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化工原理課程設(shè)計 2011.9.10 化學(xué)化工學(xué)院 《化工原理》課程設(shè)計 設(shè)計題目：二硫化碳換熱器的設(shè)計 設(shè)計者： 劉琦 學(xué)號： 1505090911 專業(yè)班級：化學(xué)工程與工藝0903班 學(xué)院： 化學(xué)化工學(xué)院 指導(dǎo)老師：符劍剛 2011年9月9日 化工原理課程設(shè)計任務(wù)書 專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班級 0903 姓名 劉琦 設(shè)計題目：列管式換熱器設(shè)計 設(shè)計時間: 2011.8.29 ---2011.9.9 設(shè)計任務(wù): 年處理30000噸二硫化碳的二硫化碳冷凝器 1.設(shè)備型式 水平列管式換熱器 2.操作條件 （1）二硫化碳：冷凝溫度50℃，冷凝液于飽和溫度下離開冷凝器； （2）冷卻介質(zhì)：自來軟水，進(jìn)口溫度25℃，出口溫度32℃ （3）允許壓強(qiáng)降，不大于 （4）每年按330天計算，每天24小時連續(xù)運(yùn)行； (5) 設(shè)備最大承受壓力，p=2.5Mpa 設(shè)計報告： 1. 設(shè)計說明書一份 2. 主體設(shè)備總裝圖（A1圖紙）一份 目錄 摘要 1 第一章 前言 2 第二章 列管式換熱器設(shè)計方案 4 2.1列管式換熱器類型的選擇 5 2.1.1 固定管板式換熱器 5 2.1.2 浮頭式換熱器 5 2.1.3 U形管換熱器 5 2.1.4 滑動管板式換熱器 6 2.2流體流動通道的選擇 6 2.3換熱器結(jié)構(gòu)的計算 7 2.3.1熱負(fù)荷Q： 7 2.3.2平均溫度差 8 2.3.3估算面積 9 2.3.4 管子初選 9 2.3.5對流傳熱系數(shù) 9 2.3.6污垢熱阻 13 2.3.7 總傳熱系數(shù)和計算所需面積 13 2.4壓強(qiáng)降計算 14 2.4.1管程壓強(qiáng)降： 14 2.4.2 殼程壓強(qiáng)降 15 2.5列管式換熱器其他結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 2.5.1管程結(jié)構(gòu) 16 2.5.2殼程結(jié)構(gòu) 17 2.5.3其他重要附件 18 2.6 換熱器材質(zhì)的選擇 18 2.6.1 碳鋼 19 2.6.2 不銹鋼 19 第三章 列管式換熱器的具體計算 20 3.1試算并初選換熱器規(guī)格 20 3.1.1確定流體流動通道 20 3.1.2定性溫度 20 3.1.3 估算傳熱面積 20 3.1.4 初選換熱器規(guī)格 21 3.2核算總傳熱系數(shù) 22 3.2.1 計算管程的對流傳熱系數(shù) 22 3.2.2計算殼程對流傳熱系數(shù) 22 3.2.3 確定污垢熱阻 23 3.2.4 核算總傳熱系數(shù) 23 3.3計算壓強(qiáng)降 24 3.3.1 計算管程壓降...................................................24 3.3.2 計算殼程壓降...................................................25 3.4結(jié)構(gòu)尺寸的確定 25 3.4.1筒體內(nèi)徑 25 3.4.2 換熱器壁厚的計算 26 3.4.3 封頭 27 3.4.4 管板 28 3.4.5 容器法蘭 28 3.4.6 接管尺寸 28 3.4.7 接管法蘭 29 3.4.8 管箱長度 30 3.4.9 折流板 30 3.4.10 拉桿與定距管 30 3.4.11 分程隔板與緩沖板 30 附錄一: 換熱器的明細(xì)表 32 附錄二：本書符號說明 34 設(shè)計總結(jié) 37 參考文獻(xiàn) 39 40 摘要 摘要:列管式換熱器在化工、石油等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。根據(jù)本次設(shè)計任務(wù)，二硫化碳流動溫度為50℃，冷卻水的進(jìn)、出口量溫度為25℃、32℃.計算一個年處理量為30000噸的二硫化碳冷凝器。通過計算，得到所需管程數(shù)為6，傳熱管長為6米，殼體直徑為1.0米,傳熱面積為348.5平方米的的換熱器。由此進(jìn)行換熱器的選擇,并確定傳熱過程的流體流速等參數(shù),傳熱面積為404.3平方米的的換熱器。經(jīng)過進(jìn)一步核算，換熱器壓降，面積裕度，管壁溫度均符合設(shè)計要求，。然后通過查閱資料合理計算確定封頭、管箱、拉桿、定距管等結(jié)構(gòu)尺寸和選取符合要求的輔助設(shè)備（主要是離心泵）。最后畫出符合工程語言的設(shè)備總裝圖和帶控制點的工藝流程圖。 關(guān)鍵詞：列管式 固定管板式換熱器 設(shè)計計算 第一章 前言 在化工和石油化工廠中，傳熱既是最重要也是應(yīng)用最多的過程。工廠運(yùn)轉(zhuǎn)是否經(jīng)濟(jì)常常取決于熱或冷的利用和回收的效率。供氣、供電和供冷等公用工程在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于使熱的轉(zhuǎn)化和回收效率最高。 換熱器是在具有不同溫度的兩種和兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需要。換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥，航空及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的通用設(shè)備。