固定管板式列管換熱器的設(shè)計(jì)

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1、固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 1 目 錄 一 、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 介 紹 1、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 2、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 性 能 優(yōu) 點(diǎn) 3、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 性 能 缺 點(diǎn) 二 、 設(shè) 計(jì) 方 案 的 確 定 及 流 程 說(shuō) 明 1、 確 定 設(shè) 計(jì) 方 案 2、 流 程 說(shuō) 明 三 、 換 熱 面 積 的 估 算 四 、 管 子 尺 寸 及 數(shù) 目 計(jì) 算 五 、 管 子 在 管 板 上 的 排 列 六 、 殼 體 內(nèi) 徑 的 確 定 七 、 附 件 設(shè) 計(jì) 八 、 換 熱 器 校 核 （

2、 包 括 換 熱 面 積 、 壁 溫 、 壓 力 降 ） 九 、 設(shè) 計(jì) 結(jié) 果 概 要 或 設(shè) 計(jì) 一 覽 表 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 2 目 錄 十 、 對(duì) 本 設(shè) 計(jì) 的 評(píng) 述 或 有 關(guān) 問(wèn) 題 的分 析 討 論 十 一 、 參 考 文 獻(xiàn) 十 二 、 工 作 總 結(jié) 十 三 、 設(shè) 計(jì) 創(chuàng) 新 點(diǎn) 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 3 摘 要 本 次 課 程 設(shè) 計(jì) 屬 于 化 工 課 程 設(shè) 計(jì) 的 一 個(gè) 重 要 方 面 ， 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 有 著 廣 泛 的應(yīng) 用 。 目 的 在 于 考 察 我 們 對(duì) 相 關(guān) 化 工 原 理 基 本 理 論 知

3、 識(shí) 的 掌 握 程 度 ， 提 高 對(duì)化 工 設(shè) 備 的 認(rèn) 知 以 及 培 養(yǎng) 分 工 與 獨(dú) 立 工 作 的 能 力 。 我 們 的 課 題 為 “ 固 定 管 板式 列 管 換 熱 器 的 設(shè) 計(jì) ” ， 通 過(guò) 已 知 的 苯 進(jìn) 口 溫 度 ， 管 程 殼 程 的 壓 力 降 要 求 ，水 的 常 溫 溫 度 等 條 件 設(shè) 計(jì) 一 符 合 實(shí) 際 工 作 要 求 的 換 熱 器 ， 并 且 通 過(guò) 一 工 藝 流程 圖 展 現(xiàn) 其 在 某 種 特 定 用 途 下 的 操 作 流 程 。 由 于 水 的 出 口 溫 度 并 不 已 知 ， 筆者 通 過(guò) 選 擇 合 理 的 泵 來(lái)

4、推 算 出 其 出 口 溫 度 ， 進(jìn) 而 對(duì) 后 續(xù) 的 計(jì) 算 問(wèn) 題 迎 刃 而 解 。后 期 的 校 核 計(jì) 算 中 ， 所 得 的 換 熱 面 積 、 壓 力 降 及 壁 溫 均 符 合 要 求 ， 標(biāo) 明 所 設(shè)計(jì) 的 換 熱 器 是 滿(mǎn) 足 一 定 生 產(chǎn) 負(fù) 荷 下 正 常 工 作 要 求 的 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 4 一 、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 介 紹1、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 此 種 換 熱 器 的 特 點(diǎn) 是 管 束 以焊 接 或 脹 接 在 兩 塊 管 板 上 ， 管板 分 別 焊 接 在 外 殼 的 兩

5、 端 并 在其 上 連 接 有 頂 蓋 ， 頂 蓋 和 殼 體上 裝 有 流 體 進(jìn) 出 口 接 管 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 5 2、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的性 能 優(yōu) 點(diǎn) 與 其 他 形 式 的 換 熱 器 相 比 ，它 的 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 制 造 成 本 較 低 。管 內(nèi) 不 易 積 累 污 垢 ， 即 使 產(chǎn) 生了 污 垢 也 便 于 清 洗 。 3、 固 定 管 板 式 換 熱 器 的性 能 缺 點(diǎn) 無(wú) 法 對(duì) 管 子 的 外 表 面 進(jìn) 行檢 查 和 機(jī) 械 清 洗 ， 因 而 不 適 宜處 理 臟 的 或 有 腐 蝕 性 的 介 質(zhì) 。由 于 管

