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1、南华大学化学华工学院毕业设计一、引言在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、炼油、动力、原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。换热器是一种节能设备，它即能回收热能，又需消耗机械能。因此，度量一个换热器性能好坏的标准是换热器的传热系数K和流体通过换热器的阻力损失p。前者反映了回收热量的能力，后者是消耗机械能的标志。强化传热过程是化工生产中对传热过程的经常的要求之一。而提高传热系数是强化传热过程的关键措施之一。因此对影响总
2、传热系数K的各个因素的研究非常重要。本课题通过对化工原理实验室内NO.2换热器运行数据的实测，使用正交实验方法对数据进行了处理，得出：换热器总传热系数与空气流量、冷水流量成正比，与空气进口温度成反比的规律，选出了更优的方案，并用传热理论给出相关的解释。1. 换热器的应用范围在工业生产中，为实现物料之间热量传递过程的一种设备统称为换热器。他是化工，炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工，炼油等工业生产来说换热器尤为重要，通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的1020%。在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的3540%在化工生产中，为了工艺流程需要
3、，要进行个中不同的 换热过程：如加热，能却，蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过它，使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。换热器随着使用目的的不同可以把他分成为：热交换器，加热器，冷却器，冷凝器，蒸发器和再沸器等，由于使用的条件不同换热设备又有各种各样的形式和结构。有时换热器作为一个单独的 设备，有时则作为某一工艺设备中的组成部分，如氨合成塔中的下部热交换器，精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器，总之，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器，他是被当作一种传统的标准换
4、热器，在许多工业部门中被大量使用，管壳式结构，它具有选材范围广，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。另一种高效，紧凑式的新型换热设备，即板式换热器，已发展成为一种重要的化工设备。它使用的 介质相当广泛，从水到高粘度的非牛顿型液体，从含有小直径固体颗粒的物料到含有纤维的物料均可处理，从生产工艺上说，它可以用做液体的加热，冷却，冷凝或蒸发，单体的气提，溶液的 浓缩，聚合，脱气，干燥等，总之，板式换热器的应用场合很广，随着化学工业的发展，近年来，发展了一些新的换热设备，如板翅式换热器，螺旋板换热器，伞板式换热器，板壳式换热器等从以上介绍，在化工生产中所使用的换热器种类和
5、形式很多的，但完善的换热设备至少应满足下列几种因素：1保证达到工艺所规定的换热条件，2强度足够几结构可靠3便于制造，安装和检修4经济上要合理在过程工业中，换热器是如此的重要并如此广泛的用应，一直于题目的设计已经得到高度的发展。以有的换热器的规格详细的概括了材料，制造方法，设计技术和尺寸/绝大多数的换热器是液液换热器，但在换热器中也可以处理气体和不冷凝的蒸汽。对于在少量管子中不能稳定控制的流速的情况，简单的套管式换热器不合适。如果几个套管并行使用，外侧管子所需金属的重量非常大，而套管式结构中将一个外壳作为许多管子使用，故壳管式 显得更经济。因为换热器有一个壳程和一个管程，所以被称为1-1式换热器
6、。换热器中壳程和管程的传热系数具有相当的重要性，两者必须都大，才能得到一个满意的总传热系数。壳程液体和管程液体的流速和湍动同样重要。为了反之管子古代板的强度减弱，管子之间必须有一个罪行距离，而且管子防止过密以致管外侧即壳程的通道面积以及管内即管程的通道面积一样少是不可能的。如果两股物流有相当的流量，壳程的流速就会比管程的少。因此，在管内防止挡板以减少壳程液体的流动的截面积，迫使也是垂直的流过而不是平行的流过管束。这种流动产生的附加湍动进一步提高了壳程的传热系数。1-1型换热器有一些局限性。而多程换热器实现了高；流速，短管子以及对膨胀问题的更满意的解决方法。多程换热器降低了流体的流通截面积，提高
7、了流速，从而导致传热系数的相应提高。其缺点有:（1）换热器这种稍微复杂些，（2）高流速和重复的出入口损失导致通过设备的摩擦损失增加。在多程换热器中采用偶数的管程。而壳程可以是单程的可多程的。常用的设备是1-2型平行逆流换热器，其中壳程液体通过一个壳程而管程液体流过一个或多个管程。1-2型换热器也有一个重要的缺点。由于采用是平行流动，故这种换热器不能将一路流体的出口温度接近于另一路流体的入口温度。换句话说，1=2型换热器的热回收率必然很差。较好的热回收率可在2-4型换热器中实现。这类换热器有两个壳程和四个管程。相对于只有两个管程的-2型换热器，在同样流量下操作，2-4型换热器有比较高的流速和比较
