化工原理課程設(shè)計(jì)固定管板式換熱器

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1、 化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目：固定管板式換熱器 指導(dǎo)教師： 班 級： 食品 08級 姓 名： 2011 年 1 月 20 日 目 錄 設(shè)計(jì)題目………………………………………………………… 第1頁 說明書編寫要求………………………………………………

2、… 第5頁 設(shè)計(jì)任務(wù)書……………………………………………………… 第6頁 一、設(shè)計(jì)方案…………………………………………………… 第8頁 1.設(shè)計(jì)方案的選擇…………………………………………… 第8頁 1.1方案簡介………………………………………………… 第8頁 1.2設(shè)計(jì)的一般原則………………………………………… 第9頁 1.3換熱器類型的選擇……………………………………… 第10頁 2.流程安排…………………………………………………… 第13頁 2.1 列管式換熱器的選用…………………………………. 第13頁 2.2加熱劑或冷凝劑的選擇…………………

3、………………… 第14頁 2.3流體進(jìn)口溫度的確定……………………………………… 第14頁 2.4 流體流速的選擇 ………………………………………… 第15頁 2.5 管子的規(guī)格和排列方法…………………………………… 第16頁 2.6 折流擋板和支承板………………………………………. 第18頁 2.7 外殼直徑的確定………………………………………….. 第19頁 2.8 材料選用……………………………………………… 第20頁 2.9流動(dòng)空間及流速的確定 ………………………………… 第21頁 二、確定物性數(shù)據(jù)…………………………………………… 第20

4、頁 三、計(jì)算總傳熱系數(shù)………………………………………… 第21頁 1.熱流量…………………………………………………… 第21頁 2.平均傳熱溫差…………………………………………… 第21頁 3.冷卻水用量……………………………………………… 第22頁 4.總傳熱系數(shù)K…………………………………………… 第22頁 四、計(jì)算換熱面積…………………………………………… 第23頁 五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸…………………………………………… 第23頁 1.管徑和管內(nèi)流速……………………………………… 第23頁 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)……………………………………

5、 第23頁 3．平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)………………………… 第24頁 4.傳熱管排列和分程方法……………………………… 第24頁 5.殼體內(nèi)徑……………………………………………… 第25頁 6.折流板………………………………………………… 第25頁 7.接管…………………………………………………… 第25頁 六、換熱器核算 …………………………………………… 第26頁 1.熱量核算……………………………………………… 第26頁 2.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力…………………………… 第28頁 3.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果……

6、……………… 第30頁 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（附圖）……………………………………… 第31頁 主要符號說明 …………………………………………………… 第32頁 七、設(shè)計(jì)心得 …………………………………………………… 第33頁 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 第36頁 評語 ……………………………………………………………… 第29頁 廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系 化 工 原 理 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 設(shè)計(jì)課題：大豆油換熱器的設(shè)計(jì) 說明書編寫要求：

7、 化工原理課程設(shè)計(jì)由說明書和圖紙兩部分組成。設(shè)計(jì)說明書為打印稿，包括所有論述、原始數(shù)據(jù)、計(jì)算、表格等，設(shè)計(jì)說明書一般不少于3000字，設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書裝訂于說明書的前頁，其設(shè)計(jì)說明書具體書寫格式及內(nèi)容如下: 1、標(biāo)題頁 2、設(shè)計(jì)任務(wù)書 3、目錄 4、設(shè)計(jì)方案簡介 5、工藝流程草圖及說明 6、工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì) 7、輔助設(shè)備的計(jì)算及選型 8、設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表 9、對本設(shè)計(jì)的評述 10、附圖（帶控制點(diǎn)的工藝流程簡圖、主體設(shè)備設(shè)計(jì)條件圖） 11、參考文獻(xiàn) 12、主要符號說明 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、 設(shè)計(jì)課題 大豆油換熱器的設(shè)計(jì) 二、 設(shè)計(jì)任務(wù)

8、 1、 處理量：2000kg/h 大豆油 2、 設(shè)備型式：列管式（固定管板式）換熱器 3、 操作條件： a. 大豆油：入口溫度133C，出口溫度40C b. 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30C，出口溫度40C c. 允許壓降：不大于105Pa 三、 設(shè)計(jì)要求 1. 設(shè)計(jì)一個(gè)固定管板式換熱器 2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： a.熱力設(shè)計(jì) b.流動(dòng)設(shè)計(jì) c.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) d.強(qiáng)度設(shè)計(jì) 3．設(shè)計(jì)步驟： （1）根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)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體阻力 （4）確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu) 四、設(shè)計(jì)原則： 1．

