换热器设计说明书完成稿

0学号11125112131121711218江西理工大学化工原理课程设计说明书专业：化学工程与工艺学生班级：2011 级 2 班设计团队：第 5 设计小组指导教师：李敏 / 陈火平冶金与化学工程学院2014 年 6 月 13 日1前言化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中能够培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。化工原理课程设计是化工原理课程教学的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。围绕以某一典型单元设备(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸发器、冷却器等)的设计为中心，训练学生非定型设备的设计和定型设备的选型能力。设计时数为 2 周，其基本内容为：(1)设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。(2)主要设备的工艺设计计算(含计算机辅助计算)：物料衡算，能量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。(3)辅助设备的选型：典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备的规格、型号的选定。(4)工艺流程图：以单线图的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料方向，物流量、能流量，主要测量点。(5)主要设备的工艺条件图：图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。(6)设计说明书的编写。设计说明书的内容应包括：设计任务书，目录，设计方案简介，工艺计算及主要设备设计，辅助设备的计算和选型，设计结果汇总，设计评述，参考文献。整个设计由论述，计算和图表三个部分组成，论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所有数据必需注明出处；图表应能简要表达计算的结果。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且是上2述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件；（2） 结构安全可靠；（3） 便于制造、安装、操作和维修；（4） 经济上合理。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。- 1 -目 录1.化工原理课程设计任务书 .11.1 设计任务书 .11.2 设计小组成员情况介绍 .12换热器概述 .22.1 列管换热器结构 .22.2 列管换热器分类 .32.3 列管换热器主要部件 .53设计方案简介 .83.1 设计的大体流程 .83.2 换热器工艺方案确定 .83.2.1 冷却介质选择 .83.2.2 换热器类型选择及流体流动路径选择 .83.2.3 流体流速选择 .93.2.4 换热器设备设计原则 .94.列管式换热器的工艺计算 .104.1 确定物性数据 .104.2 初算换热器传热面积 .114.2.1 热流量及冷却水用量计算 .114.2.2 计算平均温差并确定管程数 .114.2.3 按经验数值初选总传热系数 .124.2.4 初算出所需传热面积 .124.3 主要工艺及结构基本参数计算 .124.3.1 换热管规格及材质的选定 .124.3.2 换热管数量及长度的确定 .124.3.3 管子排列方式及管子与管板的连接方式的选定 .134.3.4 计算外壳内直径 D .134.3.5 管子在管板上排列间距 .134.3.6 传热管排列确定实际管数 .134.3.7 折流板切去弓形高度及板间距的确定 .144.4 换热器核算 .144.4.1 热量核算 .144.4.2 换热器内流体的流动阻力 .165.换热器主要部件及选择 .185.1 换热器筒体尺寸与接管尺寸确定 .185.1.1 壳体壁厚确定 .185.1.2 流体进出口接管直径计算 .185.2 换热器封头及防冲板选择 .19- 2 -5.2.1 封头选型及尺寸确定 .195.2.2 封头厚度选取 .205.2.3 防冲板的选择 .205.3 管板的确定 .205.3.1 管板尺寸 .205.3.2 管板与壳体的连接 .215.3.3 管板厚度 .225.3.4 管箱接管最小尺寸 .225.4 换热器支座及法兰选定 .235.4.1 支座的选择 .235.4.2 法兰选择 .245.4.3 折流板 .245.4.4 拉杆直径和数量与定距管选定 .245.4.5 温度补偿圈选用 .255.4.6 列出所设计换热器的结构基本参数 .256辅助设备的计算和选型 .256.1 辅助设备的设计流程 .256.2 离心泵 2 的计算和选型 .266.3 管道设计 .276.4 离心泵 1 的计算和选型 .276.5 蓄水池的设计 .287设计结果汇总表： .297.1 固定管板式换热器设计一览表 .307.2 辅助设备一览表 .318.设计评述 .318.1 设计目的及其意义 .318.2 设计过程的回顾 .318.3 设计过程的问题 .328.4 本课程设计的不足与经济效益评价 .338.5 课程设计总结 .349.工艺流程图及有关物料衡算表 .349.1 工艺流程图 .349.2 物料衡算表 .3510.参考文献 .3611.主要符号说明 .3712.附件说明 .3811.化工原理课程设计任务书1.1 设计任务书某厂因生产工艺扩建，需设计一套工艺装置用来冷却甲车间的产品 A（物理性质参考甲苯） 。试根据以下工艺条件和设计 1要求设计合理的输水工艺（管线布置和输送机械的选择等）及合适的换热器 2。