在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%-20%；在煉油廠中，該項的投資約占總投資的35%-40%。 換熱器的種類很多，有多種多樣的結(jié)構(gòu)每種結(jié)構(gòu)形式的換熱器都有其自身的結(jié)構(gòu)特征及其相應(yīng)的工作特性。在對換熱器的選型時，有諸多因素需要考慮，主要包括流體的性質(zhì)、壓力、溫度、壓降及其可調(diào)范圍；對清洗、維修的要求；材料價格及制造成本；動力消耗費；現(xiàn)場安裝和檢修的方便程度；使用壽命和可靠性等。對于所選擇的換熱器，應(yīng)盡量滿足以下要求：具有較高的傳熱效率，較低的壓力降；重量輕且能承受操作壓力；有可靠的使用壽命；產(chǎn)品質(zhì)量高，操作安全可靠；所使用的材料與過程流體相容；設(shè)計計算方便，制造簡單，安裝容易，易于維護(hù)和維修。 在換熱器中，應(yīng)用最多的是管殼式（列管式）換熱器，它是工業(yè)過程熱量傳遞中應(yīng)用最廣泛的一種換熱器。雖然列管式換熱器在結(jié)構(gòu)緊湊型、傳熱強(qiáng)度和單位傳熱面積的金屬消耗量方面無法與板式或板翅式等緊湊式換熱器相比，但列管式換熱器適用的操作溫度與壓力范圍較大，制造成本低，清洗方便，處理量大，工作可靠，長期以來，人們已在其設(shè)計和加工制造方面積累了許多的經(jīng)驗。 本次課程設(shè)計是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求確定選用換熱器的傳熱面積，管子規(guī)格和排列方式，管程數(shù)和管殼數(shù)以及折流擋板，進(jìn)而確定換熱器的其他尺寸或選擇換熱器的型號。 第二章 列管式換熱器設(shè)計方案 為了滿足設(shè)計要求，設(shè)計方案擬定如下圖2-1所示： 確定隔板間距并估計殼層傳熱系數(shù) 假設(shè)總傳熱系數(shù)K 估計管側(cè)傳熱系數(shù) 計算殼徑 計算管數(shù) 確定類型、管徑，材料清單為殼管分配流體 確定傳熱面積 A=Q/K 確定殼、管程數(shù)計校 技術(shù)要求 定義目標(biāo) 如果需要計算未指定的流速或溫度需要做能量平衡 計算含垢因子在內(nèi)的總傳熱系數(shù) 收集物理性質(zhì) 設(shè)K=K0 設(shè)計成功 能否降低優(yōu)化成本？ 估計換熱器成本 壓降在規(guī)定范圍內(nèi)？ 估計管側(cè)和殼層壓降 是 否 是 圖2-1 化工原理課程設(shè)計 2011.9.10 2.1列管式換熱器類型的選擇 根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點，常將其分為固定管板式、浮頭式、U形管式、填料函式、滑動管板式、雙管板式、薄管板式等類型。 2.1.1 固定管板式換熱器(代號G) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵塞或更換； 缺點：管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，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層介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢、并能進(jìn)行清洗、管程與殼程兩側(cè)溫差不大或者溫差較大但殼層壓力不高的場合。 2.1.2 浮頭式換熱器(代號P) 優(yōu)點：管內(nèi)和管間易于清洗，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力； 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求高。 這種換熱器適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的 場合。 2.1.3 U形管換熱器(代號Y) 優(yōu)點：只有一塊管板，管束由多根U形管束組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換選擇依據(jù)來自于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第279頁。 熱器有溫差時，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。 缺點：由于受到管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而且損壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報廢率極高。 這種換熱器適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 2.1.4 滑動管板式換熱器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，必要時可在管箱增設(shè)隔板，強(qiáng)化傳熱。 缺點：填料泄漏時可導(dǎo)致管程和殼程的流體相混，故嚴(yán)禁用于兩種流體不相容的場合。 2.2 流體流動通道的選擇依據(jù) 不清潔或易結(jié)垢的流體，宜走容易清洗的一側(cè)。對于直管管束，宜走管程，便于清洗；對于U型管管束，宜走殼程。 腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時被腐蝕。 壓力高的流體走管程，以免制造較厚的殼體。 為增大對流傳熱系數(shù)，需要提高流速的流體的宜走管程，因管程流通截面積一般比殼程的小，且做成多管程也教容易。 公式2-1和2-2來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第225頁。 