【正文】 化工原理課程設(shè)計 2 “ 列管式換熱器設(shè)計 ”任務(wù)書 （一） 設(shè)計題目 列管式換熱器設(shè)計 —— 混合氣體處理能力 221000kg/h （二） 設(shè)計任務(wù)及操作條件 為滿足某生產(chǎn)需要，需將混合氣體采用循環(huán)冷卻水冷卻，使混合氣體的溫度從 100℃冷卻至 50℃，已知混合氣體的壓力為 ，循環(huán)冷卻水的壓力為，循環(huán)水入口溫度 25℃，出口溫度 36℃。要求處理混合氣體的流量為221000kg/h，試設(shè)計一臺列管式換熱器，完成該設(shè)計任務(wù)。） 熱容 Cp? (KJ/kg℃ ) 導(dǎo)熱系數(shù)λ ? （ w/m℃） 粘度μ ? （ Pa*S） 冷卻水 * 310? 化工原理課程設(shè)計 3 目錄 第一章 概述 167。 列管式換熱器的主要結(jié)構(gòu) 5 第二章 列管式換熱器工藝的設(shè)計及計算 167。 估算傳熱面積 6 167。 傳熱能力的核算 12 167。 16 第三章 輔助設(shè)備的設(shè)計 167。 泵的設(shè)計 風(fēng)機的設(shè)計 換熱器的應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)中，為實現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。通常在化工廠的建設(shè)中，換熱器的投資約占總投資的 10~20%，在石油冶煉廠中約占全部工藝投資的40~50%。 表 11 換熱器的分類及主要性能比較 分類 名稱 相對費用 耗用金屬 （ kg/m178。 列管式換熱器的主要結(jié)構(gòu) 管殼式換熱器 (列管式換熱器 )適用于冷卻、冷凝、加熱、換熱、再沸、蒸發(fā)和廢熱回收等方面。只有當流量小、壓力與溫度低，特別是物流對碳鋼具有腐蝕性或粘度很高時選用板式換熱器，如果流量小，但壓力或溫度較高時選用套管式換熱器。常用列管式換熱器的基本構(gòu)型有一下幾種。當管壁與殼壁的壁溫相差大于 50℃時，為減小或消除溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，必須設(shè)有溫差補償裝置，比如波形膨脹節(jié)。因殼側(cè)不易清洗故不適宜較臟或有腐蝕性的物流的換熱，適用于殼壁與管壁溫差小于 70℃、殼程壓力不高、殼程結(jié)垢不嚴重、并且可以用化學(xué)方法清洗的場合。殼體與管束對熱膨脹是自由的，因而殼體與管束之間無溫差應(yīng)力。浮頭式換熱器的應(yīng)用比較普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對費用較高 （ 3） U形管式換熱器 管束彎成 U形，兩端固定在同一塊管板上，殼體與管束分開，僅有一塊管板，無浮頭，可以不考慮溫差補償。但管內(nèi)清洗困難，故管內(nèi)必須是清潔和不易結(jié)垢的物流。管板上排管數(shù)較少， U形管不能互換，結(jié)構(gòu)不緊湊。一是把填料函設(shè)置在浮頭端的接管處；二是把填料函設(shè)置在管板處；三是把浮頭伸出空調(diào)外設(shè)置成外填料函式。但是由于填料函密封性能的限制，目前只用于直徑 700mm以下的換熱器，大直徑很少采用，尤其在操作壓力和溫度較高時就更少采用。 第二章 列管式換熱器的設(shè)計及計算 167。 二、 流程安排 流程的安排應(yīng)該考慮到一下原則： 。 。 需要指出的是，以上要求常常不能同時滿足，故在設(shè)計中應(yīng)該考慮其主要問題。從熱交換角度，混合氣體走殼程可以與空氣進行熱交換，增大傳熱強度。 三、 確定物性數(shù)據(jù) 殼程混合氣體的定性溫度 T： T?=100℃ T?=50℃ T=(T?+T?)/2=75℃ 管程冷卻水的定性溫度 t： t?=25℃ t?=36℃ t=(t?+t?)/2=℃ 各物性數(shù)據(jù)如表 名稱 密度 ρ ? （ kg/h） 熱容 Cp? （ KJ/kg℃ ） 導(dǎo)熱系數(shù) λ ? （ w/m℃ ） 粘度 μ ? （ Pa*S） 混合氣體 90 * 510? 