換熱器的設(shè)計(jì)

題目：列管式換熱器設(shè)計(jì)專題：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管是換熱器的設(shè)計(jì)專業(yè)：姓名：指導(dǎo)老師：時(shí)間：一、題目及專題題目：列管式換熱器設(shè)計(jì)專題：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管是換熱器的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)條件1、煤油從140℃冷卻到40℃,壓力1bar2、冷卻劑為水，水溫30℃，水壓力為3bar3、處理量：15t/h.流量。4、要求：選擇〔設(shè)計(jì)〕一適宜型號(hào)換熱器，管程和殼程的壓力不大于30Kpa

5、設(shè)備形式：列管式換熱器。三、設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容

每個(gè)設(shè)計(jì)者必須提交的設(shè)計(jì)成果有：設(shè)計(jì)說明書一份，裝配圖，管板零件圖。

1、設(shè)計(jì)說明書必須包括下述內(nèi)容:

封面、目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表、參考文獻(xiàn)以及設(shè)計(jì)自評(píng)等。

2、設(shè)計(jì)計(jì)算書的主要內(nèi)容應(yīng)包括的步驟:

1)收集物性常數(shù)、計(jì)算熱負(fù)荷。

2)根據(jù)換熱流體的特性和操作參數(shù)決定流體走向〔哪個(gè)走管程、哪個(gè)走殼程〕；計(jì)算平均溫差；

3)

初步估計(jì)一個(gè)總傳熱速率常數(shù)K估，計(jì)算傳熱面積A估；

4)

根據(jù)A估初選標(biāo)準(zhǔn)換熱器，定出實(shí)際的傳熱面積A實(shí)際。

5)

換熱面積的核算。

6)

