換熱器課程設(shè)計(jì)--年處理量2.0×105噸柴油冷卻器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　1、設(shè)計(jì)題目：年處理量2.0×105噸柴油冷卻器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2、操作條件：</b></p><p>　?。?）柴油：入口溫度175℃；出口溫度90℃；</p><p>　　（2）冷卻介質(zhì)：采用

2、循環(huán)水，入口溫度20℃，出口溫度50℃； </p><p>　　（3）允許壓降：不大于105Pa；</p><p>　　（4）柴油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　?。?）每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)。</p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　?。?

3、）處理能力：200000t/a柴油；</p><p>　　（2）設(shè)備型式：列管式換熱器；</p><p>　?。?）選擇適宜的列管換熱器并進(jìn)行核算；</p><p>　　（4）繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，并編寫設(shè)計(jì)說明書。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　柴

4、油冷卻器是幫助柴油散熱的一個(gè)裝置。本次課程設(shè)計(jì)采用浮頭式換熱器來實(shí)現(xiàn)柴油冷卻。在設(shè)計(jì)中，主要以循環(huán)水為冷卻劑，在給定的操作條件下對柴油冷卻器進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：1、設(shè)計(jì)方案的確定：換熱器類型的選擇、流動(dòng)空間的選擇等。2、換熱器的工藝計(jì)算：換熱器面積的估算、換熱器工藝尺寸的計(jì)算、換熱器的核算等。3、操作條件圖等內(nèi)容。</p><p>　　關(guān)鍵詞：柴油；循環(huán)水；浮

5、頭式換熱器；傳熱</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Diesel oil cooler is a device of cooling diesel . This course design use floating head heat exchanger to achieve diesel cooling. In the des

6、ign, water is the mainly circulating agent for cooling, in the operating condition of given to design the diesel oil cooler .</p><p>　　This design content includes: 1, the determined of the design scheme : t

7、he choice of the heat exchanger type , the choice of mobile space. 2 and the technical calculation of heat exchanger : the area of heat exchanger ,the estimation of heat exchanger process calculation,and the size account

8、ing of the heat exchanger . 3, operating conditions figure, etc.</p><p>　　Keywords: diesel oil; recirculated water;head type heat exchanger ;heat transfer</p><p><b>　　目錄</b></p>

9、;<p><b>　　摘要II</b></p><p>　　ABSTRACTIII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1換熱器技術(shù)概況1</p><p>　　1.2換熱器的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢1</p><p>

10、　　1.2.1換熱器的發(fā)展歷程1</p><p>　　1.2.2換熱器的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3換熱器的應(yīng)用2</p><p>　　1.4新型換熱器2</p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)方案4</p><p>　　2.1 換熱器類型的選擇4</p><p>　　2.1.1

11、換熱器的分類4</p><p>　　2.1.2換熱器的選擇7</p><p>　　2.2 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.2.1 換熱管布置和排列間距7</p><p>　　2.2.2 管板8</p><p>　　2.2.3 封頭和管箱9</p><p>　　2.2.4

12、殼體9</p><p>　　2.2.5 折流板9</p><p>　　2.2.6 緩沖板10</p><p>　　2.3流動(dòng)空間的選擇10</p><p>　　2.4流速的確定11</p><p>　　2.5加熱器、冷卻器的選擇11</p><p>　　2.6流體出口溫度的確定11

13、</p><p>　　2.7材質(zhì)的選擇12</p><p>　　第3章?lián)Q熱器的工藝計(jì)算13</p><p>　　3.1確定設(shè)計(jì)方案13</p><p>　　3.1.1選擇換熱器類型13</p><p>　　3.1.2流體間流速確定13</p><p>　　3.2基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)13<

14、;/p><p>　　3.2.1定性溫度13</p><p>　　3.2.2殼程柴油的定性溫度13</p><p>　　3.2.3管程循環(huán)水的定性溫度13</p><p>　　3.2.4柴油物性數(shù)據(jù)13</p><p>　　3.2.5循環(huán)水物性數(shù)據(jù)14</p><p>　　3.3 換熱面面積

15、的計(jì)算14</p><p>　　3.3.1熱負(fù)荷與熱換量14</p><p>　　3.3.2平均傳熱溫差14</p><p>　　3.3.3冷卻用水量15</p><p>　　3.3.4初選換熱器15</p><p>　　3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算15</p><p>　　3.4.1管

