列管換熱器課程設(shè)計(jì)

1、南 京 工 業(yè) 大 學(xué)材料工程原理B課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 列管式換熱器設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 高分子材料 班 級(jí)： 高材1301 學(xué) 號(hào)： 1102130121 姓 名： 蘇鴻波 日 期： 2015.12.20-2015.12.31 指導(dǎo)教師： 葉旭初 設(shè)計(jì)成績(jī)： 日 期： 目錄一 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2二 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介3 1.概述3 2.換熱器類型的選擇4 3.流動(dòng)空間的選擇8 4.流速的選擇9 5.流向的確定96.材質(zhì)的選擇97.管程結(jié)構(gòu) 108殼程結(jié)構(gòu)10三.工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)121.確定物性數(shù)據(jù)122.估算傳熱面積13 3.選擇管徑和管內(nèi)流速14 4.選取管長(zhǎng)、確定管程數(shù)和總管數(shù)15 5.平均傳熱溫差

2、校正及殼程數(shù)156.傳熱管的排列和分程方法16 7.殼體內(nèi)徑16 8.折流板17四.換熱器主要傳熱參數(shù)核算17 1.熱流量核算17 2.壁溫核算21 3.殼程流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）21五.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果24六.附圖 26七.主要符號(hào)說(shuō)明 27七.對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)述28八.主要參考文獻(xiàn)292列管式換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（一）設(shè)計(jì)題目 列管式換熱器設(shè)計(jì)（二）設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、處理能力 1.8×104噸/年2、設(shè)備型式 列管式換熱器3、操作條件（1）釜?dú)堃海褐赜?，入口溫?02，出口溫度40（2）冷卻介質(zhì)：井水（3）換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降：不大于50k Pa（4）重油平均溫度下的物性參

3、數(shù)：名稱（kg/m3）Cp (kJ/.)（Pa.s） (W/m.)重油986 1.992.9×10-30.136 （5）一年工作時(shí)間按300天計(jì)算，每天工作24小時(shí)二、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1 概述完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求： （1） 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過(guò)程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下： 增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)

4、振動(dòng)的前提下，盡量選擇高的流速。 提高平均溫差。對(duì)于無(wú)相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時(shí)，可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)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(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側(cè)有相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)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(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)

5、規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)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(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4）經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為1年）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等）的總和為最小。在設(shè)計(jì)或選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。 動(dòng)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(chǎn)

6、生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進(jìn)行清洗。在清洗時(shí)不僅無(wú)法傳遞熱量，還要支付清洗費(fèi)，這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償，因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。 嚴(yán)格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。但要解決這樣的問(wèn)題難度很大，當(dāng)影響換熱器的各項(xiàng)因素改變后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)，按照上述觀點(diǎn)單獨(dú)地對(duì)換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。2、換熱器類型的選擇1.換熱器在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡(jiǎn)稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同

7、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。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的基本原理與上述情形并無(wú)本質(zhì)上的差別。在食品、化工、石油、動(dòng)力、制冷等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，它不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備，因此在化工生產(chǎn)中占有重要地位。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，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。2.換熱器的選擇換熱器的種類很多，根據(jù)其熱量傳遞的方法的不同，可以分為

8、3種形式：堅(jiān)壁式、直接接觸式和蓄熱式。列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史，現(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門(mén)中大量使用，尤其在石油、化工、能源設(shè)備等部門(mén)所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。雖然列管式換熱器在傳熱效率、緊湊性和金屬耗量等方面不及某些新型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、適應(yīng)性強(qiáng)、制造材料廣泛等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在換熱設(shè)備中仍處于主導(dǎo)地位。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)，從封頭

