ft課程設計說明書課程名稱：化工原理設計題目：換熱器設計院系：化學與環境工程學院學生姓名：井德水學號：201005010113專業班級：化學工程與工藝2班指導教師：路有呂2012年11月16

課程設計任務書設計題日換熱器設計學生姓名井德水所在院系化工專業年級班2010工藝2班設計要求：處理能力1105ta熱水。設備型式固定管板式換熱器。操作條件熱水：入口溫度80°C，出口溫度60°C。冷卻介質：循環水，入口溫度32C，出口溫度40°C。允許壓降不大于10戶a。每年按330天算，每天24小時連續運行。學生應完成的工作：完成換熱器的熱量、換熱面積計算并進行換熱器的面積核算和壓降核算。進行換熱器的機械設計。在完成計算后，在A1圖紙上作圖。將圖紙和設計說明書一并上交給指導老師工作計劃：設計時間為兩周。第一周前三天查閱換熱器相關資料，然后計算。第二周在圖紙上作圖并上交。任務下達日期：2012年11月5日任務完成日期：2012年11月16日指導教師（簽名）：學生（簽名）：摘要首先對換熱器的背景和設計知識進行了概述。然后設總傳熱系數，根據公式假估算傳熱面積。確定管殼程的程數，并計算殼體直徑與換熱器內部部件尺寸。根據前面計算，再計算流速進而算總傳熱系數，核算傳熱面積與壓降符合要求之后。最后進行機械設計，根據標準選擇各部件的材料與尺寸。換熱器設計管程殼程傳熱系數壓降目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言1\o"CurrentDocument"1.1工程背景1\o"CurrentDocument"1.2換熱器介紹1\o"CurrentDocument"1.3設計概述4\o"CurrentDocument"1.4設計要求6\o"CurrentDocument"2換熱器計算8\o"CurrentDocument"2.1試算并初選換熱器規格8\o"CurrentDocument"2.1.1選定換熱器類型8\o"CurrentDocument"2.1.2流動空間的確定9\o"CurrentDocument"2.1.3.確定物性數據9\o"CurrentDocument"2.1.4冷卻水用量9\o"CurrentDocument"2.1.5估算傳熱面積9\o"CurrentDocument"2.2工藝結構尺寸10\o"CurrentDocument"2.2.1管徑和管內流速10\o"CurrentDocument"2.2.2傳熱管排列和分程方法11\o"CurrentDocument"2.2.3殼體內徑11\o"CurrentDocument"2.2.4折流板11\o"CurrentDocument"2.2.5接管11\o"CurrentDocument"3換熱器核算12\o"CurrentDocument"3.1傳熱能力核算12\o"CurrentDocument"3.1.1殼程對流傳熱系數12\o"CurrentDocument"3.1.2.管程對流傳熱系數13\o"CurrentDocument"3.1.3總傳熱系數K13\o"CurrentDocument"3.3核算壓力降14\o"CurrentDocument"3.3.1管程壓力降14\o"CurrentDocument"3.3.2殼程壓力降15\o"CurrentDocument"4換熱器的機械設計15\o"CurrentDocument"4.1殼體厚度的計算15\o"CurrentDocument"4.1.1殼體直徑15\o"CurrentDocument"4.2封頭的選擇16\o"CurrentDocument"4.3殼體內部件的選擇16\o"CurrentDocument"4.4法蘭的選擇16\o"CurrentDocument"4.5支座的選擇174.6接管的選擇174.6.1排凈口及排氣接管17\o"CurrentDocument"4.6.2殼程接管17\o"CurrentDocument"4.6.3管程接管17\o"CurrentDocument"總結18\o"CurrentDocument"參考文獻閱讀19指導教師評語201前言1.1工程背景換熱器是許多工業生產中常用的設備，在化工、石油、動力、制冷、食品等行業中應用極為廣泛，且它們是上述這些行業的通用設備，并占有十分重要的地位。在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%-20%，在煉油廠約占總費用的35%-40%。隨著我國工業的不斷發展，對能源利用、開發和節約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。在化工廠中經常應用換熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等。換熱器的類型很多，性能各異，個具特點，可以適應絕大多數工藝過程對換熱器的要求。進行換熱器的設計，首先是根據工藝要求選用適當的類型，同時計算完成給定生產任務所需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。1.2換熱器介紹（1）換熱器在工業中的應用：換熱器在工、農業的各領域應用十分廣泛，在日常生活中傳熱設備也隨處可見，是不可或缺的工藝設備之一。因此換熱設備的研究備受世界各國政府及研究機構的高度重視，在全世界第一次能源危機爆發以來，各國都在下大力量尋找新的能源及在節約能源上研究新途徑。在研究投入大、人力資源配備足的情況下，一批具有代表性的高效換熱器和強化兀件誕生。隨著研究的深入，工業應用取得了令人矚目的成就，得到了大量的回報，如板翅式換熱器、大型板殼式換熱器和強化沸騰的表面多孔管、T型翅片管、強化冷凝的螺紋管、鋸齒管等都得到了國際傳熱界專家的首肯，社會效益非常顯著，大大緩解了能源的緊張情況。隨著環境保護要求的提高，近年來加氫裝置的需求越來越多，如加氫裂化，煤油加氫，汽油、柴油加氫和乳化油加氫裝置等建設量增加，所需的高溫、高壓換熱器數量隨之加大。螺紋鎖緊環換熱器、Q密封環換熱器、金屬墊圈式換熱器、蜜蜂蓋板式換熱器技術發展越來越快，不僅在承溫、承壓上滿足裝置運行要求，而且在傳熱與動力消耗上發展較快，同時亦適用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然等場合，可滿足承壓高達35MPa，承溫達700°C的使用要求。在這些場合，換熱器占有的投資占50%以上。（2）換熱器的研究現狀：20世紀80年代以來，換熱器技術飛速發展，帶來了能源利用率的提高。各種新型、高效換熱器的相繼開發與應用帶來了巨大的社會經濟效益，市場經濟的發展、私有化比例的加大，降低成本已成為企業追求的最終目標。因而節能設備的研究與開發備受矚目。能源的日趨緊張、全球環境氣溫的不斷升高、環境保護要求的提高和換熱器及空冷式換熱器及高溫、高壓換熱器帶來了日益廣闊的應用前景。在地熱、太陽能、核能、余熱回收、風能的利用上，各國政府都加大了投入資金力度。國內各研究機構和高等院校研究成果不斷推陳出新，在強化傳熱元件方面華南理工大學相繼開發出表面多孔管、螺旋槽管、縱橫管等；天津大學在流路分析法、震動等發面研究成果顯著；清華大學在板片傳熱反方面有深入的研究；西安交大在板翅式換熱器研究方面已取得初步成果；重慶建工學院開發出翅管換熱器；在強度軟件方面江蘇化工學院開發出液壓漲管器；以換熱器起家的蘭州石油機械研究所率先開發出板式換熱器、板式冷凝器、板式蒸發器、螺旋板換熱器、板殼式換熱器、螺紋管換熱器、折流管換熱器、外導流筒換熱器、高效重沸器、新結構高效換熱器、。環高壓換熱器、表面蒸發空冷器、板式空冷器等一批實用價值的系列高效換熱器。（3）換熱器的發展動向：換熱器的傳熱與流體流動計算的準確性，取決于物性模擬的準確性。