16、程數(shù)和傳熱管數(shù)15</p><p>　　3.4.2傳熱管排列和分程的選擇15</p><p>　　3.4.3 殼程內(nèi)徑的計(jì)算16</p><p>　　3.4.4 折流板的選擇16</p><p>　　3.4.5 接管計(jì)算16</p><p>　　3.5換熱器核算16</p><p>

17、　　3.5.1 殼程對流傳熱系數(shù)16</p><p>　　3.5.2 管程對流傳熱系數(shù)17</p><p>　　3.5.3 壁面污垢熱阻18</p><p>　　3.5.4 傳熱面積18</p><p>　　3.5.5 換熱器的內(nèi)流體阻力19</p><p>　　3.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果20&l

18、t;/p><p>　　工藝設(shè)計(jì)主要符號說明21</p><p><b>　　結(jié)束語22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　附錄24</b></p><p>　　油氣儲(chǔ)運(yùn)課程設(shè)計(jì)教師評分表26<

19、;/p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1換熱器技術(shù)概況</p><p>　　換熱器 英語翻譯heat exchanger是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備又稱熱交換器。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;另一流流體則溫度較低,吸收熱量。</p><p>　

20、　換熱器是化學(xué)、石油化學(xué)及石油煉制工業(yè)中以及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備，他不僅可以單 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，因此在此化工生產(chǎn)中占有重要的地位。</p><p>　　近年來,由于新科學(xué)技術(shù)和節(jié)約能源的發(fā)展,對被廣泛應(yīng)用的換熱器,提高換熱器的傳熱性能和開發(fā)新的節(jié)能型換熱器,已成為換熱器設(shè)計(jì)、制造方面的重要課題。為此,各國對換熱器都進(jìn)行了許多研究工作,成立了專門的傳

21、熱研究機(jī)構(gòu),如美國早在1962年就成立了“傳熱研究公司”(HTRI);英國在1967年成立的“傳熱與流體流動(dòng)服務(wù)處”(HTPS),設(shè)在南斯拉夫的“國際傳熱傳質(zhì)中心”(I CHMT)等等。此外,還有定期召開的國際傳熱專題會(huì)議,在這些會(huì)議上發(fā)表的論文很多,涉及到的課題也很廣泛,都是比較引人注意的問題。</p><p>　　1.2換熱器的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢</p><p>　　換熱器從出現(xiàn)到將近

22、一百年,通過人們的不斷實(shí)踐,發(fā)展成很多種類。但是傳統(tǒng)的設(shè)備都是比較復(fù)雜、笨重。如今正在往輕型化的趨勢發(fā)展，這種趨勢不僅能為國家節(jié)省鋼鐵資源，還能帶來一系列多米諾骨牌效應(yīng)一樣的經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p>　　1.2.1換熱器的發(fā)展歷程</p><p>　　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

23、制成螺旋板換熱器。接著英國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)的換熱問題，人們開始注意新型材料制成的換熱器。 </p><p>　　60年代左右，由于空間技術(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，

24、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。</p><p>　　70年代中期，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年代的世界能源危機(jī)有力促進(jìn)了換熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能將耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)適用于不同工業(yè)過程要求的高效換熱設(shè)備。所以這些年來，換熱器的開發(fā)和研

25、究成了人們關(guān)注的課題。當(dāng)今換熱器技術(shù)的發(fā)展以CFD(計(jì)算流體力學(xué)技術(shù))、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)等形成一個(gè)高技術(shù)體系。所謂提高換熱器性能就是提高其傳熱性能。狹義的強(qiáng)化傳熱系數(shù)指提高流體和傳熱之間的傳熱系數(shù)。 </p><p>　　近年來，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，強(qiáng)化換熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與工況設(shè)計(jì)制造了不同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器，也取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。</p&

26、gt;<p>　　1.2.2換熱器的發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著我國石化、鋼鐵等行業(yè)的快速發(fā)展，換熱器的需求水平大幅上漲，未來國內(nèi)市場需求將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：對產(chǎn)品質(zhì)量水平提出了更高的要求，如環(huán)保、節(jié)能型產(chǎn)品將是今后發(fā)展的重點(diǎn)要求產(chǎn)品性價(jià)比提高；對產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化的需求趨勢強(qiáng)烈，逐漸注意品牌產(chǎn)品的選用。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的良好機(jī)遇，以及進(jìn)口產(chǎn)品巨大的可轉(zhuǎn)化性共同預(yù)示著我國換熱器行業(yè)良好的發(fā)展前景