兩流體溫差較大時，對于固定管板式換熱器，宜將對流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫差，減小熱應(yīng)力。 蒸汽冷凝宜走殼程，以利于散熱、排出冷凝液，增強(qiáng)傳熱效果。 需要冷卻的流體宜走殼程，以減小冷卻劑用量。但溫度很高的流體，其熱能可以利用，宜走管程，以減小熱損失。 粘度大或流量小的流體宜走殼程，因由折流擋板的作用 ，在低Re數(shù)下（Re>100）即可達(dá)到湍流。 在選擇流動管道時，上述原則往往不能同時兼顧，應(yīng)視具體問題抓住主要方面，一般首先考慮流體的壓力降、防腐蝕清洗等要求，然后在校核對流傳熱系數(shù)和流動阻力，以便做出恰當(dāng)?shù)倪x擇。 2.3 換熱器結(jié)構(gòu)的計算 2.3.1 熱負(fù)荷Q的計算 2.3.1.1無相變傳熱的計算 ......................（2-1)式中：——流體的質(zhì)量流量，kg/s； ——流體的平均比定壓熱容，J/(kg.℃) T——熱流體的溫度，℃ t——冷流體的溫度，℃ 下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。 公式2-3,2-4,2-5來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第229頁。 公式2-6,2-7來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第231頁。 2.3.1.2有相變傳熱的計算 .................................（2-2） 式中：——飽和蒸汽（即熱流體）的冷凝速率，kg/s； r——飽和蒸汽的冷凝熱，J/kg 2.3.2平均溫度差 2.3.2.1恒溫傳熱 平均溫度差計算公式：......................（2-3） 2.3.2.2變溫傳熱（包含一側(cè)恒溫的情況） 逆流與并流的平均溫差： 當(dāng)>2時，.............(2-4) 當(dāng)<2時，....................(2-5) 式中、——換熱器兩端熱冷流體的溫差，℃。 錯、折流的平均溫度： 式中 ——按逆流情況求的對數(shù)平均溫差，℃； ——溫差矯正系數(shù)， =f（P，R） ...................（2-6） ...........................（2-7） 表2-1數(shù)據(jù)來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第229頁。 公式2-8來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第235頁。 2.3.3估算面積 2.3.3.1 K值的經(jīng)驗數(shù)據(jù) 估算K值需要對其進(jìn)行估記，常見的流體的K值如下表2-1： K值經(jīng)驗數(shù)據(jù)表2-1 冷流體 熱流體 傳熱系數(shù)K值/ W/(℃) 水 水蒸氣冷凝 1420-4250 水 氣體 17-280 水 水 850-1700 水 低沸點烴類冷凝 455-1140 水 有機(jī)溶劑 115-340 2.3.3.2面積估算 根據(jù)上表2-1查得的K的經(jīng)驗值K估 估算出換熱器的面積A估： 由 得.........................................（2-8） 2.3.4 管子初選 管數(shù).............................................（2-9） 管長............................................（2-10） 管程............................................（2-11） 公式2-12,2-13來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第248頁。 2.3.5對流傳熱系數(shù) 2.3.5.1無相變流體在圓形直管道中做強(qiáng)制湍流的對流傳熱系數(shù) 對于低粘度流體（小于兩倍常溫的水的粘度）的計算公式： ....................（2-12） 當(dāng)流體被加熱時， n=0.4 當(dāng)流體被冷卻時， n=0.3 式中 、—流體的密度和粘度，kg/、Pa.s； 、—流體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，W/(.℃)、 J/(kg.℃)； u—管內(nèi)的流速，m/s； —列管內(nèi)徑，m。 應(yīng)用范圍：Re>10 000,Pr=0.7-160,管長與管徑之比，若可由 上式算出乘以 特征尺寸：管內(nèi)徑 定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。 對于高粘度液體（大于2倍常溫水的粘度）的計算公式： ........................（2-13） 式中 是考慮熱流方向的校正系數(shù)，可以用表示。公式2-14,2-15來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第257頁。 指壁面溫度下流體粘度，因壁溫未知，計算需用試差法，故可取近似值。當(dāng)流體被加熱時=1.05；液體被冷卻時，取=0.95。氣體不論加熱與冷卻均取=1.0 應(yīng)用范圍：Re>10000,Pr=0.7-16700， 特征尺寸：管內(nèi)徑。 定性溫度：除按壁溫取值外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 2.3.5.2無相變流體在管外做強(qiáng)制湍流時的對流傳熱系數(shù) 若列管換熱器內(nèi)裝有園缺擋板（缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面積）時: ..............