9、傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，應(yīng)流動(dòng)空間較大，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近； 2．換熱器減少熱損失； 3．管、殼程的決定應(yīng)做到便于除垢和修理,以保證運(yùn)行的可靠性； 4.應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力.從這個(gè)角度來講,順流式就優(yōu)于逆流式； 5.對于有毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì),必使其不泄露,應(yīng)特別注意其密封性,密封不僅要可靠,而且應(yīng)要求方便及簡潔； 6.應(yīng)盡量避免采用貴金屬,以降低成本。 五、課程要求: 1.要求每組成員共同進(jìn)行查閱資料,在計(jì)算、繪圖中進(jìn)行分工合作 2.要求在1月20日前完成說明書的編寫和繪圖過程 3.要求每人上交一份說明書,每組一分圖紙 （用A1圖紙繪制裝置圖一張：一

10、個(gè)設(shè)備大圖，包含設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細(xì)表、標(biāo)題欄） 概 述 換熱器設(shè)計(jì)就是在掌握了基本的傳熱學(xué)、流體力學(xué)和換熱器結(jié)構(gòu)知識以后，根據(jù)所給的任務(wù)和條件設(shè)計(jì)或選定一臺或數(shù)臺換熱器。 列管式換熱器是最常用的換熱器，掌握了列管式換熱器的設(shè)計(jì)任務(wù)、原則、原理和計(jì)算方法以后，對于掌握其他類型的換熱器知識也很有幫助。 一、設(shè)計(jì)方案 1.設(shè)計(jì)方案的選擇 1.1方案簡介： 列管式換熱器稱管殼式換熱器，是化工生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種換熱設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，耐高壓，可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)，制造材料范圍廣；單位體積所具有的傳熱面積大并傳熱效果好；而且種類多，型號全

11、，制造工藝比較成熟。因此在石油、化工生產(chǎn)中．尤其是高溫高壓等大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。因此，本次設(shè)計(jì)就對傳熱過程所用設(shè)備——列管式換熱器進(jìn)行一次選型設(shè)計(jì)。 列管式換熱器抗結(jié)構(gòu)可分為固定管板式，浮頭式、U形管式、填料函式換熱器、四種類型。選用時(shí)可根據(jù)應(yīng)用條件的不同及各自的優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)適宜的換熱器。 要設(shè)計(jì)一個(gè)較完善的換熱器，除了能滿足傳熱方面的要求外，還力求傳熱效率高， 體積小、重量輕、消耗材料少，制造成本低，清洗維護(hù)方便和操作安全等。因此列管式換熱器的設(shè)計(jì)，首先必須根據(jù)化工生產(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、管長，決定管數(shù)，管程數(shù)和殼程數(shù)，然后進(jìn)行機(jī)械

12、選型設(shè)計(jì)。 列管換熱器選型設(shè)計(jì)過程已有成熟的資料，具體步驟如下： (1)根據(jù)流體的物性及生產(chǎn)工藝條件的要求，確定流體通入的空間； (2)確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管換熱器的型式； (3)計(jì)算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)； (4)根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷； (5)依對流傳熱系數(shù)a2和a1，確定污垢熱阻Rs2和Rsl。再計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)。據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按實(shí)際情況，選定總傳熱系數(shù)K選值； (6)通過化工工藝計(jì)算，由總傳熱速率方程Q=KSΔtm初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格； (7)計(jì)算管程、殼程；

13、(8)計(jì)算初選設(shè)備的管、殼程流體的壓強(qiáng)降，如超過工藝允許的范圍，需調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓降直到壓強(qiáng)降滿足要求為止。以上設(shè)計(jì)過程還要牽涉到大量公式，其具體計(jì)算式子可以參考文獻(xiàn)[1]。 1.2設(shè)計(jì)的一般原則： 與任何工藝生產(chǎn)設(shè)備一樣，換熱器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣最終要看是否適用、經(jīng)濟(jì)、安全、運(yùn)行靈活可靠、檢修清理方便等等。當(dāng)這些原則相互矛盾時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況分析主次，很難預(yù)先定一個(gè)框框。一個(gè)傳熱效率高、緊湊、成本低、安全可靠的換熱器的產(chǎn)生，要求在設(shè)計(jì)時(shí)精心考慮各種問題，準(zhǔn)確的熱力設(shè)計(jì)和計(jì)算，還要進(jìn)行強(qiáng)度校核和復(fù)合要求的工藝制造水平。這就需要各方面的通力合作。