27、。同時(shí)，行業(yè)發(fā)展必須要注重對現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)和高端產(chǎn)品的研發(fā)。</p><p><b>　　1.3換熱器的應(yīng)用</b></p><p>　　換熱器可以是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，也可作為其他工藝設(shè)備的一個(gè)組成部件。其作用主要有：</p><p>　　改變物料的溫度和相態(tài)，以滿足工藝要求；</p><p>　　進(jìn)行能量回收（余熱回收）

28、，以提高過程能量利用效率，節(jié)省能耗；</p><p>　　維持設(shè)備內(nèi)必要的工作溫度，以保證設(shè)備運(yùn)行的安全性與操作條件。如壓縮機(jī)氣缸的冷卻夾套、反應(yīng)器床層內(nèi)的換熱部件。</p><p>　　換熱器的應(yīng)用十分廣泛，在石油工業(yè)中，換熱器的投資約占總設(shè)備投資的30%~40%。換熱器在石油工業(yè)中的應(yīng)用：a.各種油品的加熱及冷卻、乙烯冷箱 b.塔頂氣體的冷凝、冷卻 c.工廠冷卻水、循環(huán)水系統(tǒng) d.天然

29、氣體凈化、工廠氣體凈化 e.工作酸性水處理 f.余熱回收 g.海洋鉆井平臺(tái)用海水冷卻、循環(huán)淡水冷卻、脫鹽裝置、淡水蒸餾、三甘醇脫水時(shí)進(jìn)行熱回收</p><p><b>　　1.4新型換熱器</b></p><p>　　1.螺旋折流板換熱器 螺旋折流板換熱器突破了殼層介質(zhì)流橫向垂直和管子相切的傳統(tǒng)觀念。由若干塊四分之一殼體橫截面的扇形折流板呈螺旋狀自進(jìn)口處向出口處推

30、進(jìn)，這樣介質(zhì)在整個(gè)殼體中連續(xù)、平穩(wěn)、旋轉(zhuǎn)著流動(dòng)，避免了大角度折返帶來的嚴(yán)重壓力損失，減少了能耗。同時(shí)由于折流板呈螺旋分布使殼體介質(zhì)流產(chǎn)生旋渦，從圓心到半徑方向存在較大速度梯度，這個(gè)梯度場能有效的在管子表面產(chǎn)生湍流，使邊界減薄，提高膜傳熱系數(shù)。</p><p>　　圖1-1 螺旋折流板換熱器</p><p>　　2.麻花扁管換熱器 麻花扁管的制造包括“壓扁”和“熱扭”兩個(gè)工序。由于管

31、子結(jié)構(gòu)獨(dú)特是管程和殼程同時(shí)處于螺旋流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了湍流。該換熱器的傳熱系數(shù)叫現(xiàn)有換熱器提高40%，而壓力降幾乎相等。</p><p>　　特點(diǎn)：改進(jìn)了傳熱，減少了污垢，真正逆流，無振動(dòng)，節(jié)省空間，無折流元件，降低了成本。</p><p>　　圖1-2 麻花扁管換熱器</p><p>　　Hitan繞絲花環(huán)換熱器 該型換熱器是英國Cal Gavin Ltd公司開發(fā)的

32、一種新產(chǎn)品,采用一種稱之為Hitan matrix elements的絲狀花內(nèi)插物,可使流體在低速下產(chǎn)生徑向位移和螺旋流相疊加的三維復(fù)雜流動(dòng),可提高誘發(fā)湍流和增強(qiáng)沿溫度梯度方向上的流體擾動(dòng),能在不增加阻力的條件下大大提高傳熱系數(shù)。</p><p>　　氣動(dòng)噴涂翅片管換熱器 通常在實(shí)踐中翅片底面的接觸阻力是限制管子加裝翅片的因素之一。采用在翅片表面噴涂AC-鋁,并添加了24A白色電爐氧化鋁的試驗(yàn)，將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

