、后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分。

第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一列管式換熱器型號(hào)的表示方法：×××DN－Pt/Ps－A－LN/d－Nt/NsⅠ(或Ⅱ)例：AES500－1.6－54－6/25－4I第一個(gè)字母代表前端管箱型式第二個(gè)字母代表殼體型式第三個(gè)字母代表后端結(jié)構(gòu)型式公稱直徑mm管/殼程設(shè)計(jì)壓力（MPa），壓力相等時(shí)只寫Pt公稱換熱面積，m2LN公稱長(zhǎng)度，m；d換熱管外徑，mm管/殼程數(shù)，單程時(shí)只寫NtⅠ級(jí)換熱器(或Ⅱ級(jí)換熱器)第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一列管換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：①根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案；②根據(jù)計(jì)算初步確定換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸；③核算換熱器的傳熱能力和流體阻力；④確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。第7頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（二）無(wú)相變列管換熱器的工藝設(shè)計(jì)（冷卻器）一、明確設(shè)計(jì)任務(wù)，確定設(shè)計(jì)方案1、明確設(shè)計(jì)任務(wù)（工藝任務(wù)、設(shè)計(jì)規(guī)范要求）2、選擇換熱器類型列管換熱器類型（見(jiàn)下頁(yè)）3、確定流程（根據(jù)流體結(jié)垢性、腐蝕性、有無(wú)相變、粘度、壓力、流速等）第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固定管板式：制造方便、緊湊、造價(jià)低。管外側(cè)不能清洗，溫差大時(shí)應(yīng)力大。適用于……浮頭式：管束可以從殼體中抽出，便于管間清洗，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，造價(jià)高，制造安裝要求高。適用于…..U型管式：比浮頭式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，但管板上排列管子少，各排管子回彎處曲率不同，長(zhǎng)度不同，故殼程流體分布不夠均勻，影響傳熱。適用于……填料函式：

第9頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、確定物性數(shù)據(jù)物料的物性數(shù)據(jù):定性溫度；密度ρ；比熱容Cp熱導(dǎo)率λ；粘度μ。載熱體物性數(shù)據(jù):進(jìn)口溫度=出口溫度=定性溫度；密度ρ；比熱容Cp熱導(dǎo)率λ；粘度μ。二、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第10頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、估算換熱面積①熱流量Q1=qm1Cp1△t1=qm2Cp2△t2

或Q1=qm1Cp1△t1=qm2r下標(biāo)1表示工藝流體，下標(biāo)2表示載熱體。

②△Tm

確定相對(duì)流動(dòng)方向，計(jì)算△Tm并流與逆流△Tm=（△t1-△t2）/ln(△t1/△t2)折流△Tm=ε△t

△Tm逆第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一③A的估算估算的傳熱面積AP=Q/(KP△Tm)KP為假設(shè)傳熱系數(shù)。表K值大致范圍管內(nèi)（管程）管間（殼程）傳熱系數(shù)K（W/m2.K）水水500--1000水蒸汽1000--4000水有機(jī)物100--500第12頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一④載熱體用量qm2若工藝流體被加熱，則：Q=Q1+Q2

Q2為熱損失，可近似取換熱器熱流量的3％--5％。qm2=Q/Cp2△t2

若工藝流體被冷卻，則：qm2=Q1/Cp2△t2

第13頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、工藝結(jié)構(gòu)尺寸①管徑與管內(nèi)流速表1常用換熱管的規(guī)格19×2mm25×2.5mm32×3mm表2列管換熱器中不同粘度液體的最大流速液體粘度（pa.s）＞1.50.5—1.00.1—0.50.035-0.10.001--0.035＜0.001烴類最大流速(m/s)0.60.751.11.51.82.43第14頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表3列管換熱器的常用流速流體類型管內(nèi)(m/s)管間(m/s)一般液體0.5—30.2—1.5海水、河水等易結(jié)垢液體＞1＞0.5氣體5—303--15表4列管換熱器易燃易爆液體允許的安全流速流體類型安全流速(m/s)乙醚二硫化碳苯＜1甲醇乙醇汽油＜2--3丙醇＜10第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一②管程數(shù)與傳熱管根數(shù)先按單程計(jì)算所需管子根數(shù)和管長(zhǎng)單程管子根數(shù)no:no=4qM內(nèi)/ρπd2u（qM內(nèi)管內(nèi)流體質(zhì)量流量）

＊按單程計(jì)算的管子太長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程?？偣荛L(zhǎng)L總:

