化工原理课程设计列管换热器[1].docx

化工原理课程设计报告换热器的设计年级专业设计者姓名设计单位2(X)8级化学工程与工艺刘国雄西北师范高校化学化工学院完成日期2010年11月25日概述1.1.换热器设计任务书-61.2换热器的结构形式-92.蛇管式换热器-93,套管式换热器-91.3 换热器材质的选择-10I4管板式换热器的优点-II15列管式换热器的结构-121.6 管板式换热器的类型及工作原理-131.7 价定设计方案-142.1 设计参数-142.2 计算总传热系数-152.3 工艺结构尺寸-162.4 换热器核算-182.4.1, 热流量核算-18242,壁温计算-202.4.3, 换热器内流体的流淌阻力-21在不同温度U'JmmI"J1会&?管H匕U'J次H俨"y3*X.1Xfr.I>JT小换热器。在换热罂中至少要仃两种温度不同的流体，种流体温度较高，放出热量：另种流体则温度较低，汲取热量。35%40%。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，闪而对换热冷的要求也日益加强。换热淋的设计、制造、结构改进及传热机理的探讨非常活跃，些新型高效换热罂相继问世。随着换热罂在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热罂各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应依据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热而积，并确定换热器的结构尺寸。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热罂等。换热罂按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热罂应用最广泛，依据传热面的形态和结构特点乂可分为管壳式换热器、板面式换热沿和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等），如表2T所示。表2-1传热胃的结构分类类型特点管壳式列管式固定管板式刚性结构用于管亮温差较小的状况（一般嗅50C）管间不能清洗带膨胀节有肯定的温度补偿实力，克程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高JK可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间简洁泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较困难，主要用于高温高压场合和固定床反应器中,套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝潺或预热器期旋管式沉醉式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板而式板式拆洗便利，传热而能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，仃自洁的作用，可用作回收低温热能平板式结构紧凑，拆洗便利，通道较小、易堵,要求流体干净板克式板束类似于管束.可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间干脆接触I整热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合完善的换热器和设计或选型时应满意以下各项甚本耍求.（I）合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件.设计者应依据这些条件进行热力学和流体力学的计克，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量其详细做法如下.增大传热系数？在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择离的流速“提高平均温差？时丁无相变的流体，尽量采纳接近逆流的传热方式.因为这样不仅可提高平均温差，还有助下削减结构中的温差应力.在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。妥当布置传热面？例如在管壳式换热器中,采纳合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流淌特性,错列管束的传热方式比并列管束的好“假如换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相,可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利r热量的传递。（2）平安牢靠换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲惫寿命计算时，应遵照我国£钢制石油化工压力容器设计规定与6钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准.这对保证设备的平安牢靠起着走耍的作用.（3）有利于安装、操作与修理直立设备的安装次往往低r水平或倾斜的设备“设备与部件应便了运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的阻碍，依据须要可添花气、液排放口,检查孔与敷设保温层。（4）经济合理评价换热罂的最终指标是：在肯定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、修理费等的总和为最小。在设计或选型时,假如有几种换热罂都能完成生产任务的须要，这指标尤为重要。动力消耗与流速的平方成正比，而潦速的提高乂仃利于传热，因此存在最相宜的流速。传热而上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而削减，故有必要停止搽作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗黄，这部分费用必需从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在最相宜的运行周期。严格地讲，假如孤立地仅从换热沿本身来进行经济核算以确定相宜的操作条件与相宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素变更后对整个系统的效益关系影响不大时,依据上述观点单独地对换热器进行经济核算仍旧是可行的。1.1 .换蒸叁设计任务书1 .设计题目煤油冷却罂的设计。