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　　1、化工原理課程設計課題名稱 固定管板式換熱器的設計 專業(yè)班級 食品091班 學生姓名 學 號 指導老師 程謙偉 2011年12月固定管板式換熱器設計任務書一、設計題目：煤油冷卻器的設計（6人/組）二、設計任務1.煤油處理能力： 12萬噸/年煤油2.設備形式：固定管板式換熱器3.操作條件： 煤油：入口溫度120，出口溫度40 冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度30，出口溫度40 允許壓降：不大于105Pa 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行3、 設計要求1. 根據(jù)換熱任務設計確定設計方案2. 初步確定換熱器的結構和尺寸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構5. 進行設備結構圖的

　　2、繪制（A1圖紙）6. 編寫設計說明書7. 小組組員分工合作。目錄一、概述51.換熱器的選擇及特點52.通過殼程、管程流體的確定53.流速的確定64.管子的規(guī)格和排列方法65.管程和殼程數(shù)的確定66.折流擋板77.*后材料選用78.其他構件的選用 7二、確定設計方案8三、確定物性數(shù)據(jù)8四、計算總傳熱系數(shù)91.熱流量92.平均傳熱溫差93.冷卻水用量94.總傳熱系數(shù)K9五、計算傳熱面積10六、工藝結構尺寸101.管徑和管內流速102.管程數(shù)和傳熱管數(shù)113.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)114.傳熱管排列和分程方法125.殼體內徑126.折流板127.接管13七、換熱器計算131.熱量核算13（1）殼程

　　3、對流傳熱系數(shù)13（2）管程對流傳熱系數(shù)14（3）傳熱系數(shù)K15（4）傳熱面積S152.換熱器內流體的流動阻力16（1）管程流動阻力16（2）殼程阻力16八、換熱器主要結構尺寸和計算結果17膨脹節(jié)18殼體壁厚18封頭設計18鞍座18拉桿的直徑和數(shù)量18九、設計小結18十、文獻參考19十一、主要符號說明20十二、附錄21表1.流體的污垢熱阻21表2.流體的污垢熱阻21表3. 管殼式換熱器中常用的流速范圍21表4.某些工業(yè)管材的**粗糙度21表5.GB-151-表6.拉桿直徑的選取22表7.拉桿數(shù)量22圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù)23圖2.關系24一、概述根據(jù)任務書給定的冷熱流體的溫度，來

　　4、選擇設計列管式換熱器中的固定管板式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質，判斷其是否易結垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，冷流體走管程，熱流體走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內流速，確定傳熱管數(shù)，標準傳熱管長為6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設計步驟，計算出殼體內徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設計殼程和管程的內徑。分別對換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。*后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，如果

　　5、在設計范圍內就能完成任務。1.換熱器的選擇及特點在設計任務書中，老師已明確的給出換熱器是固定管板式。經(jīng)查閱資料，固定管板式具有以下特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的流體，比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進口溫度為30，出口溫度為40；熱流體煤油的進口溫度為120，出口溫度為40。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器2.通過殼程、管程流體的確定通過殼程、管程流體的確定應根據(jù)以下原則：(1)不潔凈和易結垢的流體宜走管內，以便于清洗管子。(2)腐蝕

　　6、性的流體宜走管內，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3)壓強高的流體宜走管內，以免殼體受壓。(4)飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大。(5)被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。(6)需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油

　　7、走殼程。3.流速的確定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，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結構上的要求。例如，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，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠＿@些也是選擇流速時應予考慮的問題。在本次設計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內流速。4.管子的規(guī)格和排列方法選擇管徑時，應盡可能使流速高些，

　　8、但一般不應超過前面介紹的流速范圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。在這里，我們選擇列管式換熱器系列標準中的252.5mm管子。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。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。此外，管長和殼徑應相適應，一般取l/D為46(對直徑小的換熱器可大些)。在這次設計中，管長選擇6m。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列等。等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列

　　9、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)較正三角排列時為低。正方形錯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?shù)靥岣摺Ｔ谶@里選擇等邊三角形排列。 5.管程和殼程數(shù)的確定當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導致管程流體阻力加大，增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)大致相等。6.折流擋板安裝折流擋板的目的，是

　　10、為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。*常用的為圓缺形擋板，切缺率通常為20%50%，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)B為外殼內徑D的(0.21)倍。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。7.*后材料選用列管換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前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，但價格高且