33、加以整理,便可評估翅片底面的接觸阻力。氣動(dòng)噴涂翅片的底面的接觸阻力對效率無實(shí)質(zhì)性影響。氣動(dòng)噴涂法不但可用于成型,還可用來將按普通方法制造的翅片固定在熱換器管子的表面上,也可用來對普通翅片的底面進(jìn)行補(bǔ)充加固?？梢灶A(yù)計(jì),氣動(dòng)噴涂法在緊湊高效的換熱器生產(chǎn)中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用</p><p><b>　　第2章 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　化工生產(chǎn)中所用的換熱器類型很

34、多。不同類型換熱器，其性能各異，因此要了解各種換熱器的特點(diǎn)，以便根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)類型。同時(shí)，還要根據(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)算流體阻力等。</p><p>　　2.1 換熱器類型的選擇</p><p>　　2.1.1換熱器的分類</p><p>　　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

35、的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。</p><p>　　按照冷熱物料間接觸方式，換熱器可以分為直接式換熱器、蓄熱式換熱器、表面式換熱器（間壁式換熱器）。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易等特點(diǎn)，但由于在換熱過程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應(yīng)用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。</p><p>　　間壁式換熱器的類型也是多種多樣，按照

36、基本換熱元件的型態(tài)可分為管式和板式兩大類。后者有多重形式其中有間壁由若干平行的板面構(gòu)成，冷熱流體的流道可以都做的很窄，故單位體積中能容納較多的傳熱面，即有較高的緊湊度，。為進(jìn)一步提高換熱器的緊湊度與傳熱效果，可以采用擴(kuò)展表面（例如管翅式）和其他強(qiáng)化措施，具體分類如下：</p><p>　　一、管式換熱器 </p><p>　　1、管殼式換熱器 </p><p

37、>　?。?）固定管板式換熱器（2）浮頭式換熱器（3）U型管式換熱器</p><p><b>　　2、套管式換熱器</b></p><p>　　3、蛇管換熱器 </p><p>　?。?）沉浸式蛇管換熱器（2）噴淋式蛇管換熱器</p><p><b>　　4、翅片管換熱器</b><

38、;/p><p>　　二、板式換熱器 </p><p><b>　　1、夾套換熱器</b></p><p><b>　　2、平板式換熱器</b></p><p><b>　　3、螺旋板式換熱器</b></p><p><b>　　4、板翅式換熱

39、器</b></p><p><b>　　5、傘板換熱器</b></p><p><b>　　6、螺旋板式換熱器</b></p><p><b>　　三、熱管換熱器</b></p><p>　　不同的換熱器各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件。一般來說，板式換熱器單位體積的傳熱

40、面積較大、設(shè)備緊湊250～1500，低耗材，傳熱系數(shù)大，熱損失小。但承壓能力較低，工作介質(zhì)的處理量較小，且制造加工較復(fù)雜，成本較高。而管式換熱器雖然在傳熱性能和設(shè)備的緊湊性上不及板式換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)較簡單、加工制造比較容易，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，性能可靠，適應(yīng)面廣等突出優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于化工生產(chǎn)中。</p><p>　　列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)

41、地位。列管式換熱器設(shè)計(jì)資料個(gè)數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多國家已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　列管式換熱器有以下幾種：</p><p>　　1）固定管板式換熱器</p><p>　　由殼體、管板、管束、封頭、折流擋板、接管等部件組成。管子兩端與管板的連接方式可用焊接法或膨脹法固定，殼體則同管板焊接，從而管束、管板與殼體成為一個(gè)不可拆卸的整體。</p>

42、<p>　　優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造成本低；管內(nèi)不易結(jié)垢，及時(shí)產(chǎn)生了污垢也便于清洗。</p><p>　　缺點(diǎn)：課殼程檢修和清洗困難。</p><p>　　主要適用于殼體和管束溫差小，管外物料比較清潔，不易結(jié)垢的場合。當(dāng)冷熱劉體檢溫差超過50℃時(shí)，應(yīng)加補(bǔ)償圈以減少熱應(yīng)力。</p><p>　　圖2-1 固定管板式換熱器</p><p