设计课题工程背景：在石油化工生产过程中，经常须要将各种石油产品（如汽油、煤油、柴油等）进行冷却，本设计以某炼涧厂冷却煤油产品为例，让学生熟识列管式换热器的设计过程。设计的目的：通过对煤油产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能依据工艺要求选择适当的类型，同时还能依据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力.2 .设计任务及操作条件（1）处理实力（1.584,1.98,2.2176,2.4552,2.6928）X104吨/年煤油（2）设备型式列管式换热器（3）操作条件煤油：入口温度（iorsi20*Cx1.oo,o,出口温度40C冷却介施：自来水，入口温度30C,出口温度5（C允许压强降：不大F105Pa每年按330天计，每天24小时连续运行（4）设计项F1.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积.换热器的主要结构尺寸设计。主要协助设备选型。绘制换热器总装配图。3 .设计说明书的内容（1）书目；（2）设计题目及原始数据（任务书）：（3）论述换热器总体结构（换热器型式、主要结构）的选择：（4）换热器加热过程有关计算（物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等）：（5）设计结果概要（主要设备尺寸、衡算结果等）：（6）主体设备设计计算及说明：（7）主要零件的强度计算（选做）：（8）附属设备的选择（选做）：（9）参考文献：（10）后记及其它。4 .设计图要求用594X841图纸绘制换热器一张：一主视图，一俯视图，一剖面图，两个局部放大图。5 .设计思索题（1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器,为什么？（2）为什么在化工厂运用列管式换热最广泛？（3）在列管式换热沿中，克程有挡板和没芍挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？（4）说明列管式换热器的选型计算:步骤？（5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？（6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。（7）列管式换热器中，两流体的流淌方向是如何确定的？比较其优缺点？6 .部分设计问题指导（1）列管式换热器基本型式的选择（2）冷却剂的进出口温度的确定原则（3）流体流向的选择（4）流体流速的选择（5）管子的规格及持列方法（6）管程数和壳程数的确定（7）挡板的型式1.2 换热器的结构形式1.管壳式换热涔管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简洁，坚实耐用，造价低廉，用材广泛，清洗便利，适应性强等优点，应用域为广泛。管壳式换热器依据结构特点分为以下几种：(1)固定管板式换热器固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简洁，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小丁50C且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小祝差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于7OCI1壳方流体压强不高于600Kpa的状况。(2)浮头式换热罂浮头式换热器的管板石个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构用雄，造价高。(3)填料涵式换热谣填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简洁，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易热，易爆的流体。2.蛇管式换热器蛇管式换热器是管式换热器中结构最简洁，操作最便利的一种换热设备，通常依据换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉醉式和喷淋式两类.3.套管式换热罂套管式换热器是由两种不同口,径的直管套在一起组成同心套管，其内管用U型时皆顺次连接，外管与外管相互连接而成，其优点是结构简法，悭耐高压，传热面枳可依据须要增M，适当地选择管内、外径,可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流淌,有利于传热.此换热涔适用于高温,高压及小流后流体间的换热.在进行换热器设计时,换热器各种零、部件的材料，应依据设法的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及时材料的制造工艺性健等的要求来选取,当然，最终还要考虑材料的经济合理性。一般为了满懑设备的操作压力和悚作温度，即从设备的频度或刚度的角度来考虑，是比较筒沽达到的，但材料的耐,腐蚀性能，有时往往成为一个困规的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的运用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性悭，是与换热器的详细结构有益亲密关系，一般换热器常用的材料,有碳钢和不锈钢.（1） MiiiM价格低，强健较高，对嘴性介质的化学腐蚀比较稳定，很简洁被酸腐蚀,在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的.如一般换热器用的一般无缝钢管,其常用的材料为10号和20号碳钢.（2）不锈钢奥氏体系不锈钢以1.CrI8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有栖定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能.正三角形排列结构紧潴：正方形排列便于机械清洗：同心圆排列用丁小壳径换热器，外圆管布管匀称，结构更为紧凌。我国换热器系列中,固定管板式多采纳正三角形排列：浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。（2）管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPu,设计温度不超过350'C的场合。（3）封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是