6、 子 和 管 板 與 殼 體 的 連 接都 是 剛 性 的 ， 當(dāng) 管 子 與 殼 體 的壁 溫 或 材 料 的 線 膨 脹 系 數(shù) 相 差較 大 時(shí) ， 在 殼 體 和 管 子 中 將 產(chǎn)生 很 大 的 溫 差 應(yīng) 力 ， 以 致 管 子扭 彎 或 從 管 板 上 脫 落 ， 甚 至 損壞 整 個(gè) 換 熱 器 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 6 二 、 設(shè) 計(jì) 方 案 的 確 定 及 流 程 說(shuō) 明1、 確 定 設(shè) 計(jì) 方 案（ 1） 已 知 設(shè) 計(jì) 條 件 生 產(chǎn) 負(fù) 荷 （ 按 每 年 7200小 時(shí) 計(jì) 算 ） ： 11.6萬(wàn) 噸 純 苯 /年 苯 進(jìn) 料 狀 況 ： 80

7、 的 液 體 苯 出 口 狀 況 ： 55 的 液 體 冷 卻 介 質(zhì) ： 循 環(huán) 水 （ 1535 ） 管 程 和 殼 程 壓 降 ： 不 大 于 10kpa（ 2） 設(shè) 計(jì) 的 前 期 處 理 殼 程 和 管 程 所 走 流 體 的 選 擇 選 擇 依 據(jù) ： 1） 有 毒 的 流 體 走 管 程 ， 減 少 泄 漏 的 機(jī) 會(huì) ， 而 苯 是 一 種 可 至 白 血 病 有 毒 液 體 ； 2） 粘 性 大 的 或 流 量 小 的 液 體 宜 走 殼 程 ， 因 流 體 在 有 折 流 板 的 殼 程流 動(dòng) 時(shí) ， 在 較 小 的 雷 諾 數(shù) （ Re100） 下 ， 即 可 達(dá) 到 湍

8、 流 ， 有 利 于 提 高 傳 熱 系數(shù) ， 而 一 般 正 常 溫 度 下 ， 苯 的 粘 性 小 ， 水 的 粘 性 大 ； 3） 苯 是 高 溫 液 體 ， 在 管內(nèi) 熱 膨 脹 ， 水 是 低 溫 流 體 ， 在 殼 內(nèi) 冷 縮 ， 從 而 使 管 子 不 會(huì) 從 管 板 上 脫 落 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 7 由 此 ， 筆 者 選 定 讓 水 走 殼 程 ， 苯 走 管 程 。 對(duì) 水 的 假 定 假 設(shè) 所 用 水 的 水 源 來(lái) 自 于 清 河 水 ， 在 使 用 它 作 為 冷 卻 介 質(zhì) 前 ， 需 對(duì) 其 做一 定 的 化 學(xué) 處 理 ： 先 通 過(guò)

9、 一 凈 水 池 將 較 大 的 顆 粒 除 去 ； 再 通 過(guò) 另 一 凈 水 池 ，使 用 絮 凝 劑 ， 將 鈣 離 子 和 鎂 離 子 沉 淀 ， 這 樣 得 到 的 水 可 近 似 認(rèn) 為 是 污 垢 熱 阻很 小 的 蒸 餾 水 。 同 樣 的 ， 考 慮 到 設(shè) 備 是 長(zhǎng) 期 工 作 的 ， 難 免 保 證 水 不 蒸 發(fā) 、 泄露 而 損 耗 ， 需 進(jìn) 行 定 期 的 補(bǔ) 給 。 水 入 口 溫 度 的 選 定 筆 者 假 定 換 熱 器 的 常 年 平 均 工 作 溫 度 為 20 ， 亦 即 室 外 溫 度 基 本 恒 定 在20 。 符 合 這 樣 條 件 的 地 區(qū)

10、 分 布 在 大 陸 的 低 緯 度 地 區(qū) ， 以 廣 州 地 區(qū) 為 宜 。 所以 ， 水 入 口 的 溫 度 選 擇 為 20 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 8 水 出 口 溫 度 的 設(shè) 計(jì) 思 路 筆 者 是 通 過(guò) 選 擇 泵 來(lái) 確 定 水 的 出 口 溫 度 的 。 下 面 即 為 設(shè) 計(jì) 的 思 路 ： 一 般 情 況 下 ， 水 的 流 速 在 12.5m/s之 間 取 。 取 TR32-160型 離 心 式 液 下 泵 （ 化 工 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) P1530） ， 已 知 其體 積 流 量 qV=9m/h,出 口 直 徑 d為 32mm， 由 u=q