43、><b>　　U形管式換熱器</b></p><p>　　該換熱器的每根管子都呈U形，管子的兩端固定在同一塊板上。封頭內(nèi)用隔板分成兩室，管程至少為兩程。管子可自由伸縮，與殼體無關(guān)。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊管板，質(zhì)量輕，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。</p><p>　　缺點(diǎn)：膽管內(nèi)清洗困難，制造困難

44、，管板利用率低，報(bào)廢率較高。</p><p>　　適用于高溫、高壓、管內(nèi)為清潔流體的場合。</p><p>　　圖2-2 U型管式換熱器</p><p><b>　　3）浮頭式換熱器</b></p><p>　　其兩端管板之一不與外殼連接，可以沿管長方向浮動(dòng)，該端成為浮頭。當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起膨脹時(shí)，管束連同浮

45、頭可在殼體內(nèi)沿軸自由伸縮，可完全消除熱應(yīng)力。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)換熱管與殼體有溫差存在，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；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間清洗和維修。</p><p>　　缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜沒用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮頭管間若密封不嚴(yán)，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。</p><p>　　適用于兩流體溫差較大的各種物料的熱換，

46、應(yīng)用較為普遍。</p><p>　　圖2-3 浮頭式換熱器</p><p><b>　　4)填料函式換熱器</b></p><p>　　該換熱器是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束不可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差恩引起的溫差壓力。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，

47、耗材少，造價(jià)也較浮頭式的低；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。</p><p>　　缺點(diǎn)：填料函耐壓不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏。</p><p>　　對易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用。</p><p>　　圖2-4 填料函式換熱器</p><p>　　2.1.2換熱器的選擇</p><p&

48、gt;　　各種換熱器各有其適合場合，選用時(shí)應(yīng)該根據(jù)工藝要求、廠區(qū)特點(diǎn)、不同型式換熱器對介質(zhì)和操作條件的適應(yīng)性以及設(shè)備制造費(fèi)用和操作費(fèi)用等因素進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合權(quán)衡。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)還應(yīng)同時(shí)恰當(dāng)?shù)倪x用其結(jié)構(gòu)材料，要根據(jù)設(shè)備的操作壓力和溫度、介質(zhì)的腐蝕性、材料的加工工藝性能和價(jià)格因素等方面綜合考慮。作為換熱元件的材料應(yīng)該有較高的導(dǎo)熱性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性。在石油化工行業(yè)中，更需注意材料的耐蝕性。選材不當(dāng)，既影響換熱器的使用壽命和安全性，也可

49、能不必要的是設(shè)備的成本大為提高。在我國隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下基本要求：</p><p>　　1 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件；</p><p><b>　　2 結(jié)構(gòu)安全可靠；</b></p&

50、gt;<p>　　3 便于制造、安裝、操作和維修；</p><p><b>　　4 經(jīng)濟(jì)上合理。</b></p><p>　　浮頭式換熱器屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱

51、，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。</p><p>　　綜合上述情況 本次設(shè)計(jì)采用浮頭式換熱器。</p><p>　　2.2 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1 換熱管布置和排列間距</p><p>　　常用換熱管規(guī)格有、（1Cr18Ni9Ti）、(碳鋼 10)。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

52、和同心圓排列。</p><p>　　正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清理；同心圓排列用于小直徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我過換熱器系列中，固定管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，也偶正三角形排列。</p><p>　　對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝個(gè)班，采用正方形排列方式。</p>

53、<p>　　管心距（管中間的距離）t與管外徑的比值，焊接時(shí)為1.25，脹接時(shí)為1.35~1.5。</p><p>　　圖2-1 換熱管排列方式</p><p><b>　　2.2.2 管板</b></p><p>　　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開來。</p><p>　　管板與管

54、子的連接可用脹接或焊接。脹接發(fā)是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封固定的目的。</p><p>　　焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴(yán)密性。</p><p>　　管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩種。固定管板常采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上并兼做法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管內(nèi)。浮頭式、U型管式等為使殼體清洗方便，常將管板夾在殼體法

55、蘭和頂蓋法蘭之間構(gòu)成可拆連接。</p><p>　　2.2.3 封頭和管箱</p><p>　　封頭和管箱位于殼體兩端，起其作用是控制及分配管程流體。</p><p>　　封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用發(fā)法蘭和螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。</p><p>　　管箱 殼徑較大的換熱器大

