化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器

1、化工原理課程設(shè)計(jì)題目學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院專(zhuān)業(yè)：化學(xué)工程與工藝姓名：何寬學(xué)號(hào)：2011133163指導(dǎo)教師：日期：2013年8月25日 摘 要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱(chēng)熱交換器。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門(mén)。它的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。 換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的熱交換器。 由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只

2、能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器二十世紀(jì)20年代出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。接著英國(guó)用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。30年代末，瑞典又制造出第一臺(tái)板殼式換熱器，用于紙漿工廠。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問(wèn)題，人們對(duì)新型材料制成的換熱器開(kāi)始注意。60年代左右，由于

3、空間技術(shù)和尖端科學(xué)的迅速發(fā)展，迫切需要各種高效能緊湊型的換熱器，再加上沖壓、釬焊和密封等技術(shù)的發(fā)展，換熱器制造工藝得到進(jìn)一步完善，從而推動(dòng)了緊湊型板面式換熱器的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。此外，自60年代開(kāi)始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。70年代中期，為了強(qiáng)化傳熱，在研究和發(fā)展熱管的基礎(chǔ)上又創(chuàng)制出熱管式換熱器。70年代末隨著能源矛盾的日益突出，國(guó)內(nèi)冶金工業(yè)爐開(kāi)始大量采用換熱器，其中絕大多數(shù)是金屬對(duì)流換熱器。當(dāng)時(shí)最受青睞的是翅片管換熱器，它的換熱元件是帶有內(nèi)外翅片的鑄鋼管。由于單位體積內(nèi)的換熱面積大，所以換熱器整體效率高，占地小，適合舊有爐子改造位

4、置緊張的條件。但由于鑄造產(chǎn)品質(zhì)量控制難度大，裂、漏現(xiàn)象嚴(yán)重，而且膨脹問(wèn)題也成為薄弱環(huán)節(jié)，更有令人頭痛的積灰問(wèn)題，限制了翅片管換熱器的應(yīng)用水平。自80年代后期以來(lái)，各種軋制管材的換熱器逐漸取代了翅片管換熱器。雖然其單位體積內(nèi)的換熱量沒(méi)有翅片換熱器大，但它的質(zhì)量穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，阻力損失也不太大，得到廣大用戶(hù)的喜愛(ài)。目前應(yīng)用最多的是管式換熱器，其換熱管是無(wú)縫鋼管，有時(shí)管內(nèi)加插件以強(qiáng)化傳熱，材質(zhì)是碳鋼或碳鋼滲鋁或耐熱鋼。近年來(lái)，材質(zhì)水平又有了新的提高管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛地應(yīng)用。近年來(lái)盡管受到了其他新型換熱器的挑戰(zhàn)但反過(guò)來(lái)也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)

5、、大型化發(fā)展的今大，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位。根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U型管式、填料函式和釜式重沸器五類(lèi)。固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。管束連接到管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗。管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件(如膨脹節(jié)、撓性管板等)，來(lái)吸收熱膨脹差。圖1 固定管板式換熱器

6、固定管板式換熱器的主要組合部件有前端管箱，殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分組成。管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，排管多，能承受較高的壓力，造價(jià)低，管內(nèi)不宜結(jié)垢，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵管或更換。這種換熱器適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管程和殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場(chǎng)合。管程殼程換 熱面積推 薦材 質(zhì)物 料名 稱(chēng)操作壓 力操 作溫 度物料名稱(chēng)操作壓 力操 作溫 度管層 殼層冷卻水0.3535-45甲醇0.4535-9012620#關(guān)鍵詞：換熱器目錄1.1換熱器的簡(jiǎn)介.- 4 -1.2設(shè)計(jì)的目的和意義- 7 -1.3換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)- 8 -1

7、.4確定設(shè)計(jì)方案- 9 -1.5確定工藝流程- 10 -1.6確定設(shè)計(jì)參數(shù)- 11 -1.7計(jì)算總傳熱系數(shù)- 12 -1.8換熱器核算- 12 -1.8.1熱流量核算- 13 -1.8.2壁溫計(jì)算- 14 -1.8.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力- 15 -概述1.1 換熱器簡(jiǎn)介在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱(chēng)為熱交換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為換熱器。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。3540。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開(kāi)發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效

8、換熱器相繼問(wèn)世。 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(lèi)型也多種多樣，不同類(lèi)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(lèi)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。 換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過(guò)熱器等。 換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器（板翅式、管翅式等），如表2-1所示。 表2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類(lèi) 類(lèi) 型特 點(diǎn) 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式剛性結(jié)構(gòu)用于

9、管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗帶膨脹節(jié)有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力浮頭式管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合U型管式管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難填料函式外填料函管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì)內(nèi)填料函密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合釜式殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮雙套管式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中套管式能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器螺旋管式沉浸式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板面式 板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋板

10、式可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫?zé)崮芷桨迨浇Y(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈板殼式板束類(lèi)似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高混合式適用于允許換熱流體之間直接接觸蓄熱式換熱過(guò)程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場(chǎng)合1.2 設(shè)計(jì)目的和意義（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

11、合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)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)，

12、應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)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

13、在一最適宜的流速。 傳熱面上垢層的產(chǎn)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。1.3換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1設(shè)計(jì)題目某硫酸生產(chǎn)工藝，年生產(chǎn)硫酸26萬(wàn)噸。已知濃硫酸濃度9

14、8.3%，溫度90，要求經(jīng)換熱后硫酸出口溫度小于60?，F(xiàn)選擇水為換熱介質(zhì)，冬季選擇進(jìn)口溫度10，出口溫度60。擬設(shè)計(jì)一換熱器完成生產(chǎn)任務(wù)。設(shè)計(jì)的目的： 2.通過(guò)對(duì)硫酸產(chǎn)品冷卻的列管式換熱器設(shè)計(jì)，達(dá)到讓學(xué)生了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念?lèi)型，同時(shí)還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。 1.4 確定設(shè)計(jì)方案 選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度90，出口溫度50；冷流體進(jìn)口溫度10，出口溫度60，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮選式換熱

15、器。1.5確定工藝流程從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使用硫酸走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水易結(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降，所以從總體考慮，應(yīng)使用循環(huán)水走管程，硫酸走殼程。1.6確定設(shè)計(jì)參數(shù)硫酸的定性溫度：      密度         1840定壓比熱容    Cp01.582kJ/kg熱導(dǎo)率        00.109W/m粘度

16、60;         0Pas 水的定性溫度：密度          i992.2/m3 定壓比熱容   Cpi4.147KJ/kg熱導(dǎo)率        i63.38W/ m粘度         i65.60 Pas1.7計(jì)算總傳熱系數(shù)1

17、、熱流量 kJ/h=521kw平均傳熱溫差tm1=(t1-t2)/(t1/t2)=(100-10)/(100/10)式中： , 求得2、 冷卻水用量 (kg/s)=9047kg/h3計(jì)算傳熱面積求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得硫酸和水之間的傳熱系數(shù)在870W/(.)左右，先取K值為800W/(.)計(jì)算由Q=KAtm 得 ()4.工藝結(jié)構(gòu)尺寸1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u(mài)1=5.5m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Ns=按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 L=按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)

18、計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) Nt=2640×0.046=2643.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) R= P=按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)得：平均傳熱溫差 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。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。見(jiàn)下圖 取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計(jì)算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。管束的分程方法，每程各有傳熱管616根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按下圖選取。5殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用