14、 1.3換熱器類型的選擇： 兩流體溫度變化情況：熱流體大豆油的入口溫度133℃，出口溫度40℃；冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度30℃，出口溫度40℃。由于兩流體的溫度不同，所以使管束和殼體的溫度也不一樣，因此它們的熱膨脹程度也有差別。 列管式換熱器中，由于冷熱兩流體溫度不同，使殼體和管束的溫度也不同。因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫度相差較大時(shí)，就可能由于應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲和斷裂，或管子從管板上松脫，因此必須采用適當(dāng)?shù)臏夭钛a(bǔ)償措施，消除或減小熱應(yīng)力。根據(jù)采取熱補(bǔ)償方法的不同。列管換熱器可分為以下幾種主要型式： (1)固定管板式 固定管板式換熱器是用焊接的方式將

15、連接管束的管板固定在殼體的兩端。它的主要特點(diǎn)是制造方便，緊湊，造價(jià)較低。但由于管板和殼體間的結(jié)構(gòu)原因，使得管外側(cè)不能進(jìn)行機(jī)械清洗，另外當(dāng)管壁溫度與殼體壁溫之差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)毀壞換熱器。 固定板式換熱器適用于殼程流體清潔，不易結(jié)垢，或者管外側(cè)污垢能用化學(xué)處理方法除掉的場合，同時(shí)要求殼體壁溫與管子壁溫之差不能太大，一般情況下，該溫差不能大于50℃。若超過此值 ，應(yīng)加溫度補(bǔ)償裝置。通常是在殼體上家以膨脹節(jié)。 但這種裝置只能用在管壁溫與殼體壁溫之差低于60-70℃及殼程壓力不高的場合。當(dāng)殼程流體表壓超過0.7MPa時(shí)，由于膨脹節(jié)的材料較厚，難遇伸縮而失去對熱變形的補(bǔ)償作用，此

16、時(shí)不宜采用這種結(jié)構(gòu)。 (2)U形管換熱器 這類換熱器的管束是有彎成U型的傳熱管組成。其特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，機(jī)構(gòu)簡單，造價(jià)比浮頭式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子較少。另外由于管束中心一帶存在間隙，且各排管子回彎處曲率不同，長度不同，故殼程流體分布不夠均勻，影響轉(zhuǎn)熱效果。 U型管式換熱器適用于殼程流體容易結(jié)垢，或殼體壁溫與管壁溫之差較大的場合，但要求管程流體應(yīng)較為清潔，不易結(jié)垢。 (3)浮頭式的換熱器。浮頭式換熱器兩端管板中有一端不與外殼固定連接，該端稱為浮頭，這樣當(dāng)管束和殼體因溫度差較大而熱膨脹不同時(shí)，管束連同浮頭就可在殼體內(nèi)自由伸縮，而與外殼無關(guān)，從而解決

17、熱補(bǔ)償問題。另外，由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修。所以浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。金屬耗量多，造價(jià)較高。 （4） 填料函式換熱器 這類換熱器具有浮頭換熱器的優(yōu)點(diǎn)，克服了固定管板式換熱器的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，制造方便，易于檢修清洗。對于一些腐蝕嚴(yán)重，需要經(jīng)常更換管束的場合常采用這種換熱器。但這種換熱器密封性能差，故殼程中不宜處理易燃、易爆或有毒的流體。同時(shí)要求殼程流體的壓力不宜過高。目前所使用的調(diào)料函式換熱器的直徑一般在700mm以下，很少采用大直徑的填料函式換熱器。 以上換熱器是化工生產(chǎn)中常見的幾類，在設(shè)計(jì)中可根據(jù)具體

18、條件選用。 本設(shè)計(jì)所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，這時(shí)就要進(jìn)行熱補(bǔ)償。固定管板式換熱器的補(bǔ)償方法，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形，以適應(yīng)外殼和管束的不同的膨脹程度。這種熱補(bǔ)償方法簡單，但不宜用于兩流體的溫度差太大和殼方流體壓強(qiáng)過高的場合。當(dāng)兩流體的溫度差不大于120℃，且殼方流體壓強(qiáng)不高于60MPa時(shí)，一般應(yīng)選用固定管板式換熱器。因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式式換熱器。而且它具有結(jié)構(gòu)簡