9、另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。 在列管式換熱器中，管束的表面積即為該換熱器所具有的傳熱面積。當(dāng)傳熱面積較大，管子數(shù)目較多時(shí)，為了提高管內(nèi)流體的流速，增大管內(nèi)一側(cè)流體的傳熱膜系數(shù)，常將全部管子平均分成若干組，流體每次只流經(jīng)一組管子，即采用多管程結(jié)構(gòu)。其方法是在封頭內(nèi)裝設(shè)隔板，在一端的封頭內(nèi)裝設(shè)一塊隔板，便成二管程；在進(jìn)口端裝兩塊擋板，另一端裝一塊隔板，便成四管程；如此，還可以設(shè)置其他多管程，但過(guò)多使流體阻力增大，隔板占有分布管面積，而使傳熱面積減小 列管換熱器主要特點(diǎn)：(1) 耐腐蝕性：聚丙烯具有優(yōu)良的耐化學(xué)品性，對(duì)于無(wú)機(jī)化合物

10、，不論酸，堿、鹽溶液，除強(qiáng)氧化性物料外，幾乎直到100都對(duì)其無(wú)破壞作用，對(duì)幾乎所有溶劑在室溫下均不溶解，一般烷、徑、醇、酚、醛、酮類等介質(zhì)上均可使用。(2) 耐溫性：聚丙烯塑料熔點(diǎn)為164-174，一般使用溫度可達(dá)110-125。(3) 無(wú)毒性：不結(jié)垢，不污染介質(zhì)，也可用于食品工業(yè)。(4) 重量輕：對(duì)設(shè)備安裝維修極為方便。列管換熱器（又名列管式冷凝器），按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式換熱器、填料函式換熱器。分別如下：固定管板式換熱器： 這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)

11、出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見(jiàn)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過(guò)0.7Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。 浮頭式換熱器： 圖2換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外

12、殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端則可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)換熱管與殼體間有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐，便與管內(nèi)管間的清洗。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。適用于管壁間溫差較大或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。U型管式換熱器： 圖3U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而

13、解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。填料函式換熱器填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。缺點(diǎn)：填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過(guò)填料函外樓，對(duì)于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。圖4選擇在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，兩流體溫度

14、變化情況為：熱流體（重油）進(jìn)口溫度102，出口溫度40；冷流體(井水)進(jìn)口溫度10，出口溫度30。該換熱器用井水冷卻介質(zhì)，受環(huán)境影響，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，管束與管殼之間的溫差較大會(huì)產(chǎn)生不同熱膨脹，并且壓強(qiáng)降不大于50kPa，因此初步確定選用固定管板式換熱器。3、流動(dòng)空間的選擇對(duì)于流體流徑的選擇一般可以考慮以下幾點(diǎn)： (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(shí)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) 

15、;飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(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(duì)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(dòng)時(shí)，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(duì)流傳熱系數(shù)。選擇：從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使煤油走管程，冷卻水走殼程。但由于冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下

16、降，所以從總體考慮，應(yīng)使水走管程，煤油走殼程。4、流速的選擇 當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，介質(zhì)的流速高，換熱強(qiáng)度大，從而可使換熱面積減小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本降低，一般也可以抑制污垢的產(chǎn)生。但流速大也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，諸如壓降P增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖涮。換熱器常用流速的范圍如表1： 循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油氣體管程流速，m/s1.02.00.81.50.53>1.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.5>0.50.41.00.30.8215 表15、 流向的選擇當(dāng)冷、熱流體的進(jìn)出口溫度相同時(shí)，逆流操作的平均推動(dòng)

17、力大于并流，因而傳遞同樣的熱流體，所需的傳熱面積較小。逆流操作時(shí)，冷卻介質(zhì)溫升可選擇得較大因而冷卻介質(zhì)用量可以較小。顯然在一般情況下，逆流操作總是優(yōu)于并流。6.材質(zhì)的選擇 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 （1）碳鋼 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無(wú)耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無(wú)縫鋼管，其常用的材料為10號(hào)和20號(hào)碳鋼。 （2） 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。7.管程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管內(nèi)的通道部分稱為管程。 （1）換熱管布