因此，物性模擬一直為傳熱界重點研究課題之一，特別是兩相流物性的模擬。兩相流的物性基礎來源于實驗室實際工況的差別。純組分介質的物性數據基本上準確，但汽油組成物的數據就與實際工況相差較大，特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復雜。為此，要求物性模擬在手段上更加先進，測試的準確率更高。從而使換熱器計算更準確，材料更節省。物性模擬將代表換熱器的經濟技術水平。換熱器將隨裝置的大型化而大型化，直徑將超過5m，傳熱面積將達到單位10000皿，緊湊型換熱器將越來越受歡迎。板殼式換熱器、折流桿換熱器、板翅式換熱器、板式空冷器將得到發展，振動損失將逐漸克服，高溫、高壓、安全、可靠的換熱器結構將朝著結構簡單、制造方便、重量輕發展。隨著全球水資源的緊張，循環水將被新的冷卻介質取代，循環將被新型、高效的空冷器所取代。保溫絕熱技術的發展，熱量損失將減少到目前的50%以下。各種新型、高效換熱器將逐步取代現有常規產品。電廠動力效應強化傳熱技術、添加物強化沸騰傳熱技術、通入惰性氣體強化傳熱技術、滴狀冷凝技術、微生物傳熱技術、磁場動力傳熱技術將會在新的世紀得到研究和發展。同心管換熱器、高溫噴流式換熱器、印刷線路板換熱器、穿孔板換熱器、微尺度換熱器、微通道換熱器、流化床換熱器、新能源換熱器將在工業領域及其他領域得到研究和應用。1.3設計概述我們設計的是熱水冷卻器，冷卻器是許多工業生產中常用的設備。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，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、食品等行業中廣泛使用各種換熱器，它們也是這些行業的通用設備，并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業生產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缺點，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業上的應用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據主導地位。其中列管式換熱器的結構簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣。列管式換熱器有固定管板式、u形管式、浮頭式和填料函式等類型。列管式換熱器的形式主要依據換熱器管程與殼程流體的溫度差來確定。固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。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物料。U形管式U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。特點：結構簡單，質量輕，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垢的物料。浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，消除溫差應力，應用普遍。填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內介質有外泄的可能，殼程中不宜處理易揮發、易燃、易爆和有毒的介質。1.4設計要求隨著換熱器在工業生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結構尺寸。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求：（1）合理地實現所規定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學參數（溫度、壓力、流量、相態等）與物理化學性質（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規定的條件。設計者應根據這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下：增大傳熱系數在綜合考慮流體阻力及不發生流體誘發振動的前提下，盡量選擇高的流速。提高平均溫差對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結構中的溫差應力。在允許的條件時，可提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。妥善布置傳熱面例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側有相變，另一側流體為氣相，可在氣相一側的傳熱面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。（2）安全可靠換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國《鋼制石油化工壓力容器設計規定》與《鋼制管殼式換熱器設計規定》等有關規定與標準。這對保證設備的安全可靠起著重要的作用。（3）有利于安裝、操作與維修直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。（4）經濟合理評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內（通常為1年）固定費用（設備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產任務的需要，這一指標尤為重要。動力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。傳熱面上垢層的產生和增厚，使傳熱系數不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進行清洗。在清洗時不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費，這部分費用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補償，因此存在一最適宜的運行周期。嚴格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進行經濟核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應以整個系統中全部設備為對象進行經濟核算或設備的優化。但要解決這樣的問題難度很大，當影響換熱器的各項因素改變后對整個系統的效益關系影響不大時，按照上述觀點單獨地對換熱器進行經濟核算仍然是可行的。2換熱器計算2.1試算并初選換熱器規格2.1.1選定換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體（熱水）入口溫度為80°C，出口溫度60°C；冷流體（循環水）入口溫度32C，出口溫度40C。定性溫度：可取流體進口溫度的平均值殼程熱水定性溫度T=80+60=70C2管程循環水定性溫度t=竺32=36C2該換熱器用循環冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，故選用固定管板式換熱器。這類換熱器結構簡單、價格低廉，但管外清洗困難，宜處理殼方流體較清潔及不易結垢的物料。