名稱 密度 ρ ?? （ kg/m179。 估算傳熱面積 一、 換熱器的熱負荷 換熱器的熱負荷是指在確定的物流進口條件下，使其達到規(guī)定的出口狀態(tài)，冷流體和熱流體之間所交換的熱量，或是通過冷、熱流體間壁所傳遞的熱量。而對于流體被冷卻的情況，工藝流體所放出的熱量等于冷卻劑所吸收的熱量與熱損失之和，在實際設(shè)計中，為可靠起見，?？珊雎詿釗p失，以下式計算冷卻劑用量： 22 t12 ΔmpcQ? 式中 2m 冷卻劑用量， kg/h； 2cp冷卻劑熱容， kJ/kg℃； 2tΔ冷卻劑進出口溫度的變化，℃ * 由上式計算本次列管式換熱器設(shè)計的冷卻劑用量： 2m = ）—（ 2536101 7 101 0 1 2 033?? ? = 三、 平均傳熱溫差 平均傳熱溫差是換熱器的傳熱推動力，其值不僅和進出口溫度有關(guān)，而且與換熱器內(nèi)兩種流體的流型有關(guān)。 * 根據(jù)本次設(shè)計的要求，查列管式換熱器用 作冷卻器時的 K 值范圍表選擇總的傳熱系數(shù) K=412w 2m /℃ 按逆流估算本次列管式換熱器設(shè)計的傳熱面積： mKQAt1?? = 1010120 3?? =567 2m 考慮到估算性質(zhì)的影響，常取傳熱面 積為計算值的 ~ 倍 ,即： 表 22 A=567 =709 2m 167。但管徑小，流動阻力大，機械清洗困難，設(shè)計時可根據(jù)具體情況選用合適的管徑。在選取管長時應(yīng)注意合理利用材料，還要使換熱器具有適宜的長徑比。 確定了每程管子長度后即可求的管程數(shù)： lp LN? 式中 L按單程計算的管長， m； L選取的每程管長， m； pN 管程數(shù)（必須取整數(shù)） 則換熱器的總管數(shù)為： 1pnNNT? 式中 TN 換熱器總管數(shù) * 由上式分別計算本次列管式換熱器設(shè)計的管程數(shù)和傳熱管數(shù)： udV211 4n ??= 2 ?? ）（==471（根） 按單程管計算所需的傳熱管長度： 01n dAL ?? = 709 ?? = 因此按單程管 設(shè)計時傳熱管過長，宜采用多程管結(jié)構(gòu)。而一般要求 t?? 值不得低于 ，否則會出現(xiàn)溫度交叉或溫度逼近的情況，此時應(yīng)該采用多殼程結(jié)構(gòu)的換熱器或多臺換熱器串聯(lián)。 四、管子排列 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。 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來。 化工原理課程設(shè)計 11 * 本次列管式換熱器的設(shè)計采用組合排列法，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。 五、殼體內(nèi)徑 采用多管程換熱器殼體的內(nèi)徑由下式計 算： ?TND ? 式中 TN 傳熱管數(shù)目 ?管板利用率（正三角形排列， 2 管程， ? =~） 需要指出的是，由此計算的 內(nèi)徑僅做參考，內(nèi)徑的可靠確定方法是按比例在管板上畫出隔板位置并進行排管，以此確定內(nèi)徑。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)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的 10～ 40％，一般取 25％，過高或過低都不利于傳熱 。 在殼程入口處應(yīng)該 設(shè)置防沖擋板，如圖 23 圖 23 換熱器流體進出口接管不宜采用軸向接管，但如果必須采用軸向接管時，應(yīng)考慮設(shè)置管程緩沖擋板，而接管直徑取決于處理量和適宜的流速，同時還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性及強度要求。 傳熱能力的核算 核算的目的在于驗證所設(shè)計的換熱器是否能打到規(guī)定的熱負荷，并留有一定的傳熱面積裕度。