（2-14） 應(yīng)用范圍： 特征尺寸：當(dāng)量直徑。 定性溫度：除按壁溫取值外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。 若換熱器的管間無擋板，管外流體沿管束平行流動時，則值仍可以用管內(nèi)強(qiáng)制對流的公式計算，但需將式中的管內(nèi)徑將改為管間的當(dāng)量直徑。 公式2-16,2-17,2-18來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第257頁。 2.3.5.3蒸汽在水平管外冷凝對流傳熱系數(shù) 對于蒸汽在水平管壁（管外、單管或管束）上的膜狀冷凝傳熱系數(shù)： ................................（2-15） 式中——管子外徑； n——管束在垂直面上的列數(shù)，對單管n=1； ——飽和溫度與壁面溫度之差； 、、—特性溫度下冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度 汽化潛熱r由值決定，特性溫度取膜溫即 2.3.5.4蒸汽在垂直管外（或板外）的冷凝對流傳熱系數(shù)的計算 當(dāng) Re<2000 時，膜層內(nèi)為層流，則 ....................................（2-16） l——垂直管的高度，m； r——飽和蒸汽的冷凝熱，kJ/kg； 定性溫度：蒸汽冷凝熱取飽和溫度下的值，其余物性取液膜平均溫度下的值。 當(dāng) Re>2000時，膜層內(nèi)為湍流，則 .........................（2-17） 特征尺寸：l取垂直管或板的高度，定性溫度和其余物性參表2-2數(shù)據(jù)來源于周濤主編《化工原理》，北京，科學(xué)出版社，第114頁。 數(shù)與（*）相同。 冷凝液的液膜流動有層流和湍流之分，故在計算傳熱系數(shù)時應(yīng)首先假設(shè)液膜的流動類型，求出后，需要計算Re數(shù)，檢驗是否在所假設(shè)的流型范圍。Re數(shù)的計算公式： ...............................................（2-18） 2.3.6污垢熱阻 沉積在傳熱壁面上的污物、腐蝕產(chǎn)物或其他雜質(zhì)，構(gòu)成管壁上的污垢。某些情況下，污垢熱阻是總傳熱系數(shù)的控制因素。因此，確定適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙?，是換熱器的設(shè)計中很重要的一項內(nèi)容。 污垢的熱阻主要決定于它的導(dǎo)熱系數(shù)和垢層厚度。污垢的種類很多，影響垢層厚度的因素又復(fù)雜，污垢的導(dǎo)熱系數(shù)及污垢層厚度難以準(zhǔn)確地估計，因此，通常選用污垢熱阻的經(jīng)驗值。以下為污垢熱阻的經(jīng)驗值表： 污垢熱阻經(jīng)驗值表2-2 流體 污垢熱阻/（10-4m2) 自來水，軟化鍋爐水 1.72 硬水 5.16 河水 3.44 蒸餾水 0.86 空氣 0.26-0.53 溶劑蒸氣，天然氣，焦?fàn)t氣 1.72 有機(jī)化合物氣體 0.86 水蒸氣（優(yōu)質(zhì)，不含油） 0.052 水蒸氣（劣質(zhì)，不含油） 0.09 公式2-19來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第227頁。 2.3.7 總傳熱系數(shù)和計算所需面積 2.3.7.1 K值的計算 K值的計算公式： ................（2-19） 式中 —基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)， W/(.℃)； 、—管外及管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，W/(.℃)； 、、—換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑，m； b—列管管壁厚度，m； —列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(.℃)。 2.3.7.2 計算所得需要面積 2.3.7.3 面積裕量的計算 面積裕量= 2.4壓強(qiáng)降計算 列管式換熱器的設(shè)計必須滿足工藝上提出的壓強(qiáng)降要求。列管式換熱器允許的壓強(qiáng)降范圍如下表所示： 允許壓降范圍表2-3 換熱器的操作壓強(qiáng)/Pa 允許的壓強(qiáng)降 P<10 0000（絕對壓強(qiáng)） P=0-10 0000（表壓） P>10 0000(表壓) 一般來說，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10 000100 000Pa，氣體為1000-10000Pa，流體流經(jīng)列管式換熱器因流動阻力所引起的壓強(qiáng)降 2.4.1管程壓強(qiáng)降： 對于多程列管換熱器，管程壓強(qiáng)降的計算式為： ...........................（2-20） 式中、——直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa； ——結(jié)垢校正系數(shù)，量綱為一。對于的管取為1.4，對于的管子取為1.5； ——管程數(shù)； ——串聯(lián)的殼程數(shù)。 上式中直管壓強(qiáng)降可按流體在管中流動的阻力公式計算：；回彎管的壓強(qiáng)降可由下面的經(jīng)驗公式2-21來源于周濤主編《化工原理》，北京，科學(xué)出版社，第130頁。 式計算一般情況下，換熱器進(jìn)、出口阻力可忽略不計。 