管程和殼程壓力降的核算。

班級(jí)：組長：組員：日期：指導(dǎo)老師：目錄1、前言---------------------------------------------------------------------------42、設(shè)備與條件確實(shí)定---------------------------------------------------------53、工藝計(jì)算過程-----------------------------------------------------------------53.1、列管式換熱器的選用原那么、類型及其說明------------------------------63.2、列管式換熱器選型中的有關(guān)計(jì)算--------------------------------63.3流體流動(dòng)空間及流體的物性參數(shù)--------------------------------83.4計(jì)算并初定型號(hào)--------------------------------------------------------------83.5核算總傳熱系數(shù)K值-----------------------------------------------------------103.6核算壓力降-----------------------------------------------------------------------134參考文獻(xiàn)-----------------------------------------------------------------------------155總結(jié)------------------------------------------------------------------------------------166附圖------------------------------------------------------------------------------------17〔一〕前言換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)部門的通用工藝設(shè)備，尤其是石油、化工生產(chǎn)應(yīng)用更為廣泛。在化工廠中換熱器可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。換熱器的類型很多，性能各異，從早期開展起來的列管式換熱器到到近年來不斷出現(xiàn)的新型高效換熱設(shè)備，各具特點(diǎn)。進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)，首先是根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)?shù)念愋?，同時(shí)計(jì)算完成給定生產(chǎn)任務(wù)所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。換熱器類型雖然很多，但計(jì)算傳熱面積所依據(jù)的傳熱根本原理相同，不同之處僅是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需根據(jù)各自設(shè)備特點(diǎn)采用不同的計(jì)算方法而已。列管式換熱器是一種結(jié)構(gòu)鞏固、可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、材料范圍廣的換熱器。因此在石油化工生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，尤其是高溫高壓等大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。列管式換熱器的設(shè)計(jì)資料較完善，已有系列化的標(biāo)準(zhǔn)。目前我國列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按“鋁制管殼式〔即列管式〕換熱器”〔GB151〕標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。列管式換熱器設(shè)計(jì)和分析包括熱力分析、流體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中以熱力設(shè)計(jì)最重要。根據(jù)操作條件設(shè)計(jì)出符合條件的換熱器，設(shè)計(jì)方案確實(shí)定包括換熱器形式的選擇，加熱劑或冷卻劑的選擇，流體流入換熱器的空間以及流體速度的選擇。由于設(shè)計(jì)者的水平有限，方案中難免有不妥和錯(cuò)誤之處，希望老師給予批評(píng)指正?！捕吃O(shè)備與條件確實(shí)定設(shè)備：列管式換熱器列管式換熱器的設(shè)計(jì),首先要根據(jù)生產(chǎn)工藝條件的要求,通過化工工藝計(jì)算,確定換熱器的傳熱面積,同時(shí)選擇管徑、管頭,決定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù).列管式換熱器的根本結(jié)構(gòu)：〔三〕工藝計(jì)算過程〔一〕選用原那么、類型及其說明1.列管式換熱器的選用原那么〔1〕滿足生產(chǎn)工藝要求〔2〕操作維護(hù)檢修方便〔3〕經(jīng)濟(jì)上合理〔4〕保證平安生產(chǎn)2．