1、 安陽工學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明 書課程名稱：化工原理課程設(shè)計 設(shè)計題目：熱水冷卻器的設(shè)計 院 系： 化學(xué)與環(huán)境工程 學(xué)生姓名： 楊 雅 靜 學(xué) 號： 201005030020 專業(yè)班級：10應(yīng)用化學(xué)（1）班指導(dǎo)教師： 路 有 昌 2012/11/16課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目熱水冷卻器的設(shè)計學(xué)生姓名楊雅靜所在院系化學(xué)與環(huán)境工程班級10應(yīng)用化學(xué)（1）設(shè)計要求： 處理能力：1×105 t/a熱水2 設(shè)備型式：列管式換熱器操作條件： 熱水:入口溫度80,出口溫度60。2 冷卻介質(zhì):循環(huán)水,入口溫度32,出口溫度40。3 允許壓降:不大于105Pa。4 每年按300天計算,每天24小時連續(xù)運(yùn)

2、行。學(xué)生應(yīng)完成的工作：1 設(shè)計說明書的內(nèi)容：確定設(shè)計方案選定總傳熱系數(shù)確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸核算總傳熱系數(shù)計算壓強(qiáng)降2 設(shè)計圖紙要求：繪制列管式換熱器設(shè)計條件圖（A1號圖紙）參考文獻(xiàn)閱讀：1柴誠敬,張國亮等化工流體流動與傳熱M北京：化學(xué)工業(yè)出版社2余國琮等化工容器及設(shè)備M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19803匡國柱，史啟才化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20024化工設(shè)備技術(shù)全書編委會換熱器設(shè)計M上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，19885徐中全譯，尾花英郎著熱交換器設(shè)計手冊M北京：石油工業(yè)出版社，1982工作計劃：根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確認(rèn)設(shè)計方案; 初步確認(rèn)換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸; 核算換熱器的

3、傳熱面積和流體阻力; 確認(rèn)換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。任務(wù)下達(dá)日期：2010年11月05日任務(wù)完成日期：2010年11月16日 指導(dǎo)教師（簽名）： 學(xué)生（簽名）：摘要：通過對列管式換熱器的設(shè)計，首先要確定設(shè)計的方案，選擇合適的計算步驟。查得計算中用到的各種數(shù)據(jù)，對該換熱器的傳熱系數(shù) 傳熱面積 工藝結(jié)構(gòu)尺寸等等要進(jìn)行核算，與要設(shè)計的目標(biāo)進(jìn)行對照是否能滿足要求，最終確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計圖紙做好準(zhǔn)備和參考，來完成本次課程設(shè)計。關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn) 方案 核算 結(jié)構(gòu)尺寸目錄一.概述4二.方案設(shè)計和擬訂53.1 確定設(shè)計方案73.1.1選擇換熱器的類型73.1.2確定流體通入的空間83.1.3 確定物性數(shù)據(jù)83.2

4、計算熱負(fù)荷83.2.1 熱流量83.2.2冷卻水93.2.3計算平均溫差93.2.4選定總傳熱系數(shù)K選值93.3計算傳熱面積93.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸93.4.1 管徑和管內(nèi)流速93.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)93.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)103.4.4 傳熱管排列和分程方法103.4.5 殼體內(nèi)徑113.4.6 折流板113.4.7 接管113.5換熱器核算123.5.1 熱量核算123.5.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力143.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果15四.設(shè)計小結(jié)16五.參考文獻(xiàn)17一.概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流

5、體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。二.方案設(shè)計和擬訂根據(jù)任務(wù)書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設(shè)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(zhì)，判斷其是否易結(jié)垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，冷水走管程，熱水走殼程。從手冊中查得冷熱流體的

6、物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，黏度。校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。先根據(jù)傳熱系數(shù)范圍，初步選擇一個傳熱系數(shù)，計算出傳熱面積。選擇一個合適的管內(nèi)流速，再根據(jù)管內(nèi)流速，確定傳熱管數(shù)，選擇傳熱管長，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。然后再計算出實際傳熱面積和總傳熱系數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設(shè)計步驟，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設(shè)計殼程和管程的內(nèi)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(jìn)行核算，再算出面積裕度。最后，分別計算管程和殼程的壓強(qiáng)降，如果在設(shè)計范圍內(nèi)就能完成任務(wù)。根據(jù)固定管板式的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈

7、不易結(jié)垢的物料。U形管式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。我們設(shè)計的換熱器的流體是冷熱水，不易結(jié)垢，再根據(jù)造價低，經(jīng)濟(jì)的原則我們選用固定管板式換熱器。根據(jù)以下原則：(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，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(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，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

8、速關(guān)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(qiáng)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(nèi)，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(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。我們選擇冷水走管程，熱水走殼程。流體流速的選擇：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，

9、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(jì)衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠＿@些也是選擇流速時應(yīng)予考慮的問題。在本次設(shè)計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速。管子的規(guī)格和排列方法：選擇管徑時，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有25×2.5mm及19×2mm兩種規(guī)格的管子。在

10、這里，選擇 25×2.5mm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(biāo)準(zhǔn)鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應(yīng)為1.5、2、3或6m。此外，管長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為46(對直徑小的換熱器可大些)。在這次設(shè)計中，管長選擇2m。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(diǎn)有:管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)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(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)較正三角排列時為低。正

