化工原理課程設計

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1、化 工 原 理 課 程 設 計 換熱器概述 一、定義 換 熱 器 是 用 來 完 成 各 種 不 同 傳 熱 過 程 的 設 備 。 1、 如 ： 開 水 鍋 爐 、 水 杯 、 冰 箱 、 空 調(diào) 等 。2、 是 許 多 工 業(yè) 部 門 廣 泛 應 用 的 通 用 工 藝 設備 。 通 常 ， 在 化 工 廠 的 建 設 中 ， 換 熱 器 約占 總 投 資 的 11 40 。那 么 衡 量 一 臺 換 熱 器 好 壞 的 標 準 是 什 么 呢 ？ 3.可 靠 性 滿 足 操 作 條 件 ,強 度 足 夠 ,保 證 使 用 壽 命二、衡量標準 2.合 理 性 1.先 進 性 可 制 造 加

2、 工 ， 成 本 可 接 受 傳 熱 效 率 高 ， 流 體 阻 力 小 ， 材 料 省 三、不同目的的換熱器 冷 卻 器 （ cooler）冷 凝 器 （ condenser）蒸 發(fā) 器 （ 發(fā) 生 相 變 ） （ evaporator）加 熱 器 （ 一 般 不 發(fā) 生 相 變 ） （ heater）再 沸 器 （ reboiler） 廢 熱 鍋 爐 （ waste heat boiler） 四、換熱器的基本類型按 傳 熱 方 式 或 工 作 原 理 分 類1、 直 接 接 觸 式傳 熱 效 果 好 ， 但 不 能用 于 發(fā) 生 反 應 或 有 影響 的 流 體 之 間 圖 1 直 接 接

3、 觸 式 換 熱 器 熱 流 體 冷 流 體熱 流 體 冷 流 體 2、 間 壁 式 重 點 又 稱 表 面 式 換 熱 器利 用 間 壁 （ 固 體 壁 面 ） 進 行 熱 交 換 。冷 熱 兩 種 流 體 隔 開 ， 互 不 接 觸 ， 熱 量由 熱 流 體 通 過 間 壁 傳 遞 給 冷 流 體 。應 用 最 為 廣 泛 ， 形 式 多 種 多 樣 ，如 管 殼 式 換 熱 器 、 板 式 換 熱 器 等 對 于 間 壁 式 換 熱 器 ， 按 間 壁 形 狀 進 一 步 分 為(3)管 殼 式(1)管 式(2)緊 湊 式 螺 旋 板 式 、 板 式 、 板翅 、 傘 板 等排 管 、

4、蛇 管 、 套 管重 點下 面 我 們 來 看 一 看 管 殼 式 換 熱 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 管 殼 式 換 熱 器 固 定 管 板 式 換 熱 器浮 頭 式 換 熱 器U形 管 式 換 熱 器五、管殼式換熱器的分類 基 本 類 型 （ 一 ） 固 定 管 板 式 換 熱 器優(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 管 或 更 換 。缺 點 ： 不 易 清 洗 殼 程 ， 殼 體 和 管 束 中 可 能 產(chǎn) 生 較 大 的熱 應 力 。 圖 7-4 固 定 管 板 式 換 熱 器 為

5、 減 少 熱 應 力 ， 通 常 在 固 定 管 板 式 換 熱 器 中 設 置 柔 性 元件 （ 如 膨 脹 節(jié) 、 撓 性 管 板 等 ） ， 來 吸 收 熱 膨 脹 差 。圖 7-5 帶 膨 脹 節(jié) 的 固 定 管 板 式 換 熱 器圖 7-2 固 定 管 板 式 換 熱 器 圖 7-3 帶 補 償 器 的 固 定 管 板 式 換 熱 器適 用 場 合 ： 適 用 于 殼 程 介 質(zhì) 清 潔 ， 不 易 結(jié) 垢 ， 管 程 需 清洗 以 及 溫 差 不 大 或 溫 差 雖 大 但 是 殼 程 壓 力 不 大 的 場 合 。 （ 二 ） 浮 頭 式 換 熱 器優(yōu)點： 管 內(nèi) 和 管 間 清