11、V/A解 得 出 口 流 速 為 2.07m/s，正 好 符 合 上 述 的 流 速 范 圍 內(nèi) ； 由 的 選 定 ， 得 到 20 條 件 下 水 的 密 度 為998.2kg/m， 知 道 質(zhì) 量 流 量 qm=qV*=998.2*9kg/h=2.4955kg/s； 在 根 據(jù) 熱 負(fù) 荷 計(jì) 算 式 Q=1Cp1(T1-T2)= 2Cp2 (t2 -t1 ) 可 計(jì) 算 得 水 的 出 口 溫 度 =40.505 40.50 因 此 ， 水 的 出 口 溫 度 設(shè) 定 為 40.5 。 其 中 ， 熱 負(fù) 荷 Q=213580J 2t 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 9 輸 送

12、 苯 對(duì) 應(yīng) 泵 的 選 擇 由 苯 的 年 產(chǎn) 量 可 知 其 質(zhì) 量 流 量 ， 再 由 苯 的 進(jìn) 口 溫 度 查 得 其 對(duì) 應(yīng) 密 度 ， 結(jié)合 質(zhì) 量 流 量 和 入 口 密 度 即 可 求 得 苯 入 口 的 體 積 流 量 （ 為 20.23m3/h） 。 選 用ZA 型 臥 式 離 心 泵 ， 型 號(hào) ZA40-200 對(duì) 應(yīng) C型 葉 輪 ， 額 定 流 量 Q=22m3/h（ 摘自 化 工 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) 下 卷 P1512） 下 面 確 定 泵 操 作 的 流 量 富 余 量 ， 以 確 定 所 選 泵 是 否 符 合 要 求 。 泵 的 流 量 富 余 量 應(yīng)

13、 盡 量 減 少 ， 這 樣 所 選 泵 的 型 號(hào) 、 規(guī) 格 的 額 定 工 況 接 近操 作 工 況 ， 泵 的 一 次 性 投 資 較 小 ， 操 作 效 率 高 ， 節(jié) 省 操 作 費(fèi) 用 。 根 據(jù) 經(jīng) 驗(yàn) ，泵 的 流 量 富 余 量 最 好 在 泵 的 額 定 流 量 5%10%的 范 圍 內(nèi) 。 而 計(jì) 算 得 富 余 量 約 為 8%， 符 合 要 求 。 換 熱 器 設(shè) 計(jì) 壓 力 的 選 定 由 于 條 件 中 所 給 苯 的 進(jìn) 口 溫 度 為 80 ， 而 苯 的 沸 點(diǎn) 也 略 高 于 這 個(gè) 值 ， 因而 不 宜 在 常 壓 下 進(jìn) 行 工 作 ， 需 要 施

14、加 一 定 的 壓 力 ， 使 其 不 宜 蒸 發(fā) 出 來(lái) ， 根 據(jù)后 來(lái) 計(jì) 算 出 的 壓 降 值 （ 很 小 ） 以 及 標(biāo) 準(zhǔn) 的 幾 個(gè) 公 稱(chēng) 壓 力 值 ， 因 此 這 里 的 設(shè) 計(jì)壓 力 定 為 0.6Mpa。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 10 （ 3） 設(shè) 計(jì) 安 排 本 次 設(shè) 計(jì) 首 先 通 過(guò) 換 熱 面 積 的 計(jì) 算 以 及 校 核 值 確 定 所 選用 的 換 熱 器 是 否 合 適 ， 一 旦 選 擇 好 換 熱 器 后 ， 其 內(nèi) 部 總 管子 的 數(shù) 目 以 及 換 熱 面 積 都 是 確 定 的 值 。 根 據(jù) 管 子 的 尺 寸 和數(shù) 目