19、單和造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。故本次設(shè)計(jì)初步確定選用固定管板式換熱器。 一般換熱器都用金屬材料制成，其中碳素鋼和低合金鋼大多用于制造中、低壓換熱器；不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料；銅、鋁及其合金多用于制造低溫?fù)Q熱器；鎳合金則用于高溫條件下；非金屬材料除制作墊片零件外，有些已開始用于制作非金屬材料的耐蝕換熱器，如石墨換熱器、氟塑料換熱器和玻璃換熱器等。 2.流程安排： 2.1 列管式換熱器的選用步驟： 哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點(diǎn)可供選擇時(shí)參考(以固定管板式換熱器為例)。 在列管式換熱器設(shè)計(jì)中，冷。熱流體的流程，需進(jìn)行

20、合理安排，一般應(yīng)考慮以下原則： (1)易結(jié)垢的流體應(yīng)走易于清洗的一側(cè)。對于固定管板式、浮頭式換熱器，一般應(yīng)使易結(jié)垢流體流經(jīng)管程，而對于U型管換熱器，易結(jié)垢流體應(yīng)走殼程； (2)又是在設(shè)計(jì)上需要提高流體的速度，以提到其表面轉(zhuǎn)熱系數(shù)，在這種情況下，應(yīng)將需要提高流速的流體放在管程。這是因?yàn)楣艹塘魍ń孛娣e一般較小，且易于采用多管程結(jié)構(gòu)以提高流速； (3)具有腐蝕性的流體應(yīng)走管程，這樣可以節(jié)約耐腐蝕材料用量，降低換熱成本； (4)壓力高的流體應(yīng)走管程。這是因?yàn)楣茏又睆叫?，承壓能力?qiáng)，能夠避免采用耐壓的殼體和密封措施； (5)具有飽和蒸汽冷凝的換熱器，應(yīng)使飽和蒸汽走殼程，便于排出冷凝液；

21、 (6)粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因?yàn)闅こ虄?nèi)的流體在折流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數(shù)下就可達(dá)湍流狀態(tài)。在選擇流體流徑時(shí)，首先考慮流體的壓強(qiáng)、防腐蝕及清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降。 應(yīng)該說明的是，上述要求常常不能同時(shí)滿足，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮其中的主要問題，首先滿足其中較為重要的要求。 本設(shè)計(jì)以油和循環(huán)冷卻水作為傳熱媒介，水走管內(nèi)，油走殼程，因?yàn)樗膲簭?qiáng)高、循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢、需要提高流速。為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，大豆油走殼程，綜合考慮做此選擇。 2.2加熱劑或冷凝劑的選擇： 一般情況下，用作加熱劑或冷凝劑的流體

22、是由實(shí)際情況決定的。但有些時(shí)候需要設(shè)計(jì)者自行選擇。在選用加熱劑和冷凝劑時(shí)，除首先應(yīng)滿足所能達(dá)到的加熱或冷凝溫度外，還應(yīng)考慮其來源方便，價(jià)格低廉，使用安全。在化工生產(chǎn)中，水是常用的冷凝劑，飽和水蒸汽是常用的加熱劑。 2.3流體進(jìn)口溫度的確定 工藝流體的進(jìn)口溫度是工藝條件所規(guī)定的。加熱劑或冷凝劑的進(jìn)口溫度也是確定的，但其出口溫度有時(shí)由于設(shè)計(jì)者選定。該溫度直接影響到加熱劑或冷凝劑的用量以及換熱器的大小，因而這個(gè)溫度的確定有一個(gè)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化問題。例如以水為冷凝劑時(shí)，由于工藝流體的進(jìn)口溫度及流量都是確定的，所以若冷卻水進(jìn)口溫度選擇得較高，其用量就可以減少，從而降低了操作費(fèi)用，但此時(shí)由于平均傳熱溫度下

23、降，使得設(shè)備較大，增加了設(shè)備投資。適宜的出口溫度應(yīng)使操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)之和最小。另外，還應(yīng)該考慮到溫度對污垢的影響，比如未經(jīng)處理的河水作冷凝劑時(shí)，其出口溫度一般不得超過50℃，否則積垢明顯增多，會(huì)大大增加傳熱阻力。本次化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書的操作條件給出換熱器中冷熱流體的溫度,因此就不存在確定流體兩端溫度的問題。 2.4 流體流速的選擇 對于無相變的換熱，介質(zhì)流速w高，換熱強(qiáng)度大，可使傳熱面積減小，結(jié)構(gòu)緊湊，投資節(jié)省，且有利于抑制污垢的形成。流速高，壓降△P大，使泵功率消耗增加，壓降增長的速率遠(yuǎn)超過換熱系數(shù)。 速度的選選取應(yīng)考慮壓降的合理，而合理的壓降與系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行壓力水平有關(guān)。 一般