56、多采用管箱結(jié)構(gòu)。管箱具有一個(gè)可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時(shí)無須拆下管箱。</p><p>　　分程隔板 當(dāng)西藥的換熱面積很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多著可達(dá)16程，常用的有1、4、6程，其布置方案見表3-2.在布置時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與課程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄

57、露，以防止流體的短路。</p><p><b>　　圖2-2 管程布置</b></p><p><b>　　2.2.4 殼體</b></p><p>　　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)入和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mm的可用鋼板卷焊而成。</p><

58、;p>　　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。</p><p><b>　　2.2.5 折流板</b></p><p>　　在殼程管束中們一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳

59、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)盤型和孔流型等。</p><p><b>　　2.2.6 緩沖板</b></p><p>　　在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可以防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布

60、，提高傳熱效率。</p><p>　　一般浮頭式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性</p><p>　　1.管束可以抽出，以方便清洗管、殼程 </p><p>　　2.介質(zhì)間溫差不受限制 </p><p>　　3.可以在高溫高壓下工作， 一般溫度小于等于450℃，壓力小于等于64Mpa</p><p>

61、;　　4.可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合</p><p>　　5.多用于管程腐蝕場合</p><p>　　6.但小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏金屬材料耗量大成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜。</p><p>　　2.3流動(dòng)空間的選擇</p><p>　　在管殼式換熱器的計(jì)算中,首先需決定何種流體走管程,何種流體走殼程,這需遵循一些一般原則。</p><

62、;p>　　易結(jié)垢流體應(yīng)走易于清洗的一側(cè)。對于固定管板式、浮頭式換熱器，一般應(yīng)使易結(jié)垢流體流經(jīng)管程；但對于U型換熱器，易結(jié)垢流體流經(jīng)殼程。</p><p>　　若在設(shè)計(jì)上需要提高流體的流速，以提高傳熱膜洗漱。在這種情況下，應(yīng)將需提高流速的流體放在管程。這是因?yàn)楣艹塘魍ń孛娣e較小，且易于采用多管程結(jié)垢，以提高流速。</p><p>　　具有腐蝕性的流體應(yīng)走管程，以免管束與殼體同時(shí)受到腐蝕

63、，同時(shí)這樣也可以節(jié)約耐腐蝕材料，降低換熱器成本。</p><p>　　壓力高的流體應(yīng)走管程，這是因?yàn)楣茏又睆捷^小，承壓能力強(qiáng)，能夠頭避免采用耐壓的殼體和密封措施。</p><p>　　溫度很高的（很低的）物料應(yīng)走管內(nèi)，以減少熱量（冷量）的散失。</p><p>　　粘度大的流體走殼程，因?yàn)闅こ虄?nèi)的流體在折流板的作用下，流通截面和方向都不斷變化，在較低的雷諾數(shù)下就可以

64、達(dá)到湍流狀態(tài)。</p><p>　　有毒的流體宜走管程，以減少向環(huán)境泄露的機(jī)會(huì)。</p><p>　　若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數(shù)α較大的流體宜走殼程，因?yàn)楸跍亟咏鼈鳠崮は禂?shù)較大的流體溫度，以較小管壁和殼壁的溫度差。</p><p>　　所以 此次方案設(shè)計(jì)循環(huán)水走管程,柴油走殼程。</p><p><b>　　2.4流速的確定&

65、lt;/b></p><p>　　提高流體在換熱器中的流速，將增大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需傳熱面積減少，設(shè)備費(fèi)用降低。但是，流速增加，流體阻力也將相應(yīng)增大，操作費(fèi)用增加。因此，選用適宜的流速是是十分重要的，適宜的流速應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)核算來確定。一般，盡可能使管程內(nèi)流體的Re>(同時(shí)也要注意其他方面的合理性)，高粘度流體常按層流設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在

66、下列表中列出一些工業(yè)上常用的流體流速范圍，以供參考。</p><p>　　表2-1 換熱器常用流速的范圍</p><p>　　表2-2 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速</p><p>　　2.5加熱器、冷卻器的選擇 </p><p>　　在換熱過程中加熱器和冷卻器的選用根據(jù)實(shí)際情況而定。除應(yīng)滿足加熱和冷卻溫度外，還應(yīng)考慮來