18、置和排列問(wèn)距 常用換熱管規(guī)格有19×2 mm、25×2 mm、25×2.5 mm。我國(guó)生產(chǎn)系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時(shí)，管子的長(zhǎng)度又應(yīng)與管徑相適應(yīng)，一般管長(zhǎng)與管徑之比，即L/D約為46。 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列 （b）正方形錯(cuò)列 (c) 三角形直列（d）三角形錯(cuò)列 （e）同心圓排列正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國(guó)換熱器系列中，固定管

19、板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。（2）. 管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開(kāi)來(lái)。 管板與管子的連接可脹接或焊接。8.殼程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場(chǎng)合不同，殼程內(nèi)對(duì)各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來(lái)滿足設(shè)計(jì)的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側(cè)介質(zhì)對(duì)傳熱管最有效的流動(dòng)，來(lái)提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護(hù)列管

20、而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。 （1）.殼體 殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時(shí)，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動(dòng)方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個(gè)換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯(cuò)流等型式。 殼體內(nèi)徑D取決于傳熱管數(shù)N、排列方式和管心距t。計(jì)算式如下： 單管程 式中 t管心距，mm； d0換熱管外徑，mm； nc橫過(guò)管束中心線的管數(shù)

21、，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： 正方形排列： 多管程 式中 N排列管子數(shù)目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.85 >4管程 =0.60.8 正方形排列：2管程 =0.550.7 >4管程 =0.450.65殼體內(nèi)徑D的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 （2） 折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過(guò)管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤(pán)型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比)通常為2050

22、。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時(shí)，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 （3） 殼程接管 殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計(jì)直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時(shí)，對(duì)換熱管會(huì)造成很大的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進(jìn)口處

23、設(shè)置擋板。 三列管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算 （一）確定物性數(shù)據(jù)殼程流體重油的定性溫度為： 密度       0986kg/m3定壓比熱容    Cp0 1.99kJ/kg 熱導(dǎo)率      00.136W/m粘度  i= 2.9×10-3Pas管程流體水的定性溫度為： t=10+302=20 密度      0=998.2kg/m3定壓比熱容    Cp0=4.18

24、3 kJ/kg 熱導(dǎo)率     0=0.599W/m 粘度  i=1.004×10-3Pas（二）估算傳熱面積每年按300天計(jì)，每天24小時(shí)運(yùn)行1.換熱器的熱流量Q1=m1Cp1(T1-T2)=1.8×107300×24×3600×1.99×102-40=85.68kw2、冷卻水流量W=QCp2(t2-t1)=85.684.183×(30-10)=1.024 kg/s3、計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差并修正tm1=(t1-t2)/(t1/t2)=(62-20)/(62/2

25、0)式中： ,t2=30-10=20 求得tm=37.124、估算傳熱面積求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得重油和水之間的傳熱系數(shù)K值為200 Wm2 估算的傳熱面積為A=QKtm=10.49m2（三）選擇管徑和管內(nèi)流速選用25×2的傳熱管（碳鋼管），管內(nèi)徑di=0.025-0.002×2=0.021m，平均直徑dm=0.023m 壁厚 b=0.002m取管內(nèi)流速u(mài)i=1.2m/s（四）選取管長(zhǎng)、確定管程數(shù)和總管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程管子數(shù)為ns=V4diui=1.024/998.24×0.0212×1.23根按單管程計(jì)算，所需的管子長(zhǎng)度為L(zhǎng)

26、=Ad0ns=10.49×0.025×3=44.54m45m 如果按單程計(jì)算的管子太長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程，此時(shí)應(yīng)按實(shí)際情況選擇每程管于的長(zhǎng)度。國(guó)標(biāo)GBl5l一89推薦的傳熱管長(zhǎng)度為10，1.5，2.0，25，3.0，45，6.0，75，9.0，12.0m在選取管長(zhǎng)時(shí)應(yīng)注意合理利用材料，還要使換熱器具有適宜的長(zhǎng)徑比。列管式換熱器的長(zhǎng)徑比可在425范圍內(nèi)，一般情況下為610，豎直放置的換熱器，長(zhǎng)徑比為4-6現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=7.5，則該換熱器管程數(shù)為Np=Ll=457.5= 6（管程）傳熱管總根數(shù)為N=Npns=6×3=18(根)(五)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)R=T1-T