24、經(jīng)驗(yàn)，對于液體壓降應(yīng)控制在0.1～1.0Pa，氣體則在0.01～0.1Pa為宜。與此相應(yīng)的Re值，液體約為5103～2104，氣體約為104～105，處在過渡區(qū)和湍流狀態(tài)。對于高粘度液體，為了不使壓力損失過大，流速不能很高，常不能不按層流設(shè)計(jì)。還應(yīng)指出，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小管路系統(tǒng)的各種局部流阻，使有條件提高器內(nèi)流速，從而降低換熱器造價(jià)。一般情況下，殼程流速約為管程之半。當(dāng)采用盤管時(shí)，合理的管程流速應(yīng)較直管為低，一般推薦為v ： 液體 0.3～0.8m/s 氣體 3～10m/s 增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降

25、低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求：選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。由于本換熱器設(shè)計(jì)，總熱負(fù)荷小，不需要太高的對流傳熱系數(shù)，油和水又是液體，再加之平均溫度的下降影響了換熱，所以在常見流速中選擇了0.3～0.8m/s。 2.5 管子的規(guī)格和排列方法 ： (1) 各種參數(shù)的固定管板式換熱器管子均用ф252.5mm的管子制造并按正三角形排列，單殼

26、程。食用產(chǎn)品用ф252mm（1Cr18Ni9Ti）不銹鋼，本設(shè)計(jì)為大豆油，所以選用ф252mm（1Cr18Ni9Ti）不銹鋼。 (2)管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應(yīng)為1.5、2、2.5、3、4.5或6m。系列標(biāo)準(zhǔn)中也采用這四種管長。此外，管長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為4～6(對直徑小的換熱器可大些)。 本設(shè)計(jì)選用6m以配合管子的排列和管子數(shù)量能滿足換熱要求。 (3)如前所述，管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等。等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有：管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)會(huì)

27、少，且管外流體擾動(dòng)較大 ， 因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣摺? 本設(shè)計(jì)選用正三角行排列，水對管子的腐蝕程度不高，相對于氣體，液體為媒介的換熱器更重要的是傳熱系數(shù)高。 (4)管子在管板上排列的間距(指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.3～1.5)do，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t≥(d+6)。本設(shè)計(jì)采用焊接法連接，所以排列間

28、距取t=32mm（管間距）。 (5)管程和殼程數(shù)的確定。當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。為了不影響達(dá)到換熱要求，本設(shè)計(jì)選用單殼程雙管程。 2.6 折流擋板和支承板 ： 列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通截面積大，在殼程流體屬對流傳熱條件時(shí)，為增大殼程流體的流速

29、，加強(qiáng)其湍流程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。 折流板有橫向折流板和縱向折流板兩類，單殼程的換熱器僅需設(shè)置橫向折流板，多殼程換熱器不但需要設(shè)置橫向折流程板，而且需要設(shè)置縱向折流板換熱器分為多殼結(jié)構(gòu)。對于多殼程結(jié)構(gòu)，設(shè)置縱向折流板的目的不僅在與提高殼程流體的流速，而且是為了實(shí)現(xiàn)多殼程結(jié)構(gòu)，減小多殼程結(jié)構(gòu)造成的溫度損失。 橫向折流板同時(shí)兼有支承傳熱管，防止產(chǎn)生振動(dòng)的作用。其常用的型式有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)折流板。弓形折流板結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，在實(shí)際中最為常用。 弓形折流板切去的圓缺高度一般是殼體內(nèi)徑的10％～40％，一般取值為20％～25％，過高或過低都不利于傳熱。 兩相鄰擋板

30、的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.2～1)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的h值為：固定管板式的有150、300和600mm三種；浮頭式的有150、200、400、480和600mm五種。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。 本設(shè)計(jì)為固定管板式換熱器，參照GB151—1999中給出的折流板型號，考慮到殼程中為大豆油，折流板間距為100mm可以滿足要求。 2.7 外殼直徑的確定 換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可先分別選定兩流

31、體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖。 2.8 材料選用 列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼，低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。但對于食用產(chǎn)品，要使用不銹鋼，以符合食品和衛(wèi)生安全。本設(shè)計(jì)殼體、管程均采用不銹鋼。參照GB151—1999，不銹鋼完全可以承受。

32、 2.9.流動(dòng)空間及流速的確定 管徑選用ф252mm(1Cr18NiTi)不銹鋼，管內(nèi)流速取ui= 0.3m/ｓ。 二、確定物性數(shù)據(jù) （1）定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。（大豆油沸點(diǎn)>150℃） 殼程大豆油的定性溫度為： T=(133+40)/2=86.5(℃) 管程流體的定性溫度為： t=(30+40)/2=35℃ 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 （2）大豆油在90℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度：　　 ρo=875.2 kg/m3 定壓比熱容：　　 cpo=2.052kJ/(kg℃) 導(dǎo)熱系數(shù)：　　 λo=0.