67、源方便，價(jià)格低廉，使用安全。在化工生產(chǎn)中常用的加熱劑有飽和水蒸汽、導(dǎo)熱油，冷卻劑有水。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)需使用冷卻劑，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)已給出選，用循環(huán)水作為冷卻劑。</p><p>　　2.6流體出口溫度的確定</p><p>　　工藝流體的進(jìn)出口溫度是由工藝條件決定，加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度也是確定的，但其出口的溫度是由設(shè)計(jì)者選定的。該溫度直接影響加熱劑或冷

68、卻劑的耗量和換熱器的大小，所以此溫度的確定有一個(gè)優(yōu)化問題。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)中，流體進(jìn)出口的溫度已給出。</p><p><b>　　2.7材質(zhì)的選擇</b></p><p>　　在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零件、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材

69、料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮，是比較容易達(dá)到的，但材料的耐腐蝕性能，有時(shí)往往成為一個(gè)復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。</p><p>　　一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。</p><p><b>　

70、　1、碳鋼</b></p><p>　　價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用時(shí)合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管，其常用的材料為10號和20號碳鋼。</p><p><b>　　2、不銹鋼</b></p><p>　　奧氏體系不銹鋼以1Cr18Ni9為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8

71、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。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用碳鋼材料的換熱器即可。</p><p>　　第3章?lián)Q熱器的工藝計(jì)算</p><p><b>　　3.1確定設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　3.1.1選擇換熱器類型</p><p>　　兩流體溫

72、度變化情況：熱流體（柴油）進(jìn)口溫度175℃，出口溫度90℃；冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度20℃，出口溫度50℃。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頭式換熱器。</p><p>　　3.1.2流體間流速確定</p><p>　　由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，為了便于水垢的清洗，應(yīng)采用循環(huán)水走管程，柴油走殼程。選用φ25×2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)流速取u=1.5m/s。<

73、;/p><p><b>　　3.2基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　3.2.1定性溫度</b></p><p>　　取流體進(jìn)口溫度的平均值為定性溫度。</p><p>　　3.2.2殼程柴油的定性溫度</p><p>　　3.2.3管程循環(huán)水的定性溫度</p

74、><p>　　3.2.4柴油物性數(shù)據(jù)</p><p>　　由手冊查得 柴油在定性溫度下物性數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p><b>　　定壓比熱容 </b></p>

75、<p><b>　　導(dǎo)熱系數(shù) </b></p><p>　　3.2.5循環(huán)水物性數(shù)據(jù)</p><p>　　循環(huán)冷卻水在下的物性數(shù)據(jù)</p><p><b>　　密度 </b></p><p><b>　　粘度 </b></p><p>&l

76、t;b>　　定壓比熱容 </b></p><p><b>　　導(dǎo)熱系數(shù) </b></p><p>　　3.3 換熱面面積的計(jì)算</p><p>　　3.3.1熱負(fù)荷與熱換量</p><p><b>　　熱負(fù)荷 </b></p><p><b>　

77、　熱換量 </b></p><p>　　3.3.2平均傳熱溫差</p><p>　　由R、P查圖得換熱器的溫度校正系數(shù) </p><p><b>　　平均傳熱溫差 ℃</b></p><p>　　3.3.3冷卻用水量</p><p>　　3.3.4初選換熱器</p>&

78、lt;p><b>　　設(shè)初選換熱器 </b></p><p><b>　　則估算面積 </b></p><p>　　考慮15%的換熱裕度則 </p><p>　　3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算</p><p>　　3.4.1管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)

79、徑和流速確定當(dāng)程傳熱管數(shù)</p><p>　　按單管程計(jì)算，所需傳熱管長度為</p><p>　　按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。先取傳熱管長L=4.5m，則該換熱器管程數(shù)為</p><p>　　則傳熱管總根數(shù) 根</p><p>　　3.4.2傳熱管排列和分程的選擇</p><p>　　采用組合法排列

80、，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</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　橫過管束中心線的管束 </p><p>　　3.4.3 殼程內(nèi)徑的計(jì)算</p><p><b>　　圓整后 </b></p><p>　　3.4.