2.4.2 殼程壓強(qiáng)降 當(dāng)殼程無折流擋板時，流體順著管束運(yùn)動，殼程壓強(qiáng)降可按流體沿直管流動的壓強(qiáng)降計算，且僅以殼方的當(dāng)量直徑代替圓管直徑。 當(dāng)殼程裝上折流擋板后，流體在其中作曲折流動，殼程壓強(qiáng)降的計算方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Esso法計算殼程壓強(qiáng)降的公式，即： ................................（2-21） 式中 ——流體橫過管束的壓強(qiáng)降，Pa； ——流體流過折流擋板缺口的壓強(qiáng)降，Pa； ——殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù)，量綱為一。 液體可取1.15，對氣體或可凝蒸汽可取1.0。 又 式中 F——管子排列方式對壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，量綱為一。對管子三角形排 列F為0.5，對正方形錯列F為0.4，對正方形直列F為0.3。 fo——殼程流體的摩擦因數(shù)，當(dāng)時， no——橫過管束中心線的管數(shù)； h——折流板間距，m； D——換熱器殼體內(nèi)徑，m； NS——折流板數(shù)，,L為列管長度； uo——按殼程流道截面積Ao計算的流速，m/s。 其中 2.5列管式換熱器其他結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.5.1管程結(jié)構(gòu) 2.5.1.1換熱管布置和排列間距 常用換熱管規(guī)格有，，，換熱管管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。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，而在各程之間采用正方形排列方式。 管間距t與管外徑的比值，焊接時為1.25，脹接時為1.3-1.5 2.5.1.2管板 管板是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分開。管板與管子之間可以采用焊接或者脹接；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。 2.5.1.3封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用時控制及分配管程流體。當(dāng)殼體直徑較小時常采用封頭，殼徑較大的換熱器多采用管箱結(jié)構(gòu)，當(dāng)所需換熱面積很大時，可才用多管程換熱器，此時在箱體內(nèi)設(shè)置分程隔板。 2.5.2殼程結(jié)構(gòu) 2.5.2.1殼體 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。介質(zhì)在殼程內(nèi)的流動方式有多種，單殼程型式應(yīng)用的最為普遍，如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分割成雙殼程型式。本次設(shè)計采用單殼程，多管程。 2.5.2.2折流板 在殼程管束中，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)傳熱；同時起到支撐管束、防止管束震動和管子彎曲的作用。漢族要有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型。本次設(shè)計中采用弓型。 2.5.2.3緩沖板 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板，它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束震動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。 2.5.3其他重要附件 2.5.3.1法蘭 在各種容器和管道中，由于生產(chǎn)工藝的要求，或考慮制造、運(yùn)輸，安裝、檢修的方便，常采用可拆的結(jié)構(gòu)。常見的可拆結(jié)構(gòu)有法蘭連接、螺紋連接和插套連接。由于法蘭連接有好的強(qiáng)度和氣密性，而且適用尺寸范圍較廣，在設(shè)備和管道上都能應(yīng)用，所以法蘭連接用的最普遍。法蘭連接分容器法蘭連接和管法蘭連接。 2.5.3.2 拉桿和定距管 折流板和支持板是用拉桿固定的，常用的拉桿有兩種形式，一是拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱器外徑大于或等于19mm的管束。二是拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)，適用于外徑小于或等于14mm的管束。 2.6 換熱器材質(zhì)的選擇 在進(jìn)行換熱器設(shè)計時，換熱器各種零、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不周，選材不妥，不僅會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。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 2.6.1 碳鋼 價格低，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。 2.6.2 不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Cr18Ni9為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8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。 