6、 洗 方 便 ， 不 會 產(chǎn) 生 熱 應 力 。缺點： 結(jié) 構(gòu) 復 雜 ， 設 備 笨 重 ， 造 價 高 ， 浮 頭 端 小 蓋 在 操 作 中 無 法 檢 查 。適用場合：殼 體 和 管 束 之 間 壁 溫 相 差 較 大 ， 或 介 質(zhì) 易 結(jié) 垢 的 場 合 。圖 7-6 浮 頭 式 換 熱 器圖 7-4 浮 頭 式 換 熱 器 （ 三 ） U形 管 式 換 熱 器圖 7-8 U型 管 式 換 熱 器優(yōu)點：結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 價 格 便 宜 ， 承 受 能 力 強 ， 不 會 產(chǎn) 生 熱 應 力 。缺點：布 板 少 ， 管 板 利 用 率 低 ， 管 子 壞 時 不 易 更 換 。 適

7、用場合：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 。圖 7-6 U形 管 式 換 熱 器 U形 管 式 換 熱 器 U形 管 式 換 熱 器 （ 一 ） 工 藝 計 算 六、管殼式換熱器設計內(nèi)容 選 型 ； 確 定 管 、 殼 程 ； 通 過 化 工 工 藝 計 算 ， 確 定 換 熱 器 的傳 熱 面 積 ， 同 時 選 擇 管 徑 、 管 長 ， 決 定 管 數(shù) 、 管 程 數(shù) 和 殼程 數(shù) 。（ 二 ） 機 械 設 計 1） 殼 體 直 徑 的 決 定2） 換 熱 器 封 頭 選 擇 ， 壓 力 容 器 法 蘭 選

8、 擇 ；3） 管 板 尺 寸 確 定 ；4） 折 流 板 的 選 擇 與 計 算 ；5） 溫 差 應 力 計 算 第二節(jié) 管子的選用及其與管板的連接一、管子的選用 （ 一 ） 直 徑 粘 性 大 或 污 濁 的 流 體大 管 徑 單 位 體 積 傳 熱 面 積 增 大 、 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、金 屬 耗 量 減 少 、 傳 熱 系 數(shù) 提 高阻 力 大 ， 不 便 清 洗 ， 易 結(jié) 垢 堵 塞用 于 較 清 潔 的 流 體小 管 徑 （ 二 ） 規(guī) 格 （ 外 徑 壁 厚 ） ， 長 度 按 規(guī) 定 決 定 換 熱 管 尺 寸 19 2、 25 2.5和 38 2.5mm無 縫 鋼 管25 2

9、和 38 2.5mm不 銹 鋼 管標 準 管 長 1.5、 2.0、 3.0、 4.5、 6.0、 9.0m等 （ 三 ） 結(jié) 構(gòu) 型 式 換 熱 管 型 式 光 管強 化 傳 熱 管 螺 旋 槽 管螺 紋 管翅 片 管 （ 在 給 熱 系 數(shù) 低 側(cè) ） 多 用 光 管 ， 因 為 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 制 造 容 易 ，為 強 化 傳 熱 ， 也 采 用 強 化 傳 熱 管 。 二、管子與管板的連接 （ 一 ） 脹 接 利 用 脹 管 器 擠 壓 伸 入 管 板 孔 中 的 管 子 端 部 ， 使 管 端 發(fā) 生 塑 性變 形 ， 管 板 孔 同 時 產(chǎn) 生 彈 性 變 形 ， 取 去 脹

10、管 器 后 ， 管 板 與 管子 產(chǎn) 生 一 定 的 擠 壓 力 ， 貼 在 一 起 達 到 密 封 緊 固 連 接 的 目 的 。 圖 7-14 脹 管 前 后 示 意 圖（ a） 脹 管 前 （ b） 脹 管 后 液 壓脹 管 器 液 壓 脹 接 機 械 脹 接 適 用 范 圍 ： 換 熱 管 為 碳 素 鋼 ， 管 板 為 碳 素 鋼 或 低合 金 鋼 ， 設 計 壓 力 4MPa， 設 計 溫 度 300 ， 且無 特 殊 要 求 的 場 合 。原 因 ： 溫 度 升 高 ， 殘 余 應 力 減 小 ， 使 管 子 與 管 板間 的 脹 接 密 封 性 能 、 緊 固 性 能 都 下