11、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(dāng)?shù)靥岣摺Ｔ谶@里選擇三角形排列。 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=(1.31.5)do，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.25do。 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，有時會使管內(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，增加動力費(fèi)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(shè)計時

12、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，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。根據(jù)計算，管程為4程，殼程為單程。折流擋板：安裝折流擋板的目的，是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)。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的1040，一般取2025，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.21)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，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。這次設(shè)計選用圓缺形擋板。換熱

13、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。初步設(shè)計時，可先分別選定兩流體的流速，然后計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。主要構(gòu)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(jìn)入換熱器時對管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。（3） 導(dǎo)流筒 殼程流體的進(jìn)、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(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時必然經(jīng)過這個空間。 （4）放

14、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(jìn)、出口的接管直徑由計算得出。最后材料選用：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。同時具有耐熱性、高強(qiáng)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，但價格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。這里選用的材料為碳鋼。三.設(shè)計計算3.1 確定設(shè)計方案3.1.1選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體

15、進(jìn)口溫度80，出口溫度60；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度32，出口溫度40。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，熱流體為熱水，為不易結(jié)垢和清潔的流體。冬季操作時進(jìn)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，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。3.1.2確定流體通入的空間 為了便于散熱，熱水適于走殼程空間，循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，冷水適于走管內(nèi)。3.1.3 確定物性數(shù)據(jù)熱水的定性溫度m=(80+60)=70冷水的定性溫度tm=(32+40)=36兩流體溫差mtm=70-36=34由于兩流體溫差不大于50，故選用固定管板式列管換熱器。 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下 物 性流 體

16、 溫度 密度 /m3 粘度 mPa·s比熱容CpkJ/(kg·C)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·C)熱水 70 977.80.40614.1780.6676 冷水 36993.70.7280 4.174 0.62653.2計算熱負(fù)荷3.2.1 熱流量 =(1-2)=×4.178×(80-60) =8.059×（）3.2.2冷卻水若忽略換熱器的熱損失，冷水的流量可由熱量衡算求得，既c=24.135（kg/s）3.2.3計算平均溫差3.2.4選定總傳熱系數(shù)K選值管內(nèi)外均為水，K值范圍為8501700/(·),初選0=800/(·)

17、。3.3計算傳熱面積由Q=KA得A0=()考慮15%的面積裕度，3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.4.1 管徑和管內(nèi)流速 選用傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速3.4.2 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) 按單程管計算,所需的傳熱管長度為 按單程管設(shè)計,傳熱管過程,宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長， 則該換熱器管程程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程, 2管程結(jié)構(gòu),溫差校正系數(shù)應(yīng)查附圖六對數(shù)平均溫度校正數(shù)。 但的點(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 平均傳熱溫差 3.4.4 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法

18、,即每程內(nèi)均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距,則橫過管束中心線的管數(shù) 3.4.5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu),取管板利用率0.8,則殼體內(nèi)徑為 （mm) 圓整可取D=600mm3.4.6 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 , 取折流板間距0.3D 則0.3×600=180mm 可取B為180mm。 折流板數(shù) (根） 折流板圓缺面水平裝配。3.4.7 接管 殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)熱水流速為ui=1.0m/s為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為114mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u0=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為

19、146mm。3.5換熱器核算 3.5.1 熱量核算3.5.1.1 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板,可采用克恩公式 當(dāng)量直徑,由正三角形排列得 m 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(zhǔn)數(shù) 粘度校正 3.5.1.2 管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積 m2 管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) W/(m2·0C)3.5.1.3 傳熱系數(shù) K = W/(m2·0C) 3.5.1.4 傳熱面積 S m2 該換熱器的實際傳熱面積 =32.1 m2 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度適宜,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)3.5.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力3.5.2.1 管

20、程流動阻力 , , 由，傳熱管相對粗糙度，查圖摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系得W/(m·0C) ，流速，所以 Pa Pa 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。3.5.2.2 殼程阻力 , 流體流經(jīng)管束的阻力 19, 10，u0=0.418m/s 流體流過折流板缺口的阻力 ， 總阻力 殼程流動阻力也比較適宜。3.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表。換熱器型式：固定管板式管口表換熱面積：32.1符號尺寸用途連接型式工藝參數(shù)a循環(huán)水出口平面名稱管程殼程b熱水入口平面物料名稱冷水熱水c排氣口凹凸面操作壓力,0.80.8d f放凈口凹凸面操作溫度,32/4080

21、/60e熱水出口凹凸面流量,kg/s 24.13589.64506g循環(huán)水入口凹凸面流體密度，kg/m3993.6977.8管數(shù)248管長，mm2000流速，m/s1.2490.418管間距mm32排列方式正三角形傳熱量，kW805.941殼體內(nèi)徑600mm管子規(guī)格25*2.5總傳熱系數(shù)，W/m2·918.94折流板型式 上 下間距300mm對流傳熱系數(shù)，W/m2·5741.52370.95污垢系數(shù)，m2·K/W0.0001720.000172阻力降，Pa31620.28207.5程數(shù)41推薦使用材料碳鋼碳鋼四.設(shè)計小結(jié)化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)個人綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。在換熱器的設(shè)計過程中,我感覺我的理論運(yùn)用于實際的能力得到了提升，主要有以下幾點(diǎn)：掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；(2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導(dǎo)下去分析和解決實際問題的能力；(3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)