81、4 折流板的選擇</p><p><b>　　采用弓形折流板</b></p><p><b>　　塊</b></p><p>　　折流板圓缺面：水平裝置。</p><p>　　3.4.5 接管計(jì)算</p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品速度為u=1.0m/s&l

82、t;/p><p><b>　　則接管內(nèi)徑為</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm。</p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速2m/s</p><p><b>　　則接管內(nèi)徑為</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為90mm</p>

83、<p><b>　　3.5換熱器核算</b></p><p>　　3.5.1 殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　對圓缺形折流板，可采用克恩公式：</p><p>　　當(dāng)量直徑，由正三角形排列得</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>

84、　　課程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p><b>　　普朗特常數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　3.5.2 管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通面積</b></p><p>　　管程流

85、體流速及其雷諾數(shù)分別為</p><p><b>　　普朗特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p>　　3.5.3 壁面污垢熱阻</p><p>　　3.5.4 總傳熱系數(shù)K</p><p>　　3.5.4 傳熱面積</p><p><b>　　換熱器實(shí)際傳熱面積</b></p&g

86、t;<p>　　該換熱器的面積裕度為</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　3.5.5 換熱器的內(nèi)流體阻力</p><p><b>　　管程流動(dòng)阻力</b></p><p>　　NS=1，NP=4，F(xiàn)t=1.4</p><p><

87、b>　　，</b></p><p>　　由Re=20456，傳熱管相對粗糙度，查圖——摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系得，流速，，</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　殼程流動(dòng)阻力</b><

88、;/p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，，，，</b></p><p>　　殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。</p><p>　　3.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果</p><p>　　工藝設(shè)計(jì)主要符號說明</p><p><

89、b>　　1.英文字母</b></p><p><b>　　2.下標(biāo)</b></p><p><b>　　3.希臘字母</b></p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　在課程設(shè)計(jì)這段時(shí)間內(nèi)，我學(xué)到了很多，也收獲了很多。</p>

90、<p>　　首先，課程設(shè)計(jì)鍛煉了我的信息搜集能力和信息處理能力。在此次課程設(shè)計(jì)期間，我開始學(xué)著通過各種途徑查閱相關(guān)資料，并對大量資料進(jìn)行整合和篩選，挑選出我所需要的，這對于我今后的研究和學(xué)習(xí)有很大的幫助。其次，課程設(shè)計(jì)檢驗(yàn)了我對學(xué)過知識(shí)的運(yùn)用情況以及我在短時(shí)間內(nèi)理解陌生知識(shí)并將其變?yōu)樽约旱闹R(shí)的能力。而且這次課程設(shè)計(jì)中，有些東西必須是靠自己獨(dú)立去完成的，提高了我獨(dú)立自主的能力，另一方面，有些不懂的、計(jì)算錯(cuò)誤卻不知道原因的又

91、必須和同學(xué)們討論研究，也提高了我團(tuán)隊(duì)合作的能力。</p><p>　　同時(shí)，在這次課程設(shè)計(jì)中，我鞏固加強(qiáng)了對Excel表格、Word文檔以及CAD制圖軟件的運(yùn)用，讓我對這些計(jì)算機(jī)軟件的運(yùn)用更加熟練自如。</p><p>　　本設(shè)計(jì)在編寫過程中，得到邵寶力老師以及油氣1002班同學(xué)們的指導(dǎo)與幫助，在此表示衷心的感謝！本設(shè)計(jì)還參考了一些化工石油設(shè)計(jì)著作，在此特向有關(guān)作者致意！</p>

92、;<p>　　由于本人水平有限，設(shè)計(jì)之中難免存在不妥之處，希望老師與讀者批評指正！</p><p><b>　　XXXX</b></p><p><b>　　2012.12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]賈紹義，柴

93、城敬.化工原理課程設(shè)計(jì).天津：天津大學(xué)出版社，2002：40~45</p><p>　　[2]王國勝.化工原理課程設(shè)計(jì)第二版.大連：大連理工大學(xué)出版，2006：39</p><p>　　[3]王衛(wèi)東.化工原理課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：137~163</p><p>　　[4]王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：562~567&l

94、t;/p><p>　　[5]百度文庫.教育專區(qū).高等教育.工學(xué).換熱器的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢</p><p>　　[6]百度文庫.教育專區(qū).高等教育.工學(xué).國外新型換熱器</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　表1 列管式換熱器中常用的流速范圍</p><p>　　表2 列管式