　　11、較稀缺，應盡量少用。這里選用的材料為碳鋼8.其他構件的選用 （1）封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑的殼體。（2）緩沖擋板為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設緩沖擋板。（3）導流筒殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間(死角)，為了提高傳熱效果，常在管束外增設導流筒，使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這個空間。 （4）放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 （5）接管尺寸換熱器中流體進、出口的接管直徑由計算得出。二、確定設計方案1. 該換熱器用循環(huán)水冷卻，其進口溫度為30，出

　　12、口溫度為40；熱流體煤油的進口溫度為120，出口溫度為40。冬季操作時進口溫度會降低，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較小，選用不帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2. 由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。3. 選用252.5傳熱管（碳鋼），取管內流速ui=1.0 m/s三、確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進口溫度的平均值殼程煤油的定性溫度為管程流體的定性溫度為根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程的有關物性數(shù)據(jù)。煤油在80下的物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在35下的物性數(shù)據(jù)密度0=812 kg/m3密度i=994.1 kg/m3定壓比熱容cpo=2.28 kJ/(kg)定壓比熱容c

　　13、pi=4.175 kJ/(kg.)導熱系數(shù)o=0.141 W/(m)導熱系數(shù)i=0.624 W/(m.)粘度o=0. Pas粘度i=0. Pa.s四、計算總傳熱系數(shù)1.熱流量2.平均傳熱溫差 ()3.冷卻水用量4.總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù) W/(m2)殼程傳熱系數(shù)假設殼程的傳熱系數(shù)0=300 W/(m2)根據(jù)附錄中表1.和表2.流體的污垢熱阻可得污垢熱阻Rsi=0. m2/WRso=0. m2/W管壁的導熱系數(shù)=45 W/(m) =234.86 W/(m2)五、計算傳熱面積考慮15%的面積裕度， 六、工藝結構尺寸1.管徑和管內流速選用252.5傳熱

　　14、管（碳鋼），根據(jù)附錄中表3.管殼式換熱器中常用的流速范圍,取管內流速ui=1.0 m/s2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù) （根） 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。現(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器管程數(shù)為（管程）傳熱管總根數(shù)（根）3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 按單殼程，雙管程結構，溫差校正系數(shù)應查附錄中圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù)。但R=8的點在圖上難以讀出，因而相應以1/R代替R,PR代替P，查同一圖線，可得 =0.83平均傳熱溫差4.傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩

　　15、側采用正方形排列。取管心距t=1.25do，則橫過管束中心線的管數(shù)（根）5.殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內徑為圓整可取D=650 mm。6.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板的切缺率為25%，則切去的圓缺高度為h=0.=162.5(mm),故可取h=160mm。取折流板間距B=0.3D，則B=0.3650=195(mm)，可取B為200mm。折流板數(shù) (塊)折流板圓缺面水平裝配。7.接管殼程流體進出口接管：取接管內煤油流速為u=1.0m/s，則接管內徑為 取標準管徑為80mm。管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內徑為 取標準管徑為1

　　16、30mm。七、換熱器計算1.熱量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用克恩公式當量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù)粘度校正W/(m2)（2）管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速雷諾數(shù)普蘭特準數(shù)W/(m2)（3）傳熱系數(shù)K =356.21 W/(m2)（4）傳熱面積S該換熱器的實際傳熱面積Sp、該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(chǎn)任務。2.換熱器內流體的流動阻力（1）管程流動阻力根據(jù)附錄中表4.某些工業(yè)管材的**粗糙度可得，傳熱管的**粗糙度=0.1，所以相對粗糙度由，查附錄中圖2.關系圖可得， W/(m) 管程流動

　　17、阻力在允許范圍之內。（2）殼程阻力流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 殼程流動阻力也比較適宜。八、換熱器主要結構尺寸和計算結果固定管板式換熱器規(guī)格尺寸和計算結果如下：工藝參數(shù)換熱器型式：固定管板式名稱管程殼程換熱面積：101.24物料名稱循環(huán)水煤油設備結構參數(shù)操作壓力,0.40.3管數(shù)/根236操作溫度,30//40管程數(shù)4流量,Kg/h.管間距,mm32流體密度，kg/m3994.1812間距，mm200流速，m/s0.990.180殼體內徑，mm650傳熱量，kW760管長，mm6000總傳熱系數(shù)，W/m2356.21排列方式正三角形表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