2.1.2流動空間的確定循環水易結垢，應該走管程。再者熱水走殼程便于與向外界傳遞熱量，可以加快傳熱效率，所以熱水走殼程。2.1.3.確定物性數據項日對象宓位密度P定壓比熱容CP導熱系數人粘度Rkg,m3kJ/(kg?C)W/(m2?C)Pa?s熱水977.84.1870.66760.0004061循環水994.34.1740.62410.00074282.1.4冷卻水用量熱水質量流量qm,h1X105X103qm,h1X105X103330x24=12626kg；h熱負荷Q廣qhCph(T1-T)=12626x4.187x(80-60)kJ/h=293.6kW忽略熱量損失，循環冷卻水用量為q=Qt=293.6X3600kg.-h=31654kg..-hm,cc(t-1)4.174X(40—32)P,c212.1.5估算傳熱面積計算平均溫度差暫按單管程單殼程考慮，按逆流算平均溫度差熱水80°C—60°C

冷卻水40°C-32°C△t40C28CAt-At

-f——3

At

ln2

At40-熱水80°C—60°C冷卻水40°C-32°C△t40C28CAt-At

-f——3

At

ln2

At40-28i=ln4028=34CKAt，750x34考慮15%的面積裕度S=1.15S'=1.15x11.5=13.2m22.2工藝結構尺寸2.2.1管徑和管內流速選用^25x2.5,20號碳鋼傳熱管，取管內流速七=1.0m/s。依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數31654V八Sn==w29（根）31654s兀辦0.785x0.022x1x3600x994.3—d2U4ii按單管程計算，所需的傳熱管長度為13.2SL===5.8m13.2兀dn3.14x0.025x29取傳熱管長度為3米N=L=苧w2管程傳熱管一共N=29x2=58（根）2.2.2傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25d°則t=1.25x25=31.25r32（mm）橫過管束中心的管數nc=1.19印=1.1^/58=9（根）2.2.3殼體內徑采用雙管程結構，取管板利用率門=0.7，則殼體內徑為D=1.05t（頑=1.05x32x七：W07=305mm圓整可取D=325mm。2.2.4折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度h=0.25x325=81.25mm，故可取h=80mm。取折流板間距則可取為折流板數B=0.3D，則B=0.3x325=97.5mm，可取B=100mm折流板數N=傳熱管長-1=迎0-1=29（塊）B折流板間距1001塊）折流板圓缺面水平裝配。2.2.5接管殼程流體進出口接管：取接管內熱水流速為u=1ms，則接管內徑為d=,箜=(―=68mm1兀u\3600x977.8x3.14x1取標準管徑為70mmo管程流體進出口接管：取接管內循環水流速u=2m.-s,則接管內徑為d=、，亞＜4X31654=75mm*兀uX3600x994.3x3.14x2取標準管徑為80mmo3換熱器核算3.1傳熱能力核算3.1.1殼程對流傳熱系數殼程對流傳熱系數對圓缺型折流板，可采用克恩公式以=0.36土Re0.55Pr13(七)0.14