33、150W/(m℃) 粘度：　　 μo=0.00665 Pas （3）循環(huán)冷卻水在35℃下的物性數(shù)據(jù)： 密度：　　 ρi =993.95 kg/m3 定壓比熱容：　　 cpi4.174 kJ/(kg℃) 導(dǎo)熱系數(shù)：　　 λi=0.626 W/(m℃) 粘度：　　　　 μi=0.0007225 Pas 三、計(jì)算總傳熱系數(shù) 1.熱流量 ： Qo =m0CpoΔto=20002.052(133-40)=381672kJ/h=106.02(kW) 2．平均傳熱溫差： △tm===37.2(℃) 3．冷卻水用量 ： Wi ===9144

34、.03(kg/h) 4．總傳熱系數(shù)K： 管程傳熱系數(shù) ： Re===8667 Pri===4.82 αi=0.023Re0.8Pri0.4 =0.023(8667)0.8 (4.82)0.4=1818W/(m2℃) 殼程傳熱系數(shù)： 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)：αo=200 W/(m2℃)； 污垢熱阻：Rsi=0.00034394 m2℃/W , Rso=0.00051590m2℃/W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ=17 W/(m℃) = =149.07 W/(m℃) 四、計(jì)算傳熱面積 S’===19.12(m2) 假設(shè)考慮15％的面積裕度，則：S=1.

35、15S′=1.1519.12=21.99(m2) 五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1．管徑和管內(nèi)流速： 選用ф252mm(1Cr18NiTi)不銹鋼，取管內(nèi)流速ui=0.3m/s。 2．管程數(shù)和傳熱管數(shù)： 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)： ns===24.61 可取ns=28 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為L===10.00(m) 按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長L=6m，則該換熱器管程數(shù)為： NP ===1.67≈2(管程) 傳熱管總根數(shù)： N=282=56(根) 3．平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)： 平均傳熱溫差校正系數(shù) R==9.3 P=

36、=0.097 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。但R=10的點(diǎn)在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線，可得 φΔt=0.84 平均傳熱溫差： Δtm=φΔtΔ′tm=0.8437.2=31.25(℃) 4．傳熱管排列和分程方法： 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=1.25 dO，則 t=1.2525=31.25≈32(mm) 橫過管束中心線的管數(shù)：nC=1.19=1.19=8.67≈9(根) 5．殼體內(nèi)徑： 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η＝0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05t=1.05=

37、300.53(mm) 可取D＝325mm 6．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25％，則切去的圓缺高度為 ： h＝0.25325＝81.5(mm), 可取h＝80mm。 取折流板間距B＝0.2D，則B＝0.2325＝97.5(mm)，可取B=100mm 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=6000/100-1=59(塊) 折流板圓缺面水平裝配。 7．接管： 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為 u＝0.5m/s，則接管內(nèi)徑為 d===0.040m 則取標(biāo)準(zhǔn)管徑為40 mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝2.0m/s

38、，則接管內(nèi)徑為 d===0.040m 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為40mm. 六、換熱器核算 1．熱量核算： ①殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用凱恩公式 αo=0.36Reo0.55Pr1/3()0.14 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 ： (m) 殼程流通截面積： So=BD(1-)=0.10=0.0071(m) 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 uo==0.089m/s Reo==235 普蘭特準(zhǔn)數(shù) ： Pr==90.97 粘度校正 αo=0.362350.5590.971/3=245W/(m2℃) ②管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積Si=0.

39、785 =0.00969m2) 管程流體流速 ： Ui==0.264m/s Rei==7616 普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr==4.82 αi=0.023(7616)0.8(4.82)0.4=1639W/(m2℃) ③傳熱系數(shù)K： =170.42 W/(m℃) ④傳熱面積： S===19.91(m2) 該換熱器的實(shí)際傳熱面： Sp==3.140.025(6-0.006)(56-9)=21.92( m2) 該換熱器的面積裕度為： H==(21.92-19.91)/21.92=10.1% 傳熱面積裕度合適,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù). 2．換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻

40、力 ①管程流動(dòng)阻力： ∑ΔPi =(ΔP1+ΔP2)FtNsN p Ns=1, N p =2, Ft=1.4 由Re＝7616，傳熱管絕對粗糙度取0.1，根據(jù)公式 λi=0.100（0.1/21+68/Re）0.23 =0.037 W/(m℃)， 流速:ui＝0.264 m/s，ρ＝993.95 kg/m3，所以 =367.83 Pa =103.62Pa =1320.08 Pa <105Pa 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。 ②殼程阻力 ∑ΔPo=(ΔP1′+ΔP2′)FtNs Ns＝l，F(xiàn)t＝l.15 流體流經(jīng)管束的阻力:

41、 F=0.5 ; ; =59 ; uo=0.146 因?yàn)镽e0=235 do/（t-do）=3.58 故查圖得 ?0=1.44 ΔP1′=0.51.449（59+1）875.250.0892/2=1356.37 Pa 流體流過折流板缺口的阻力 : B=0.100m ; D=0.325m =593.74 Pa 總阻力: ∑ΔPo＝（1356＋594）11.15＝2242.62(Pa)＜105 Pa 殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。 3.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見

42、表2-13。 表2-13換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 換熱器形式： 固定管板式 管口表 換熱面積，m2 : 21.92 符號 尺寸 用途 連接型式 工藝參數(shù) a DN60 循環(huán)水口 平面 名稱 管程 殼程 b DN60 循環(huán)水口 平面 物料名稱 循環(huán)水 大豆油 c DN60 油品入口 凹凸面 操作壓力，MPa 0.4 0.3 d DN60 油品出口 凹凸面 操作溫度，℃ 30/40 133/40 e DN20 排氣口 凹凸面 流量，kg/h 9144.03 2000 f

43、 DN20 放凈口 凹凸面 流體密度，kg/m3 993.95 875.2 流速，m/s 0.089 0.264 傳熱量，kW 106.02 總傳熱系數(shù)，W/m2K 149.07 對流傳熱系，W/m2K 245 170.42 污垢系數(shù)，m2K/W 0.00034394 0.00051590 阻力降，MPa 0.001320 0.002242 程數(shù) 2 1 推薦使用材料 不銹鋼 不銹鋼 管子規(guī)格 ф252 管數(shù)：56 管長mm:6000 管間距，mm 32 排列方式 正三角形 折流板型式 上下

44、 間距，mm 100 切口高度：25% 殼體內(nèi)徑，mm 325 保溫層厚度，mm 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（附圖） 主要符號說明 英文字母 B——折流板間距，m C——系數(shù)，無量綱； △P——壓降，Pa； Q——熱負(fù)荷，W； R——熱阻，㎡℃/W；因數(shù)； Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)； S——傳熱面積，㎡； t——冷流體溫度，℃；管心距，m； T——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s； W——質(zhì)量流量，K

45、g/s Pr——普朗特系數(shù)； b -----板厚，mm； K——總傳熱系數(shù)，； d——管徑，m； D——換熱器外殼內(nèi)，m； Wh----煤油處理量，kg/s； f——摩擦系數(shù)； F——系數(shù)； h——圓缺高度，m； L——管長度，m； m――程數(shù)； n——指數(shù)；管數(shù)；程數(shù)； N——管數(shù)； p——壓力，Pa；因數(shù)；

46、 q——熱通量，W/m2； Q——傳熱速率，W r——半徑，m；汽化潛熱，KJ/Kg。 希臘字母 ——對流傳熱系數(shù)W/(㎡℃)； △——有限差值； ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃)； ——粘度，Pas； ——密度，㎏/m3； ——校正系數(shù)。 下標(biāo) C——冷流體； h——熱流體； i——管內(nèi)； m——平均； o——管外；

47、 s——污垢。 七、設(shè)計(jì)心得 列管式換熱器(固定管板式)，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、布管多，管內(nèi)便于清洗，更換、造價(jià)低的特點(diǎn)。適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。 本文提出的換熱器的設(shè)計(jì)，在工藝設(shè)計(jì)上考慮了傳熱系數(shù)、管殼程壓降等對換熱器設(shè)計(jì)的影響，同時(shí)對管殼式大豆油冷卻器的結(jié)構(gòu)及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算．雖然所列公式繁多，但嚴(yán)格按照化工原理的公式計(jì)算，能滿足設(shè)計(jì)要求，符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范(GB151—1999)。 (1)根據(jù)換熱器的特性，比較散熱結(jié)構(gòu)、材料確定了大豆油冷卻器結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)方案。 (2)計(jì)算大豆油冷卻器傳熱部