L總=AP/πd（AP估算的傳熱面積）單根管長(zhǎng)L:按（GB151）推薦單根管長(zhǎng)為

1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.5，6.0，7.5，9.0，12m。管子根數(shù)N：N=L總/L管程數(shù)m：m=N/no

(取1、2、4、6、8等)實(shí)際管子總根數(shù)Np：Np=mno

第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一③平均溫度差校正及殼程數(shù)一般溫差校正系數(shù)值應(yīng)不低于0.8。否則應(yīng)考慮多殼程或多臺(tái)換熱器串聯(lián)。(R--P1/R—PR)④傳熱管排列與分程方法

（管板結(jié)構(gòu)尺寸：結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度尺寸）

正三角形排列

(最小管間距t=1.25d)正方形排列同心圓排列⑤殼體內(nèi)徑對(duì)于多管程:D=1.05t(Np/η)1/2適宜的換熱器長(zhǎng)徑比為6-10，豎直放置的換熱器為4-6。第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⑥折流檔板（切口尺寸，檔板間距，排列方式，與殼體間隙，厚度，管孔，支持板）切口尺寸：常用值為殼體內(nèi)徑的20%-25%檔板間距：最小50mm，最大不大于傳熱管最大無(wú)支撐跨距（且不大于殼體內(nèi)徑）表5最大無(wú)支撐跨距（mm）換熱管外徑1014192532384557最大無(wú)支撐跨距8001100150019002200250028003200第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一排列方式：臥式換熱器的弓形折流檔板的圓缺面可水平或垂直裝配。(與殼體間隙)(厚度)(管孔)支承板：具有橫向折流檔板的換熱器不需另設(shè)支承板

⑦其它附件（管程隔板，縱向隔板，拉桿與定距管，旁路檔板與防沖板）設(shè)備支座**⑥⑦兩項(xiàng)不需具體設(shè)計(jì)計(jì)算,但工藝條件圖上應(yīng)有所表示.⑧接管(設(shè)置必要的接管，管徑，管長(zhǎng)，接管法蘭的要求，排氣排液管等)接管大小、位置(接管法蘭的要求)排氣、排液管第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、換熱器核算1、Aα內(nèi)，α外，R垢內(nèi)，R垢外，K核→A核，并與A實(shí)際比較要求:傳熱面積裕度>15-20%2、△tw

冷流體平均溫度tm=0.4t2+0.6t1

層流時(shí)tm=0.5(t1+t2)熱流體平均溫度Tm=0.4T1+0.6T2

Tm=0.5(T1+T2)傳熱管平均壁溫殼體壁溫(約等于殼程流體平均溫度)殼體壁溫-傳熱管平均壁溫=△tw

(大于50時(shí)要考慮熱補(bǔ)償)第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表6各種污垢熱阻的大致數(shù)值范圍(10-5m2℃

/w)水17.6(＜52℃

)35.2(＞52℃)硬水52.8(＜52℃

)88(＞52℃)水蒸汽8.8(不帶油)17.6(帶油)煤油17.6一般稀無(wú)機(jī)物溶液88第21頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、流動(dòng)阻力

管程阻力ΔP內(nèi)

殼程阻力ΔP外

操作壓力P＜105Pa

(絕壓)阻力ΔP

＜0.1P

操作壓力P=0-105Pa

(表壓)阻力ΔP

＜0.5P操作壓力P＞105Pa

(表壓)阻力ΔP

＜5×104Pa四、確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表：表7換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

參數(shù)管程殼程流率/(kg/h)進(jìn)/出溫度/℃壓力/Pa物性定性溫度/℃密度/(kg/m3)比熱容/(kJ/(kg·K))熱導(dǎo)率/(W/(m·K))粘度/Pa·s普朗特?cái)?shù)設(shè)備形式臺(tái)數(shù)結(jié)構(gòu)殼體內(nèi)徑/mm殼程數(shù)

參數(shù)管徑/mm

管心距/mm

管長(zhǎng)/mm

管子排列

管數(shù)目/根

折流板數(shù)/個(gè)

傳熱面積/m2

折流板間距/mm

管程數(shù)

材質(zhì)第23頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一主要計(jì)算結(jié)果管程殼程

表8主要計(jì)算結(jié)果五、換熱器工藝結(jié)構(gòu)圖uαRΔPQΔTmK面積裕度第24頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖紙要求:1)制圖規(guī)范、表達(dá)