表3-1：來自劉光啟，馬連湘，劉杰主編《化學(xué)化工物性手冊 無機(jī)卷》，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002，第413頁。 第3章 換熱器的具體計算 3.1初選換熱器 3.1.1確定流體流動通道 因為蒸汽冷凝宜走殼程，以利于散熱、排出冷凝液，增強(qiáng)傳熱效果，所以二硫化碳走殼程水走管程。 3.1.2 定性溫度 二硫化碳冷凝為恒溫，故定性溫度為； 水的定性溫度 由定性溫度，查表得到二硫化碳和冷卻水在定性溫度下的數(shù)據(jù)，如 下表3-1所示： 定性溫度下水和二硫化碳的物性數(shù)據(jù)表3-1 物性 流體 溫度 （0C） 密度 kg/m3 粘度 mPas 比熱kJ/(kg0C) 導(dǎo)熱系數(shù)W/(m0C) 二硫化碳 50 3.149 0.01 0.605 910-3 冷卻水 28.5 996 80.0710-2 4.170 0.60 3.1.3 估算傳熱面積 1）、計算熱負(fù)荷 2）、計算冷卻水用量 3)、有效平均溫度差 4）、選取換熱器的傳熱系數(shù)K值 初步選取傳熱系數(shù)為 5）、估算傳熱系數(shù) 3.1.4 初步選定換熱器型號 對于兩流體的溫差，故選固定管板式換熱器。 1）、選取管徑和管內(nèi)流速 選用的無縫鋼管，管內(nèi)流速。 2）、計算單根管長和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 根 按單程管計算，所需的傳熱管長度為L 根據(jù)實際情況，選擇管程為6，管長為6m,的列管式換熱器，所以總管數(shù)為根。 換熱器標(biāo)準(zhǔn)來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第366頁。 根據(jù)換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，初選換熱器主要參數(shù)如下： 參數(shù) 數(shù)值 參數(shù) 數(shù)值 外殼直徑D 1000mm 管子總數(shù)n 1148 傳熱面積A 404.3m2 管子排列方式 三角形錯列 管程數(shù)NP 6 管長流通面積Si 0.0338m2 殼程數(shù)NS 1 折流擋板間距h 200mm 管長l 6m 折流擋板數(shù)NB 29 管子規(guī)格 管心距t 25mm 中心排管數(shù)nc 38 3.2 總傳熱系數(shù)核算 3.2.1 管程對流傳熱系數(shù) 因為，所以流體在圓形直管內(nèi)作過渡流，所以 得到過渡流下的對流傳熱系數(shù)校正系數(shù) 3.2.2 殼程對流傳熱系數(shù) 計算殼程流通截面積 殼程內(nèi)氣體流速 管子是三角形錯列排列的當(dāng)量直徑為 3.2.3 污垢熱阻和管壁熱阻 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻計算，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(mK) 3.2.4 總傳熱系數(shù)的計算 由上可得換熱器總傳熱系數(shù)K計為 所以，，換熱器傳熱面積為404.3m2,,有12%的富余。 3.3 壓降核算 3.3.1計算管程壓降 （結(jié)垢校正系數(shù)，管程數(shù)，殼程數(shù)） 取碳鋼的管壁粗糙度為0.2mm，則， 查得摩擦阻力系數(shù) 對的管子有 故, 管程壓降在允許范圍之內(nèi)。 3.3.2 計算殼程壓降 按式計算 , , 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 流體流過折流板缺口的阻力 總阻力 筒體內(nèi)徑計算來源于夏清，陳常貴主編《化工原理》，天津，天津大學(xué)出版社，2008，第366頁。 公式3-2選擇來源于董大勤《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2003 3.4結(jié)構(gòu)尺寸的確定 3.4.1筒體內(nèi)徑 對于筒體內(nèi)徑的計算，現(xiàn)在給出它的計算公式： D=t(nc -1)+2.............................................（3-1） 式中 t——管中心距 ，，t=25mm nc ——橫過管束中心線的管數(shù)，正三角形排列； D——殼體內(nèi)徑，m； ——管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，??； 則 圓整后取D=1000mm 3.4.2 換熱器壁厚 對于換熱器的壁厚計算，現(xiàn)給出它的計算公式： ............................................（3-2） 式中 t——筒體的理論計算壁厚，mm； P0——筒體的計算壓力，MPa； Di——筒體的內(nèi)徑，mm； ——鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa； ——焊接接頭系數(shù)，其值小于或等于1。 筒體選擇熱軋?zhí)妓劁換235-C，則，采用雙面焊縫則 腐蝕裕量的給定依據(jù)來源于鮑偉光的《在用壓力容器強(qiáng)度校核中腐蝕裕量的選取》 表3-2數(shù)據(jù)來源于http://www.docin.com/p-7528433.html 封頭選型依據(jù)來源于《鋼制壓力容器用封頭標(biāo)準(zhǔn)》，第14頁。 