11、降 ， 故 設 計 溫度 300 。要 求 管 板 硬 度 大 于 管 子 硬 度 ， 否 則 將 管 端 退 火后 再 脹 接 。脹 接 時 管 板 上 的 孔 可 以 是 光 孔 ， 也 可 開 槽 (開 槽可 以 增 加 連 接 強 度 和 緊 密 性 )。 （ 二 ） 焊 接 優(yōu) 點 ： 在 高 溫 高 壓 條 件 下 ，焊 接 連 接 能 保 持 連 接 的 緊 密性 ， 管 板 加 工 要 求 可 降 低 ，節(jié) 省 孔 的 加 工 工 時 ， 工 藝 較脹 接 簡 單 ， 壓 力 較 低 時 可 使用 較 薄 的 管 板 。缺 點 ： 在 焊 接 接 頭 處 產(chǎn) 生 的熱 應 力

12、可 能 造 成 應 力 腐 蝕 開裂 和 疲 勞 破 裂 ， 同 時 管 子 、管 板 間 存 在 間 隙 ， 易 出 現(xiàn) 間隙 腐 蝕 。 圖 7-16 焊 接 間 隙 示 意 圖管 板 間 隙 換 熱 管 0d0d 第三節(jié) 管板結(jié)構(gòu)一 、 換 熱 管 排 列 方 式 三 角 形 排 列 緊 湊 ， 傳 熱 效 果 好 ， 同 一 板 上 管 子 比 正 方 形 多排 10%左 右 ， 同 一 體 積 傳 熱 面 積 更 大 。 適 用 于 殼 程 介 質(zhì) 污垢 少 ， 且 不 需 要 進 行 機 械 清 洗 的 場 合 。 （ 一 ） 正 三 角 形 和 轉(zhuǎn) 角 正 三 角 形 排 列 圖

13、 7-18 正 三 角 形 排 列 的 管 子流體流動方向 流體流動方向正 三 角 形 排 列 轉(zhuǎn) 角 正 三 角 形 排 列 二、管間距 （ 一 ） 定 義（ 二 ） 要 求 管 間 距 指 兩 相 鄰 換 熱 管 中 心 的 距 離 。 管 間 距 1.25d0， 符 合 表 7-5規(guī) 定 ， 便 于 管 子與 管 板 間 的 連 接 ， 因 為 對 于 脹 接 或 焊 接 來講 ， 管 子 間 距 離 太 近 ， 那 么 都 會 影 響 連 接質(zhì) 量 。 最 外 層 管 壁 與 殼 壁 之 間 的 距 離 為10mm， 主 要 是 為 折 流 板 易 于 加 工 ， 不 易 損壞 。 表

14、 7-1 常 用 換 熱 管 中 心 距 /mm換 熱 管 外 徑 do 12 14 19 25 32 38 45 57換 熱 管 中 心 距 16 19 25 32 40 48 57 72 最 外 層 換 熱 管 中 心 至 殼 體 內(nèi) 表 面 的 距 離 不 應 小 于 (換熱 管 外 徑 的 一 半 ) 10mm。 三 、 管 程 的 分 程 及 管 板 與 隔 板 的 連 接 當 換 熱 器 所 需 的 換 熱 面 積 較 大 ， 而 管 子 做 得 太 長 時 ，就 得 增 大 殼 體 長 度 。 此 時 ， 為 了 增 加 管 程 流 速 ， 提 高傳 熱 效 果 ， 須 將 管

15、束 分 程 ， 使 流 體 依 次 流 過 各 程 管 子 ，就 得 增 大 殼 體 直 徑 ， 排 列 較 多 的 管 子 。 （ 一 ） 分 程 原 因 （ 二 ） 分 程 原 則 （ 三 ） 分 程 隔 板 圖 7-21 雙 層 隔 板 與 管 板 的 密 封 各 程 換 熱 管 數(shù) 應 大 致 相 等 ； 相 鄰 程 間 平 均 壁 溫 差 一 般 不 應 超 過 28 ； 各 程 間 的 密 封 長 度 應 最 短 ； 分 程 隔 板 的 形 狀 應 簡 單 。 圖 7-22 單 層 隔 板 與 管 板 的 密 封 圖 7-20 雙 層 隔 板 與 管 板 的 密 封隔 板圖 7-1