48、分如傳熱系數(shù)、平均溫度等，以及校核相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。 (3)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和傳熱計(jì)算數(shù)據(jù)確定了大豆油冷卻器具體結(jié)構(gòu)尺寸，如殼程數(shù)、壁厚、管束數(shù)、內(nèi)徑、管長、折流板數(shù)、折流板間距等。 回顧本次設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，以及我們的設(shè)計(jì)成果，現(xiàn)總結(jié)如下： 從設(shè)計(jì)的過程和結(jié)果來看，我小組通過工藝計(jì)算、選型過程是比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、合理的；所選換熱器的型號、結(jié)構(gòu)也能滿足工藝的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，認(rèn)真的完成了本次設(shè)計(jì)的任務(wù)。 通過這次課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我們的獨(dú)立思考的能力，使我們對化工原理的知識有了進(jìn)一步的掌握。因此，從始至終，不論是查文獻(xiàn)、計(jì)算、還是繪圖，我們都認(rèn)真的完成。 從設(shè)計(jì)結(jié)果可看出，冷

49、卻水出口溫度不同，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因?yàn)樗隹跍囟仍龈?，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K。因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)增大。通過這個(gè)設(shè)計(jì)，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇十分重要． 本次設(shè)計(jì)所選的列管式換熱器及工藝流程均符合設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)過程中，我們除了考慮換熱器的處理量和換熱效果外，也考慮了生產(chǎn)成本及食品安全性等問題。如在選擇板材時(shí)，有多種材料可供選擇，碳鋼來源方便，，價(jià)格相對便宜，但對于食品原料，碳鋼不 ，故選擇了不銹鋼。我們明白實(shí)際生產(chǎn)中還要考慮很多因素，所以設(shè)計(jì)中也存

50、在一些缺陷。 通過對列管式換熱器的設(shè)計(jì)，我們懂得了工藝設(shè)計(jì)的基本方法。了解了如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定工藝設(shè)備，并學(xué)會(huì)了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備及計(jì)算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項(xiàng)工藝參數(shù)及數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算核算是否滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中，我們查閱了許多關(guān)于換熱器的資料，不但進(jìn)一步了解了其設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝流程，還學(xué)習(xí)到了主體設(shè)備圖和工藝流程圖的制法。同時(shí)，通過計(jì)算，我們熟悉了化工原理課程設(shè)計(jì)的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解，而且學(xué)會(huì)了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學(xué)課程知識有了更深入的了解和認(rèn)識。但由于本課程設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，

51、而且我們現(xiàn)有的知識有限，所以本課程設(shè)計(jì)還不夠完善。 通過設(shè)計(jì)可以不斷增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用綜臺知識的能力，解決工程實(shí)際問題的能力和全面分析問題的能力。課程設(shè)計(jì)需要學(xué)生自己做出決策，自己確定實(shí)驗(yàn)方案、選擇流程、查取資料、進(jìn)行過程和設(shè)備的計(jì)算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以，課程設(shè)計(jì)是增強(qiáng)工程觀念、培養(yǎng)提高學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。 在畫圖中，讓我們?nèi)娴牧私饬斯潭ü馨迨綋Q熱器的結(jié)構(gòu)，直觀的了解了它的構(gòu)造。在畫圖中，我們細(xì)心、認(rèn)真的完成每一個(gè)細(xì)節(jié)，合理的分工負(fù)責(zé)，最終完成了圖形。 在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，不管是哪一個(gè)環(huán)節(jié)，我們都合理的安排、分工

52、，大家各盡所能，各盡其責(zé)，充分利用了自己現(xiàn)有的知識和能力，認(rèn)真的完成了本次設(shè)計(jì)。 總之，化工生產(chǎn)本身是復(fù)雜的，影響因素很多。綜合平衡、全面考慮各種復(fù)雜的影響因素，是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。要獲得這方面的知識和能力．唯一的途徑是多次進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)踐本次設(shè)計(jì)，當(dāng)然也必然存在它的不足，相信通過多次這樣的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，我們所設(shè)計(jì)出的成果定將日趨完善。 參考文獻(xiàn) [1]賈紹義，柴誠敬主編.化工原理課程設(shè)計(jì).天津:天津大學(xué)出版社，2002，37～59 [2]涂偉萍，陳佩真，程達(dá)芳編.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000,3～30 [3]周志安,尹華杰,魏新利編.化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004,295～320 [4]潘永亮,劉玉良編.化工設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京:科學(xué)出版社,1999,249～260 [5]秦叔經(jīng)，葉文邦等編.換熱器.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003，62～101 [6]王明輝主編.化工單元過程課程設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002,25～53 [7]蔡建國,周永傳編.輕化工設(shè)備及設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007,63～73 37