式中 C1——最小負(fù)偏差，mm； C2——腐蝕裕量，mm 鋼板厚度負(fù)偏差表3-2 鋼板厚度，mm 2 2.2 2.5 2.8-3 3.2-3.5 3.8-4.0 4.5-5.5 負(fù)偏差，mm 0.18 0.19 0.2 0.22 0.25 0.3 0.5 鋼板厚度，mm 6-7 8-25 26-30 32-34 36-40 42-50 52-60 負(fù)偏差，mm 0.6 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 取C1=0.8mm,C2=2mm 圓整后取 3.4.3 封頭（公式出自《化工容器設(shè)計》） 綜合高度和厚度以及節(jié)省成本原則選擇橢圓形封頭，封頭材料選用Q235-C 采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（a/b=2） K=1 C1=0.8mm,C2=2mm 表3-3數(shù)據(jù)選自錢頌文主編《換熱器設(shè)計手冊》，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002，第162頁 容器法蘭選至《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》，2000，第7頁 非金屬墊片數(shù)據(jù)來源于（http://www.docin.com/p-7198256.html） 圓整取 封頭總高 (DN<2000mm,h0取25mm) 根據(jù)JB/T4746-2002，選擇DN=1000mm，總深度H=275mm，內(nèi)表面積 S=1.1625m2,容積V=0.1505m3的EHA型橢圓形封頭。 3.4.4 管板 固定管板式，殼體與管板采用焊接型式,管板兼作法蘭。 管板材料為16Mn，管板型號如下： 管板型號表3-3 DN D 1.6 MPa 1.6 MPa 1000 mm 1160 mm 1115 mm 1076 mm 1000 mm 規(guī)格 b 1063 mm 1000 mm 27 mm M24X32 46 mm 60 mm 3.4.5 容器法蘭 根據(jù)JB/T4700-2000，容器法蘭選擇16MnR 根據(jù)JB/T4704-200非金屬輕墊片，墊片選擇DN=1000mm,PN=2.5MPa,外徑D=1065mm，內(nèi)徑d=1015mm，厚度為3mm的石棉橡膠墊片 接管選型依據(jù)主要來源于中華人民共和國化學(xué)工業(yè)部發(fā)布的《補(bǔ)強(qiáng)管標(biāo)準(zhǔn)》，1990，第八頁 3.4.6 接管尺寸 3.4.6.1 殼程進(jìn)口接管 取殼層進(jìn)口接管內(nèi)二硫化碳蒸汽流速為u1=10m/s，二硫化碳?xì)怏w密度為 根據(jù)HGT21630-1990， 取B型補(bǔ)強(qiáng)管DN=250mm，，質(zhì)量m=9.5kg/100mm 3.4.6.2 殼程出口接管 取殼層出口接管內(nèi)二硫化碳液體流速為u2=0.5m/s,二硫化碳液體密度為 根據(jù)HGT21630-1990，取B型補(bǔ)強(qiáng)管DN=65mm，，質(zhì)量m=1.2kg/100mm 3.4.6.3管程接管 取管程內(nèi)水的流速為u=1m/s，水密度為 根據(jù)HGT21630-1990，取B型補(bǔ)強(qiáng)管DN=200，，質(zhì)量m=6.6kg/100mm 為方便計算，管程進(jìn)出口的接管取為一樣。 表3-4的數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《HGT20592-2009鋼制法蘭》，2009，第64頁 折流板的數(shù)據(jù)來源于《GB151-1999管殼式換熱器》第74頁 3.4.7 接管法蘭 采用板式平焊法蘭，法蘭選擇如下： 法蘭的選型數(shù)據(jù)表3-4 參數(shù) 殼程接管DN=50 管程接管DN=200 殼程接管DN=250 法蘭外徑 140mm 320mm 375mm 螺栓孔中心圓直徑 110mm 280mm 335mm 螺孔直徑 14mm 18mm 18mm 法蘭厚度C 16mm 22mm 24mm 法蘭內(nèi)徑 61.5mm 222mm 276mm 螺栓 4XM12 8XM16 12XM16 3.4.8 管箱長度 現(xiàn)有管箱的計算公式： L=L2+H+250=750mm （為接管位置尺寸，H為封頭高度，250為焊點和開孔點的最小距離） 3.4.9 折流板 用弓形折流板，取折流板間距200mm，則折流板數(shù)為：6000/200-1=29,切口尺寸取h/D=0.25（切口高度與直徑之比）則h=250mm 折流板外徑 折流板厚度與殼體直徑及折流板間距有關(guān)，查表得最小厚度為4mm，取厚度6mm 分程隔板的數(shù)據(jù)來源于http://bbs.51cysb.com/thread-11640-1-1.html 表3-5的數(shù)據(jù)來源于錢頌文主編《換熱器設(shè)計手冊》，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2002，第203頁 緩沖板的數(shù)據(jù)來源于《GB151-1999管殼式換熱器》第78頁 3.4.10 拉桿與定距管 換熱管外徑為19mm，選擇拉桿定距桿結(jié)構(gòu)。 拉桿直徑選擇12mm，選擇10根拉桿，距離按實際需要選取。 