15、 即 可 進(jìn) 行 相 應(yīng) 的 排 列 。 當(dāng) 壁 溫 和 壓 力 降 的 校 核 結(jié) 果 滿(mǎn)足 后 ， 即 可 進(jìn) 行 附 件 的 設(shè) 計(jì) 。 當(dāng) 計(jì) 算 和 校 核 的 部 分 完 成 后 ，即 可 進(jìn) 行 作 圖 。 筆 者 作 為 組 長(zhǎng) ， 負(fù) 責(zé) 協(xié) 調(diào) 每 一 個(gè) 人 的 分 工 ，從 而 為 后 續(xù) 的 設(shè) 計(jì) 掃 除 障 礙 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 11 三 、 換 熱 面 積 的 估 算 計(jì) 算 定 性 溫 度 ， 確 定 物 理 常 數(shù)管 程 殼 程T=6 7 .5 t=3 0 .2 5 1 =831kg/m3 2=995.7kg/m31 =0.0003

16、58Pa*s 2=0.0008015Pa*sC p1=1 9 0 9 J/(kg*k) Cp2=4 1 7 4 J/(kg*k)1 =0.1315W/(m*k) 2=0.618W/(m*k) 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 12 計(jì) 算 對(duì) 數(shù) 平 均 溫 差 為 了 增 加 傳 熱 的 有 效 性 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 采 用 逆 流 的 方 式 。根 據(jù) 計(jì) 算 式 tm逆 =（ t1- t2） /ln（ t1/ t2 ）其 中 ， t1 =80-40.5（ ） =39.5 t2 =55-20（ ） =35 求 得 tm逆 =37.20 假 設(shè) 所 選 擇 的 流 程 為 單 殼 程 、

17、 雙 管 程 ， 則 流 動(dòng) 的 形 式 為 折 流 ， 需 對(duì) 對(duì) 數(shù) 平 均 溫 度 差 tm 逆 乘 以 校 正 系 數(shù) ， 而 校 正 系 數(shù) 是 輔 助 量 R與 P的 函 數(shù) 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 13 其 中 ， R=（ T1-T2） /（ t2-t1） =1.22 P= (t2-t1)/(T1-t1)=0.342由 化 工 原 理 圖 4-52（ ） 得 出 溫 差 校 正 系 數(shù) 為 0.94。解 得 tm逆 =34.97 估 算 總 傳 熱 系 數(shù) K值 由 化 工 原 理 表 4-4可 知 ， 有 機(jī) 物 水 組 合 中 ， 當(dāng) 有 機(jī) 物 黏 度0

18、.5mpa*s時(shí) ， K的 取 值 范 圍 為 300 800W/（ *k） ， 而 苯 的 1 =0.000358Pa*s2100,得di表 示 列 管 的 內(nèi) 徑 ， 15mm.由 于 管 內(nèi) 的 液 體 被 加 熱 ， 因 此 近 似 取KC=0.3， KE=0.2， K=4將 這 些 數(shù) 值 代 入 Pt的 公 式 中 ， 得 到 Pt=4632Pa500時(shí) ， 21 11 * 0.0077754 TtpassNa d n 1 1 4.4753 /mW q kg s 0.1610.04 0.007959Ref 0.14rt w 0.95rt 0.22825.0*Re 0.78of 固

19、定 管 板 式 列 管 換 熱 器 29 橫 過(guò) 管 束 中 心 線 的 管 子 數(shù) nc=1.1* =10.31 取nc=11折 流 板 數(shù) NB=14殼 程 流 速 u2=0.161m/s解 得 流 體 通 過(guò) 折 流 板 缺 口 的 壓 強(qiáng) 降折 流 板 間 距 h=0.2m殼 體 內(nèi) 徑 D=0.325m 一 般 的 ， 流 體 流 經(jīng) 換 熱 器 進(jìn) 出 口 導(dǎo) 致 的 壓 降 可 忽略 。 對(duì) 于 液 體 殼 程 壓 強(qiáng) 降 的 結(jié) 垢 校 正 系 數(shù)Fs=1.5 TN32 995.7 /mkg 水 221 *u( 1)* 2o c BP Ff n N 水1 830PaP 222

20、*u2*(3.5 )* 410 a2B hP N PD 水 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 30 殼 程 數(shù) Ns=1因 此 ， 殼 程 的 壓 力 降 也 是 符 合 要 求 的 。1 2( )* * 1860 a 10s SoP P P F N P KPa 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 31 九 、 設(shè) 計(jì) 一 覽 表水 進(jìn) 口 溫 度 2 0 面 積 裕 量 （ 非 有 效 ） 2 2 .0 9 %水 出 口 溫 度 4 0 .5 實(shí) 際 外 壁 壁 溫 4 1 苯 的 質(zhì) 量 流 量 4 .4 7 5 3 kg/s 管 長(zhǎng) 3 m水 的 質(zhì) 量 流 量 2 .4 9