　　18、W/m..71管子規(guī)格25*2.5污垢系數(shù)，m2K/W0..折流板型式圓缺形折流板流動阻力，Pa..66折流板數(shù)/個29膨脹節(jié)因為管內平均溫度35，管外平均溫度80，80-35=mm，LB=(0.50.7)L，此取LB=4000拉桿的直徑和數(shù)量根據(jù)附錄中表6.拉桿直徑的選取，取得拉桿直徑為16mm。根據(jù)附錄中表7.拉桿數(shù)量，取得拉桿數(shù)量為4根。九、設計小結十、文獻參考1 賈紹義，柴誠敬 主編化工原理課程設計M.天津：天津大學出版社，2002.82 譚天恩，竇梅，周明華等主編化工原理:上冊M.北京：化學工業(yè)出版社，

　　19、2006.43 秦叔經(jīng)，葉文邦等編換熱器M.北京：化學工業(yè)出版社，2002.124 潘繼紅等管殼式換熱器的分析與計算M北京：科學出版社， 化工設備技術全書編委會換熱器設計M上海：上海科學技術出版社， 匡國柱，史啟才化工單元過程及設備課程設計M北京：化學工業(yè)出版社， 錢頌文主編. 換熱器設計手冊M. 北京: 化學工業(yè)出版社. 2002十一、主要符號說明英文字母T-煤油溫度，B-折流板間距，mmu-流速，m/sCp-定壓比熱容，kJ/(kg)wi-循環(huán)水用量 ，kg/hd-管徑，mm希臘字母D-殼體內經(jīng)，mm-對流傳熱系數(shù)，W/(m2)h-折流板圓缺高度，mm-導熱系

　　20、數(shù)，W/(m)K-總傳熱系數(shù)，W/(m2)=**粗糙度l-長度，m-粘度，PasL-長度，m-密度，kg/m3n-管數(shù)-校正系數(shù)N-程數(shù)P-壓強，Pa下標Q-熱流量，kJ/ho-管外Rs-污垢熱阻，(m2)/Wi-管內S-傳熱面積，m2e-當量t-循環(huán)水溫度，m-平均t-管心距，mm十二、附錄表1.流體的污垢熱阻加熱流體溫度。小于水的溫度，小于25大于25水的速度，（m/s）小于1.0大于1.0小于1.0大于1.0污垢熱阻，(m2/W)：海水0.-41.-4自來水，井水，鍋爐軟水1.-43.-4蒸餾水0.-40.

　　21、-4硬水5.-48.-4河水5.-43.-46.-45.-4表2.流體的污垢熱阻流體名稱污垢熱阻(m2/W)流體名稱污垢熱阻(m2/W)流體名稱污垢熱阻(m2/W)有機化合物蒸氣0.-4有機化合物1.-4石腦油1.-4溶劑蒸氣1.-4鹽水1.-4煤油1.-4天然氣1.-4熔鹽0.-4汽油1.-4焦爐氣1.-4植物油5.-4重油8.-4水蒸氣0.

　　22、0-4原油(3..098)10-4瀝青油1.-4空氣3.-4柴油(3..1590)10-4表3. 管殼式換熱器中常用的流速范圍介質流速循環(huán)水新鮮水一般液體易結垢液體低粘度油高粘度油管程流速（m/s）1.0-2.00.8-1.50.5-31.00.8-1.80.5-1.5殼程流速，（m/s）0.5-1.50.5-1.50.2-1.50.50.4-1.00.3-0.8表4.某些工業(yè)管材的**粗糙度管道類別**粗糙度/mm金屬管無縫黃銅管、銅管、鉛管0.010.05新的無縫鋼管、鍍鋅鐵管0.10.2新的鑄鐵管0.3輕度腐蝕的無縫鋼管0.20.3顯著腐蝕

　　23、的無縫鋼管0.5以上舊的鑄鐵管0.85以上表5.GB-151-1999殼體外徑/mm,500,600,,900,,1200*小壁厚/mm表6.拉桿直徑的選取換熱管外徑D10mD14m14mD25m25mD57m拉桿直徑d10mm12mm16mm表7.拉桿數(shù)量拉桿直徑d，mm公稱直徑D，mm圖1.對數(shù)平均溫差校正系數(shù)圖2.關系

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