有关工艺条件及要求如下：件件件件：该厂附近有一条小河流，但夏季有 24 个月的枯水期。已知该厂距离河岸最短水平距离约 2 公里，该厂与河液面海拔高差约 46 米。进水管道的直管阻力系数取 0.025。设计换热器放置距离地面 7.5 米处，相应管件与直管总长则依据所绘工艺流程图计算。出水管道的直管阻力系数取 0.018。设计要求： 水温：冬季约 5；A 产品的温度从 60降为 45，用量 30 吨/小时；换热器管、壳程压降均不超过 0.1atm。1.2 设计小组成员情况介绍化工 112 班课程设计第五小组共有 4 名成员，有 111 班 25 号的何小同，112 班 13 号杨键城，112 班 17 号张伟康（组长） ，112 班 18 号仇艮龙。为了提高设计的进度与效率，我们小组进行了分工，具体介绍如下： 张伟康（组长）：换热器的初选及简单核算，PPT 演讲稿，换热器及辅助设备的资料的查阅装配图的明细栏填写及部分绘图的修改订正； 杨键城：换热器的初选及进行计算机核算，换热器资料的整理，Word 文档的主要编辑，绘制换热器的基本装配图； 仇艮龙：辅助设备的设计及选择，工艺流程图及工艺条件的设计，辅助设备的资料查阅；2何小同：辅助设备的设计及选择，Word 文档的辅助编辑，工艺流程图及工艺条件的设计，部分设计资料的查阅。2换热器概述换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器在生产中占有重要地位。在一般化工厂的建设中，换热器约占总投资的 11%。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的 20%。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性、不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。换热器按照换热介质不同可分为水-水换热器和汽-水患热器；按冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。虽然换热器种类繁多，但最常用的还是间壁式换热器，而其中的列管式换热器更是广泛使用的间壁式换热器的主要类型。2.1 列管换热器结构管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束安装在壳体内，两端固定在管板上。封头用螺栓与壳体两端的法兰相连。它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。结构坚固，而且可以选用的结构材料3范围广，故适应性强、操作弹性较大。与其它品种换热器比较,管壳式换热器的最大缺点是传热效率低。例如,对于水一水换热,传统的管壳式换热器 K 值范围一般为 11502230W/ ,而板式换热器 K 值为 15004700W/ ,螺旋板式为 20003000W/ 。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。图 1 列管式换热器的基本结构2.2 列管换热器分类列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：（1） 固定管板式换热器(代号 G)此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。固定管板式换热器有结构简单、排管多、紧凑、造价便宜，等优点。但由于结构紧凑，固定管板式换热器的壳侧不易清洗，而且当管束和壳体之间的温4差太大时，管子和管板易发生脱离，故不适用与温差大的场合。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差 50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于 6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过 0.6Mpa 时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。图 2 带有温度补偿的固定管板式换热器1挡板；2补偿圈；3放气嘴（2）.浮头式换热器（代号 F）浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷进行了改进，浮头式换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头” ，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，易于清洗和检修，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。图 3 .浮头式列管换热器1管程隔板；2壳程隔板；3浮头（3） 填料函式换热器填料函式换热器也只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管5束也可自由膨胀，结构比浮头式简单，造价较低。但填料函易泄露，故壳程压力不宜过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。（4） U 型管式换热器（代号 Y）U 形管式换热器，每根管子都弯成 U 形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。图 4 U 型管式列管换热器1U 形管；2壳程隔板；3管程隔板2.3 列管换热器主要部件（1）换热管换热管的尺寸和形状对传热有很大影响，管径越小，单位体积设备的传热面积就越大，这意味着设备越紧凑，体积则越小，对流传热系数较高。但制造麻烦，且小管易结垢，不易机械清洗。所以对清洁的流体小管子为宜，对粘度大或易结垢的液体管径则可取大些。目前我国列管