21、5 5 kg/s 管 徑輸 送 水 的 泵 型 號(hào) TR3 2 -1 6 0 型 管 子 數(shù) 目 8 8輸 送 苯 的 泵 型 號(hào) ZA4 0 -2 0 0 型 折 流 板 數(shù) 目 1 4管 、 殼 程 設(shè) 計(jì) 壓 力 0 .6 MPa 折 流 板 間 距 2 0 0 mm管 程 壓 力 降 4 6 3 2 Pa 拉 桿 和 定 距 桿 數(shù) 目 4殼 程 壓 力 降 1 8 6 0 Pa 管 子 在 管 板 上 排 列 方 式 正 三 角 形設(shè) 計(jì) 傳 熱 面 積 (非有 效 ) 1 5 .2 排 列 管 的 中 心 距 2 5 mm計(jì) 算 傳 熱 面 積 1 2 .4 5 殼 體 內(nèi) 徑 3

22、 2 5 mm19*2 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 32 十 、 設(shè) 計(jì) 創(chuàng) 新 點(diǎn) 在 整 個(gè) 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 的 計(jì) 算 步 驟 中 ， 我 是 通 過(guò) 選 擇 泵 來(lái) 確 定 水 的 出 口 溫 度 的 。 這 樣 做 的 好 處 是 ， 一 方 面 能 夠 使 水 滿(mǎn) 足 在 其 正 常 的 流 速 范 圍 中 工 作（ 12.5m/s） ， 不 至 于 對(duì) 設(shè) 備 造 成 較 大 的 沖 擊 影 響 ， 另 一 方 面 也 能 為 實(shí) 際 的生 產(chǎn) 帶 來(lái) 方 便 ， 即 直 接 可 利 用 所 選 擇 的 泵 ， 且 符 合 其 工 作 范 圍 之 內(nèi) ， 以 期 達(dá)到

23、 生 產(chǎn) 中 的 有 效 利 用 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 33 十 一 、 設(shè) 計(jì) 中 的 不 足 點(diǎn) 及 需 改 進(jìn) 之 處第 一 ， 我 們 設(shè) 計(jì) 的 常 年 工 作 室 溫 為 20 ， 但 這 一 條 件 常 常 不 能 夠 嚴(yán) 格 符合 ， 我 們 需 考 慮 到 在 當(dāng) 地 一 些 極 端 情 況 下 的 溫 度 情 況 ， 即 利 用 歷 史 氣象 數(shù) 據(jù) ， 計(jì) 算 在 極 端 情 況 下 的 換 熱 器 工 作 情 況 ， 再 對(duì) 其 作 出 取 舍 ；第 二 ， 盡 管 接 觸 了 大 量 的 文 獻(xiàn) ， 在 附 件 的 選 擇 中 依 然 查 不 到

24、 一 些 附 件 的質(zhì) 量 ， 這 是 我 們 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 的 不 完 整 之 處 ；第 三 ， 在 工 作 中 的 協(xié) 調(diào) 問(wèn) 題 。 我 在 協(xié) 調(diào) 作 圖 員 與 設(shè) 備 員 的 方 面 做 得 不 夠好 ， 以 致 后 期 制 圖 時(shí) ， 某 些 尺 寸 和 查 資 料 所 得 尺 寸 有 不 同 之 處 。 總 之 ，在 工 作 之 前 ， 一 定 要 明 確 每 個(gè) 組 員 之 間 的 關(guān) 系 ， 這 樣 才 能 更 好 地 實(shí) 現(xiàn)組 內(nèi) 效 率 最 大 化 ；第 四 ， 作 圖 時(shí) ， 某 些 剖 面 線 畫(huà) 得 比 較 粗 ， 粗 細(xì) 不 勻 ， 沒(méi) 有 嚴(yán) 格 按 照 標(biāo) 準(zhǔn)區(qū) 分 各 類(lèi) 線 。 固 定 管 板 式 列 管 換 熱 器 34 十 二 、 工 作 總 結(jié)