列管式換熱器的類型1、固定板式換熱器〔代號(hào)G〕設(shè)備型號(hào)內(nèi)容有：殼體公稱直徑〔mm〕，管程數(shù)，公稱壓力〔×9.81×10pa〕，公稱換熱面積〔m〕，如G800I-6-100型換熱器，G表示固定板式列管換熱器，殼體公稱直徑為800mm，管程數(shù)為1，公稱壓力為6×9.81×10pa，換熱面積為100m2、浮頭式列管換熱器〔代號(hào)F〕設(shè)備型號(hào)內(nèi)容有：殼體公稱直徑〔mm〕，傳熱面積〔m〕，承受壓力〔×9.81×10pa〕，管程數(shù)，如FA600-13-16-2型換熱器，F(xiàn)代表浮頭是列管換熱器，B表示換熱器為管徑QUOTE25mm×2.5mm，正方排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為130m2，公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程數(shù)位2。3、U型管式列管換熱器〔代號(hào)Y〕設(shè)備型號(hào)內(nèi)容有：公稱直徑〔mm〕，公稱換熱面積〔m〕，管程壓力〔×9.81×10pa〕/殼程壓力〔×9.81×10pa〕，管程數(shù)，如YB600-90-40/16-4型換熱器，Y代表U型管式列管換熱器，B表示換熱器為管徑QUOTE25mm×2.5mm，正方形排列，殼體直徑為600mm，公稱傳熱面積為90m2，殼體公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程公稱壓力為16×9.81×10Pa，管程數(shù)位4。列管式換熱器選型中的有關(guān)計(jì)算在列管式換熱器的選型中，有些設(shè)備尺寸、工藝參數(shù)等，需要根據(jù)生產(chǎn)具體情況自主家以前確定，有些需要精心計(jì)算，如對(duì)流傳熱系數(shù)、平均溫差，管程與殼程的壓力降等，以確保換熱器的選型合理。1、傳熱速率根本方程式在穩(wěn)態(tài)傳熱下，總傳熱系數(shù)K隨時(shí)間變化不大時(shí)，那么Q=KA△tm式中Q----傳熱系數(shù)，W；K----總傳熱系數(shù)，W/〔m2·K)；A----與K對(duì)應(yīng)的傳熱面積，m2；；---平均溫度差；〔2〕對(duì)數(shù)平均溫度差〔1〕在無相變理想逆流或并流熱換器中，對(duì)數(shù)平均溫度差為式中△t1、△t2分別為換熱器的溫差，單位為K。當(dāng)△t1/△t2<2時(shí)，可用算數(shù)平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫差?！?〕在冷、熱流體復(fù)雜流向的換熱器中，無相變時(shí)，對(duì)數(shù)平均溫差為式中---按理想逆流情況下求得的對(duì)數(shù)平均溫度差；---------溫度校正系數(shù)，是R和P兩因數(shù)的函數(shù)，即=f〔R,P〕.在函數(shù)中根據(jù)冷、熱流體進(jìn)出口溫度，依上式可求出R和P值，于是溫度差校正系數(shù)值可根據(jù)R和P兩參數(shù)從對(duì)應(yīng)的圖中查出。要注意的是，圖與殼程、管程類型是一一對(duì)應(yīng)的。只要確定殼程、管程的類型，從相應(yīng)的圖中就可以查的得溫度差校正系數(shù)。3．總傳熱系數(shù)KK值的計(jì)算公式為式中A——任一選定的座位計(jì)算K值的基準(zhǔn)傳熱面積，；K——基于A值的總傳熱系數(shù)，〕；，——分別為管兩側(cè)的污垢熱阻，K/W;,——分別為管兩側(cè)及管平均的傳熱面積，；——管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m;b——管壁厚度，m。上式表示為傳熱總熱阻為兩側(cè)流體的熱阻、管壁熱阻以及管壁兩側(cè)污垢熱阻之和。在計(jì)算時(shí)，K值可以以任一傳熱面積為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，但一般常以管外側(cè)面積為基準(zhǔn)。4.流體流動(dòng)阻力的計(jì)算由于在生產(chǎn)任務(wù)中對(duì)管程、殼程的壓降往往提出具體要求，所以要分別計(jì)算出兩流體的阻力損失。目前計(jì)算管程，殼程論壇阻力的公式較多，這里僅僅介紹其中的一種。管程流體流動(dòng)阻力單管程流體阻力可按照一般摩擦阻力公式計(jì)算。對(duì)于多管程換熱器，其管程總阻力〔或壓降〕式中——管程總阻力，Pa；——單程直管中因摩擦阻力引起的壓力降，可按一般摩擦阻力公式計(jì)算，Pa；——回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，可由經(jīng)驗(yàn)公式J進(jìn)行近似計(jì)算，Pa；F——結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對(duì)的管子取1.4；對(duì)的管子取1.5；——?dú)こ虜?shù)；——為一殼程中的管程數(shù)〔各殼程相同〕。殼程流體流動(dòng)阻力由于殼程流體流動(dòng)形態(tài)特別復(fù)雜，所以目前提出的殼程阻力計(jì)算公式很多，下面是其中的一個(gè)。式中Re=——按殼程流通截面計(jì)算所得的殼程流速，m/s；——折流擋板間距，m；——管子外徑，m；——管中心距，m；——折流擋板數(shù)；——?dú)こ痰漠?dāng)量直徑，m?！踩沉黧w流動(dòng)空間及流體的物性參數(shù)〔1〕、流體流動(dòng)空間的選擇與煤油相比，水易結(jié)垢，且對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，所以冷卻水走換熱器的管程；煤油走換熱器的殼程，這也有利于散熱降溫?！?