定距管為，距離按實際需要選取，拉桿選型如下： 拉桿選型數(shù)據(jù)表3-5 拉桿直徑/mm 拉桿螺紋公稱直徑/mm b 12 12 15 2.0 3.4.11 分程隔板與緩沖板 分程隔板：隔板材料為Q235—C DN=1000mm 隔板最小厚度為8mm（G151-99） 設(shè)計時取12mm 緩沖板：管程流速小可以不用緩沖板 殼程流速約10m/s，接管直徑250mm，緩沖板厚度為6mm，長度300mm 附錄一 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 參數(shù) 管程 殼程 流率/（㎏/s） 水：12.71 CS2：1.052 進(jìn)（出）口溫度/℃ 25（32） 50（50） 壓力/MPa 1.6 1.6 物性 定性溫度/℃ 28.5 50 密度/Kg/m3 996 3.149 定壓比熱容/(KJ/Kg/℃) 4.17 0.605 粘度/Pa.s 80.0710-2 10-5 設(shè)備 型式 固定管板式 殼程數(shù) 1 殼體內(nèi)徑/mm 1000 臺數(shù) 1 管徑/mm 192 管心距/mm 25 管長/mm 6000 管子排列 正三角形 管數(shù)目/根 1148 折流板數(shù)/個 29 傳熱面積/m2 404.3 折流板間距mm 200 管程數(shù) 6 殼體材質(zhì) Q235-C 主要計算結(jié)果 管程 殼程 流速/（m/s) 0.378 6.00 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/(W/m2/℃) 2034.97 50.59 污垢熱阻/(m2. ℃/W) 1.7210-4 1.7210-4 熱流量/kW 371.15 傳熱溫差/℃ 21.5 傳熱系數(shù)/( W/m2/℃) 48.01 裕度/% 12% 附錄二：本書符號說明 符號 單位 所表示的意義 Q kw 傳熱速率 平均溫度差 K W/() 總傳熱系數(shù) kJ/(kgK) 冷卻水比熱容 A m2 以傳熱管外表面為基準(zhǔn)的傳熱器的換熱面積 T1 CS2進(jìn)口溫度 T2 CS2出口溫度 t1 冷卻水進(jìn)口溫度 t2 冷卻水出口溫度 kw/() 管程對流傳熱系數(shù) kw/() 殼程對流傳熱系數(shù) kw/(mK) 管壁導(dǎo)熱系數(shù) kg/ 操作溫度下冷卻水密度 kg/ 操作溫度下CS2密度 Pas 操作溫度下冷卻水粘度 Pas 操作溫度下CS2粘度 1 管程流動雷諾常數(shù) 1 殼程流動雷諾常數(shù) r kJ/kg CS2汽化潛熱 n 1 換熱管根數(shù) K/kw 傳熱管外側(cè)污垢熱阻 K/kw 傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 do mm 傳熱管外徑 di mm 傳熱管內(nèi)徑 dm mm 傳熱管平均直徑 Di mm 筒體內(nèi)徑 傳熱管壁溫 mm 有效厚度 mm 名義厚度 管板徑向應(yīng)力 管板布管區(qū)周邊處的徑向應(yīng)力 管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力 換熱管軸向應(yīng)力 殼程圓筒軸向應(yīng)力 換熱管與管板連接的拉脫力 Fs 殼程設(shè)計壓力 Ft 管程設(shè)計壓力 管板材料許用應(yīng)力 換熱管材料許用應(yīng)力 殼程圓筒材料許用應(yīng)力 設(shè)計總結(jié) 回想在過去兩周的設(shè)計過程中，我們收獲了許多。這次化工原理課程設(shè)計是我們在大學(xué)三年學(xué)習(xí)中第一次真正意義上的工程性設(shè)計實習(xí)，我們要在規(guī)定時間內(nèi)完成老師給定的生產(chǎn)任務(wù)，與以往學(xué)習(xí)所不同的是這次任務(wù)考慮的更多的是生產(chǎn)實用性，工程可行性以及性能最大化。本次化工原理課程設(shè)計也正是我們首次將課本所學(xué)應(yīng)用與生產(chǎn)實際，加深了對理論知識的理解，對實際操作的認(rèn)識。 本次設(shè)計任務(wù)是完成規(guī)定產(chǎn)量的列管式換熱器，從前期計算到其他零部件的選取，我們不再像以往一樣依靠老師的教授，而更多的是通過自己查閱資料文獻(xiàn)，以及大家交流討論，最后確定方案進(jìn)而得到設(shè)計成果。在查閱過程中，我認(rèn)識到往往生產(chǎn)實際情況是很復(fù)雜的而不像是理論上的環(huán)境因素那樣簡單，因此往往我們要考慮很多因素的綜合作用，然后選擇數(shù)據(jù)和公式進(jìn)行計算。其次是工程上的可行性是很重要的，就像對于相同條件，可能幾種材料都符合生產(chǎn)要求，但是我們要考慮到設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，在滿足要求的條件下，權(quán)衡利弊用最少的消耗獲得最大的成果。在這通過此次設(shè)計任務(wù)我們對工業(yè)設(shè)計有了初次的感性認(rèn)識，對以后的工作實踐有著很重要的作用。 這次的設(shè)計過程對我們不僅僅是一次認(rèn)識上的改變，同樣也是一次能力學(xué)習(xí)的過程，我們對工程上常用的Auto CAD有了一定的認(rèn)識，同時對論文的書寫格式也有了全新而系統(tǒng)的認(rèn)識。 通過兩個禮拜的課程設(shè)計我們認(rèn)識到團(tuán)隊合作對于工程設(shè)計是很重要的，大家在不斷交流和討論的過程中才能更全面的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題大大加快了設(shè)計的進(jìn)度和準(zhǔn)確性。 總之，通過本次化工原理課程設(shè)計我們綜合運(yùn)用了更學(xué)科的基礎(chǔ)知識，增強(qiáng)了獨立思考的能力在規(guī)定的時間內(nèi)完成了指定的化工設(shè)計任務(wù)—換熱器的設(shè)計，初步訓(xùn)練了化工工程素質(zhì)；同時培養(yǎng)了樹立正確的設(shè)計思想的能力及實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度責(zé)任感的工作作風(fēng)。 參考文獻(xiàn) 1 董大勤.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ).北京：化學(xué)工業(yè)出版社2003 2 R.K.SINNOTT.化工設(shè)計（第四版）.北京：中國石化出版社 2009 3 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