do目4(*'312-nd2)4xgx0.0322—0.785x0.0252)當量直徑d=―匚==0.02me兀d3.14x0.025殼程流通截面積S=BD(1-=0.1x0.325x(1-0.025、)=0.0071m20.032殼程流體流速和雷諾數分別為12626uo3600x977.8x0.0071=0.505m.sRe=皿=0.02x0.505x977.8=24318o曰o0.0004061普蘭特準數pc旦_4.187x103x0.0004061'==.o0.6676粘度校正（上）=pwa=0.36x0.6676x243180.55x2.5513x1=4228W（m2?°C）o0.023.1.2.管程對流傳熱系數管程對流傳熱系數a=0.023三Re0.8Pr0.4i管程流通截面積58S=0.785x0.022x2=0.0091m2管程流體流速和雷諾數31654Ui-3600x994.3x0.0091-0.972ms&0.02x0.972x994.3Re==260220.0007428普蘭特準數4.174x103x0.0007428Pr==4.970.6241a=0.023x0.6241x260220.8x4.970.4=4642W（m2?C）i0.023.1.3總傳熱系數K總傳熱系數KK1l^k^—_______________________d*Rsd*虬*Rs*工0.025+0.000343x0.025+0.0025x0.025+0000172+1add°箱Sia4642x0.020.0250x0.0225^42280.02=861W（m?C）溫差△匕需要校正，平均溫度差校正系數查PR圖R=80-60=2.5P=40-32=0.1740-3280-32查圖知七=0.97At=^AAtf=0.97x34=33°C可得S=M=*=10.3m2KAt861x33實際傳熱面積Sp=兀dL(N-n)=3.14x0.025x(3-0.04)x(61-9)=12.0m2面積裕度H=SP—S=W^0一10100%16.5%S10.33.3核算壓力降3.3.1管程壓力降管程壓力降ZAp=(Ap+A)FNN

i12tspF=1.5N=1N=2用Re=26022，相對粗糙度為01=0.0520查莫狄圖人.=0.033Ap1=0.033x3997.4x0.9722Ap1=0.033x3997.4x0.9722x0.022=2325PaAP=3(r-)=3x=1409Pa22ZAp=(2325+1409)x1.5x2x1=11202Pa<105Pa管程壓力降適宜。3.3.2殼程壓力降殼程壓力降EAp=（△{+kP?FNF=1N=1流體流經管束的壓力降AP；=Ffnc(Nb+1)號f=5x24318-0.228=0.5F=0.5Ap'=0.5x0.5x（29+1）x0.5052x9778=8416流體流過折流板缺口的壓力降AP=N（3.5-芝）空=29x（3.5-紂）x皿8X爵052=10430Pa2BD20.3252總壓力降EAP=8416+10430=18846<105Pao殼程壓力降適宜。4換熱器的機械設計4.1殼體厚度的計算4.1.1殼體直徑殼體直徑小于400mm，可以直接用無縫鋼管做筒體，用20號碳鋼鋼管，5=3mm，DN=D=325mm。5.1.2液壓校核液壓校核et=P(Do”?<0.9g25，無縫鋼管4=1，取腐蝕余量q=1.0mm。鋼管厚度負偏差按15%算C1=15%x325=0.49mm6=6-C-C=3-0.49-1=1.51mm。t=0.6x(325-1.51)=64.3Pa2x1.51

0.9^=0.9x1x245=220.5Pa6<0.9^b,強度足夠。4.2封頭的選擇上下均選用標準橢圓形封頭，根據JB/T4746-2002標準，封頭為DN325x4,曲面高度為h廣81mm，直邊高度為^2=25mm。材料選用Q235-B。4.3殼體內部件的選擇項目厚度/直徑mm材料分程隔板816MnR管板2016MnR折流板3Q235B拉桿1620定距趕25204.4法蘭的選擇材料選用20。選用dn300，PN0.6MPa的管板兼作法蘭，管箱與封頭，2個法蘭。4.5支座的選擇選用BI325型鞍座h=200mm,Q235A。4.6接管的選擇4.6.1排凈口及排氣接管