〕、流體的物性參數(shù)取冷卻水出口溫度為40℃，其定性溫度為1/2〔40+30〕=35℃;煤油的定性溫度為1/2〔40+140〕=冷卻水和煤油的物性參數(shù)密度Kg/m比熱容〔KJ/〔kg.K〕粘度/〔Pa.s〕導(dǎo)熱系數(shù)/〔W/(M.k煤油8102.30.13水9944.1870.626試算并初選換熱器型號(hào)計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水用量忽略換熱器的熱損失，冷卻水用量計(jì)算兩流體的平均溫度差先按理想逆流傳熱溫度差進(jìn)行計(jì)算，即再按單殼程，雙管程進(jìn)行計(jì)算，對(duì)逆流傳熱溫度差進(jìn)行校正。R=P=由R和P值，查溫度差校正系數(shù)圖，得溫度校正系數(shù)，可行。所以修正后的傳熱溫度差為.初選換熱器類型與型號(hào)由于兩流體間的溫差較大，需要溫度補(bǔ)償;同時(shí)為了便于殼程污垢清洗，采用系列的浮頭式列管換熱器為宜。假設(shè)選換熱器型號(hào)，需知傳熱面積。要計(jì)算傳熱面積，又需先求出總傳熱系數(shù)K，而K值又有兩流體的對(duì)流傳熱系數(shù)、垢層熱阻等所決定。但在換熱器型號(hào)未確定之前，換熱器直徑、換熱器規(guī)格與根數(shù)等參數(shù)根本無法計(jì)算，所以對(duì)換熱器具體型號(hào)的選擇只能進(jìn)行試算。參照列管換熱器中K值的大致范圍，根據(jù)量流體的具體情況，初步選定總傳熱系數(shù)K=300W/(m2·K).于是換熱器的傳熱面積可初步確定，即取管內(nèi)冷卻水流速u=0.8m/s。換熱管選換熱器用普通無縫鋼管ф25mm×2.5mm，管內(nèi)徑d=0.025-2×0.0025=0.02m，于是單程管根數(shù)n′為取n′=92根，按雙程計(jì)算，那么需換熱器總管數(shù)為2×92=184根。這樣，在換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中，初步選定具體型號(hào)為FB--600--95--16--2型換熱器，具體參數(shù)見下表：殼徑/mm600管子尺寸Ф=25mm×2.5mm公稱壓力/×9.81×10416管長/m6公稱傳熱面積/m295管子總數(shù)208管程數(shù)2管子排列方式正方形斜轉(zhuǎn)450殼程數(shù)1折流擋板形式圓缺行初步確定該型號(hào)換熱器是否可用，還要進(jìn)行進(jìn)一步核算?！参濉澈怂憧倐鳠嵯禂?shù)K值計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)該型號(hào)換熱器總管數(shù)為208根，由于是雙管程，所以管程的流通截面積為這樣，管內(nèi)冷卻水的實(shí)際流速對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算殼程流體對(duì)流傳熱系數(shù)取換熱器列管中心距t=32mm。流體通過管間的最大截面積，即殼程的流通截面積A為殼程中煤油的流速當(dāng)量直徑=0.027m由于殼程流體被冷卻，所以取，于是殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)為污垢熱阻管程和殼程污垢熱阻分別取核算總傳熱系列K值管壁熱阻可忽略時(shí)，以管外外表積為準(zhǔn)，總傳熱系數(shù)為=345W/(.K)在初選換熱器型號(hào)時(shí)，要求換熱過程的總傳熱系數(shù)為300W(m.K).通過核算，知道該型號(hào)換熱器在規(guī)定的流體流動(dòng)條件，所能提供的總傳熱系數(shù)為345W/(m。K)，故所選換熱器型號(hào)是適宜的。總傳熱系數(shù)的裕度為核算傳熱面積按核算后所得的總傳熱系數(shù)值計(jì)算，那么完成換熱任務(wù)所需傳熱面積為而該型號(hào)換熱器實(shí)際傳熱面積A為從傳熱面積的核算中也可知，所選換熱器是可用的。換熱面積的裕度為〔六〕核算壓力降因?yàn)楣艹毯蜌こ潭加袎毫档囊?，所以要?duì)管程和殼程的壓力降進(jìn)行核算。1、計(jì)算管程壓力降管程壓力降計(jì)算的通式為式中，殼程數(shù)=1,管程數(shù)=2可知管程流體呈湍流狀態(tài)。取管壁粗糙度，相對(duì)粗糙度關(guān)聯(lián)圖可知摩擦因數(shù)，所以于是2．計(jì)算殼程壓力降由于殼程流體的流動(dòng)狀況比擬復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大，這里用埃索法來計(jì)算。即式中——流體橫過管束的壓力降，Pa；——流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa；——?dú)こ虊毫档墓笇有Ｕ禂?shù)，無因次，對(duì)于液體取1.15，對(duì)于氣體取1.0；——?dú)こ虜?shù)。而式中F——管子排列方法對(duì)壓力降的校正系數(shù)，對(duì)正三角排列F=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45度排列F=0.4，正方形排列F=0.3；——?dú)こ塘黧w的摩擦因數(shù)，當(dāng)Re>500時(shí)，=；——橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)正三角形排列，對(duì)正方形排列〔式中n為換熱器總管數(shù)〕；——折流擋板數(shù)；h——折流擋板間距，m；——按殼程流通截面積A0計(jì)算的流速，而；D——?dú)?，m；d0————換熱管外徑，m。在本設(shè)計(jì)中管子的排列方式對(duì)壓力降影響的校正因數(shù)Fs=1.15，殼程數(shù)Ns=1。管子為正方形斜轉(zhuǎn)45度排列，管子排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)F=00.4。橫過管束中心線的管子數(shù)=。取折流擋板間距h=0.15m。折流擋板數(shù)殼程流通截面積>500==于是所以通過以上壓力降核算