16、9單 層 隔 板 與 管 板 的 密 封s+2管 板s 封 頭 隔 板 管 板隔 板 管 板封 頭 隔 板 管 板 （ 四 ） 分 程 方 式 表 7 2 管 程 布 置 表 圖 序 管 箱 隔 板介 質(zhì) 返 回側(cè) 隔 板 管 程 數(shù)流 動 順 序 21 4 612 123 4 14 23 14 32 2 1 35 46 14632 5 ba c d e f g 可 拆 式 浮 頭 式 、 U型 管 式 及 填料 函 式 換 熱 器 固 定 端 管板 與 殼 體 的 連 接 圖 7-25 管 板 與 殼 體 可 拆 連 接五、管板與殼體的連接結(jié)構(gòu) 處 理 量 : (11000+學 號 后 三

17、位 100) Kg h ， 苯 乙 烯 從 130 60 循 環(huán) 水 入 口 溫 度 ： ？ ？ 苯 乙 烯 壓 力 ： 6.9MPa 循 環(huán) 水 壓 力 ： 0.4MPa換 熱 器 的 設 計 任 務 設 計 方 案 的 設 計 1、 換 熱 器 類 型 的 選 擇 固 定 管 板 式 換 熱 器 浮 頭 式 換 熱 器 U型 管 換 熱 器 確 定 物 性 數(shù) 據(jù) 殼 程 有 機 氣 體 的 定 性 溫 度 為 ： T 管 程 流 體 的 定 性 溫 度 為 ： t ？ 1 22T T 根 據(jù) 定 性 溫 度 查 出 甲 苯 和 水 物 性 密 度 定 壓 必 熱 容 導 熱 系 數(shù) 粘

18、度 計 算 總 傳 熱 系 數(shù)工 藝 結(jié) 構(gòu) 尺 寸換 熱 器 核 算 其 它 附 件 計 算 1） 壁 溫 計 算 2） 折 流 板 高 度 3） 接 管 4） 防 沖 擋 板 5） 管 心 距 等 完 成 說 明 書 一 份 要 求 ： 1.A4打 印 ， 左 側(cè) 兩 釘 裝 訂 ,封 面 自 行 設 計 ， 建議 采 用 學 校 論 文 封 面 （ 更 改 題 目 ） 2.格 式 （ 字 體 、 字 號 ， 段 落 等 采 用 論 文 要 求 ） ，但 不 需 要 中 英 文 摘 要 、 前 言 、 致 謝 等 。 3.所 采 用 的 必 要 數(shù) 據(jù) 和 公 式 必 須 按 文 章 出

19、現(xiàn) 的先 后 順 標 出 出 處 ， 并 將 文 獻 按 格 式 要 求 例 到 最 后 的參 考 文 獻 中 。完 成 設 備 圖 一 份 （ A3） 要 求 ： 必 須 包 含 化 工 制 圖 的 基 本 要 素 及 基 本 要 求 。時 間 ： 在 第 七 周 的 周 三 之 前 以 班 級 為 單 位 交 到 辦 公 室居 201 化 工 原 理 課 程 設 計 任 務 安 排第 一 周 對 設 計 任 務 的 熟 悉 , 弄 清 設 計 流 程 ， 及 任 務 并 查 閱 相 關 資 料第 二 周 第 三 周 完 成 熱 量 和 必 要 工 藝 計 算第 四 周 熟 悉 化 工 制 圖 要 求 及 完 成 草 圖第 五 周 第 六 周 完 成 設 計 說 明 書 撰 寫 ， 及 完 成 AUTOCAD制 圖每 天 上 午 九 點 前 必 須 到 指 定 教 室 報 到 。9.3 4019.4 9.6 4019.5 9.7 501 嚴 禁 抄 襲 抄 襲 特 點 :1.除 了 必 要 數(shù) 據(jù) 不 一 樣 ,其 它 的 都 一 樣 ! 特 殊 錯 誤 都 一 樣 !如 引 用 錯 誤 ,錯 別 字 等2.圖 紙 直 接 拿 同 學 的 或 稍 更 改 ! 抄 襲 的 處 理 是 :最 高 從 ”中 ”開 始 評 級 直 到 不及 格