27、2t2-t1=102-4030-10=3.1P=t2-t1T1-t1=30-10102-10=0.217按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)得：所以修正后的傳熱溫度差為 tm=t.tm逆=0.9×37.12=33.408由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。（六）傳熱管的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=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532隔板中心到離其最近一排管中心距S=t/2+6=32/2+6=22 各程相鄰管的管心距為44。橫過(guò)管束中心線的管數(shù)nc=1.1N=1.1×

28、;185根（七）殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 =0.8，得殼體內(nèi)徑為D=1.05tN=1.05×32180.8=159.38mm計(jì)算的到的殼體直徑應(yīng)按換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。殼體直徑經(jīng)常用的標(biāo)準(zhǔn)有159mm、273mm、400mm、500mm、600mm、800mm等。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)可取D=159mm。（八）折流擋板 安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束，使湍動(dòng)程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤(pán)形兩種，前者更為常用。切去的弓形高度約為外殼內(nèi)

29、徑的1040，一般取25，過(guò)高或過(guò)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。板間距過(guò)小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過(guò)大，流體就難于垂直地流過(guò)管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。h = 0.5D = 39.75mm h取100mm 取折流板間距B=0.5D，則 B=0.5×159=79.5mm，可取B為100mm。 折流板數(shù)目NB=傳熱管長(zhǎng)。折流板間距 1=149我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有100mm，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，700mm七種。浮頭式有100mm，150mm，200mm，250mm，300

30、mm，350mm，450mm（或480mm），600mm八種。四換熱器核算1、熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算得： 當(dāng)量直徑：=殼程流通截面積：S0=BD1-d0t=0.00348m2 殼程流體流速及其雷諾系數(shù)分別為u0=V0s0=1.8×107300×24×3600×9860.00348=0.203m/sRe0=deu0=0.02×0.203×9862.9×10-3=1377普朗特準(zhǔn)數(shù)為Pr=Cp=1.99×2.90.136=42.4粘度校正： 0 =0.36×0.1360.02×

31、;13770.55×42.41/3×0.95=431.92W/m2（2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：由于水在管程中是被加熱，所以 管程流體流通截面積Ai=di4NNp=0.785×0.0212×186=1.0386×10-3m2管程流體流速以及其雷諾數(shù)分別為ui=1.024998.21.0386×10-3=0.988m/sRe=0.021×0.988×998.21.004×10-3=2.04×104普朗特?cái)?shù)Pr=4.183×103×1.004×10-30.599=7.01i=

32、0.023×0.5990.021×204000.8×7.010,4=4008W/m2（3） 污垢熱阻和管壁熱阻：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri=1.7197×10-4m2 W管外側(cè)污垢熱阻R0=8.598×10-4m2 W管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·)。 所以：（4） 總傳熱系數(shù) =11431.92+8.598×10-4+4×10-5×0.0250.023+1.7197×10-4×0.0250.021+14008×0.0250.021 =348.4 Wm2 （5）傳熱

33、面積裕度計(jì)算得傳熱面積為An=QKtm=85.68×103348.4×33.408=7.36m2實(shí)際傳熱面積為A0=d0lNT=8.83m2該換熱器的面積裕度為：F=A0-AnAn=19.97% 為保證換熱器操作的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于1520。滿足此要求，則所設(shè)計(jì)的換熱器較為合適，否則應(yīng)予以調(diào)整或重新設(shè)計(jì)，直到滿足要求為止。傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2、壁溫計(jì)算 因?yàn)楣鼙诤鼙?，而且壁熱阻很小。冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為10，出口溫度為30計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱

34、管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是有: Tm=0.4T1+0.6T2=102×0.4+40×0.6=64.8tm=0.4t2+0.6t1=0.4×30+0.6×10=18式中T1 干熱流體進(jìn)口溫度， T2熱流體出口溫度， t1冷流體進(jìn)口溫度， ； t2冷流體出口溫度， c=i=4008W/m2h=0=431.92W/m2傳熱管平均壁溫t=23.83殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=71。殼體壁溫和傳熱

35、管壁溫之差為t=71-23.83=47.173、流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算 （1）管程流體阻力 Pi（P1+P2）Ft Ns Np其中：Pi管程總壓力降, Pa; P1 、P2 分別為單程直管阻力與局部阻力, Pa ;Ft污垢校正系數(shù),對(duì)于19mm×2mm 管子, 取Ft = 1.5。對(duì)于25mm×2mm 管子,取Ft = 1.2;Ns殼程數(shù)，NS=1 ; Np 管程數(shù)，Np =6 。流體流過(guò)直管段由于摩擦所引起的壓力降: 流體流過(guò)回彎管(進(jìn)、出口阻力忽略不計(jì))因摩擦所引起的壓力降: ,其中=0.5+1+0.5+1=3由Re=20400，傳熱管相對(duì)粗糙度0.005，參考圖

36、雙對(duì)數(shù)坐 標(biāo)圖得=0.031，流速u(mài)i=0.988ms，=998.2kgm2，所以p1=0.031×7.50.021×998.2×0.98822=5393.9Pap2=u22=3×998.2×0.98822=1461.6Papi=(5393.9+1461.6)×1×6×1.2=49360Pa<50000Pa符合要求 Po（P1'P2'）Fs Ns其中：P0殼程總壓力降, Pa ; P1'、P2'分別為流體流過(guò)管束和折流板缺口的壓力降, Pa;Fs結(jié)垢校正系數(shù), 對(duì)于液體, Fs

37、 = 1.15 ; 對(duì)于氣體或可凝蒸汽, Fs = 1.0。這里取Fs = 1.15;Ns殼程數(shù)，Ns=1。流體流過(guò)管束的壓力降： 流體通過(guò)折流板缺口的壓力降：，其中F管子排列方式對(duì)壓力降的校正因數(shù), 對(duì)于正三角形排列, F=0.5;f0殼程流體的摩擦系數(shù),當(dāng)Re0 > 500 時(shí), f0 = 5.0Re0- 0.2280 。所以這里f0 = 0.52，其中.15 流體流經(jīng)管束的阻力F=0.5 f0=0.52 Nb=149 nc=5 u0=0.203m/sP1'=0.5×0.52×5×150×986×0.20322=3942.3P

38、a流體流過(guò)折流板缺口的阻力P2'=149×3.5-2×0.10.159×986×0.20322=6787.2PaP0=3943.2+6787.2×1.15=12340<50000Pa所以符合要求五換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：附表1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果參數(shù)管程殼程流率/（Kg/h)3351.62272.7進(jìn)（出）口溫度/10（30）102（40）壓力/ MPa4.50.3物性定性溫度/2071密度/Kg/m3998.2986定壓比熱容/kJ/(kg/)4.1831.99黏度/Pa·s1.004*10-32

39、.9*10-3熱導(dǎo)率/W/(m·)0.5990.136普朗特?cái)?shù)7.0142.4設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm159臺(tái)數(shù)1管徑/mm25*2管心距/mm32管長(zhǎng)/mm7500管子排列正三角形管數(shù)目/根18折流板數(shù)/個(gè)149傳熱面積/m28.83折流板間距/mm100管程數(shù)6材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.9880.203表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(m2·）4008431.92污垢熱阻/(m2*/W）1.7197×10-48.598×10-4阻力/Pa4936012340熱流量/kW85.68傳熱溫差/K47.17傳熱系數(shù)/W/m2*348.4裕度/%19.97五 附圖 1.換熱器生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖六 主要符號(hào)說(shuō)明英文字母B折流板間距，m； 希臘字母C系數(shù)，無(wú)量綱； 對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2）d管徑，m； 有限差值； D換熱器外殼內(nèi)徑，m； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/