8、大的总传热系数。对于低于大约20大气压的中低压下的流体间的换热，板式换热器可以和壳管式换热器向媲美，特别是当需要采用防腐蚀材料时。通常带有波纹免得金属板用框架支撑，热流体通过间隔的板间，与相邻板间的冷流体进行热交换。板可以轻易拆开进行清洗。通过增加板数可以简单的提供附加的传热面积。和壳管式换热器不同，板式换热器可以用于多股流的换热目的，例如几个不同的流体分别流过换热器的不同部分而且相互之间保持距离。板式换热器对于粘稠的流体相对更有效。换热器类型很多，特点不一，在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中有广泛的应用,且它们是上述这些行业的通用设备，占有重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源的利用
9、、开发和节约的要求不断提高，对换热器的要求日益强烈。特别是对换热器的研究显得更重要。2. 换热器的分类（一）按作用原理和实现传热的方式分类（1）混合式换热器 它是实现两种流体的直接接触与混合的作用来进行热量交换的。为了获得大量的接触面积，可在设备中放置搁栅或填料，有时还把液体喷成液滴。（2）蓄热式换热器 它是让两种温度不同的流体轮流通过同一种固体填料的表面，使填料相应的被加热和被冷却，而进行热体和冷流体之间的热量传递。为了过程连续，这种换热器都是成对使用。生产中热，冷流体会有少量混合。（3）间壁式换热器 它是利用一种固体壁面将进行热交换的两种流体隔开，使它们通过壁面进行传热。这类换热器应用最为
10、广泛。（二）按使用目的分类（1）冷却器 冷却工艺物流的设备。一般冷却剂多采用水。若冷却温度低时，可采用氨或者氟利昂为冷却剂。（2）加热器 加热工艺物流的设备。一般采用水蒸气，热水和烟道气等作为加热介质，当温度要求高时可采用导热油，熔盐等作为加热介质。（3）在沸器 用于蒸馏塔底汽化物料的设备。（4）冷凝器 将气态物料冷凝变成液态物料的设备。（5）蒸发器 专门用于蒸发溶液中的水分或者溶剂的设备。（6）过热器 对饱和蒸汽再加热升温的设备。（7）废热锅炉 由工艺的高温物流或者废气中回收起热量而发生蒸汽的设备。（三）按传热面的形状和结构分类（1）蛇管式换热器（2）套管式换热器（3）壳管式（列管式）换热器
11、：这类换热器又可分为固定管板式，U形管式和浮头式等。（4）螺旋板换热器（5）板式换热器（6）伞板式换热器（7）板翅式换热器（8）板壳试换热器（四）按所用换热器材料分类一般可把换热器分成金属材料和非金属材料两类（五）其他形式的换热器这类换热器一般都是 为了满足某些特殊要求而出现的，有些还处于发展阶段，其中比较成熟的，如回转式换热器和热管等。注：1. 在本次课题论文中，除温度以单位以外，其余如未标明均采用国际单位制。 2. 在本次课题论文中，各公式符号如未详细标明，请参考附录中符号约定。二、 课题设计原理（一）、换热器原理在工业生产中换热器是一种经常使用的换热设备。它是由多个传热元件（如列管换热器
12、的管束）组成。冷、热流体借助于换热器中的传热元件进行热量交换而达到加热或者冷却任务。由于传热元件的结构形式繁多，由此构成的各种换热器之性能差异颇大。为了合理的选用或设计换热器，对他们的性能应该要充分的了解。除了文献资料以外，实验测定换热器的性能是重要途径之一。换热器是一种节能设备，它即能回收热能，又需消耗机械能。因此，度量一个换热器性能好坏的标准是换热器的传热系数K和流体通过换热器的阻力损失p。前者反映了回收热量的能力，后者是消耗机械能的标志。传热系数K和传热量Q是换热器最关键的参数。换热器中的总传热系数K值主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，因而K值变化范围很大。 温差
13、校正系数t恒小于1,这是由于在列管换热器内增设了折流挡板及采用多管程，使得换热的冷、热流体在换热器内呈折流或错流，导致实际平均传热温差恒低于纯逆流时的平均传热温差。当t值小于0.8时，则传热效率低，经济上不合理，操作不稳定。总传热系数，又称传热系数，是表征换热器换热性能的重要参数。对影响换热器总传热系数大小的各个参数的研究有着很重要的经济意义！（二）、正交实验原理正交实验中有两个概念：因素：在试验中对试验指标有影响的各种原因称为因素。水平：因素变化的各种状态叫做因素的水平。安排试验方案的步骤第一步：明确试验目的，确定试验指标； 第二步：挑因素选水平；第三步：选用正交表 ；第四步：表头设计；第五
14、步：列出试验方案；用正交试验法安排试验，需要用一类事先已排好的表格，这类表格叫做正交表，由于我们考虑的是三因素三水平的换热器的传热量，所以采用L9（34）正交表， 三因素三水平正交表设计如下：实验编号进气流量（A）进气温度（B）冷水流量（B）111121223133421252236231731383219332正交实验处理步骤：1第一步：填写试验结果，找出试验中结果最好的一个；并计算指标总和2第二步：计算各列的K、m和R. 3第三步：作因素与指标的关系图。 4第四步：比较各因素的极差R,排出因素的主次顺序（R越大的因素越重要） 5第五步；选取较好的水平组合6第六步：实验验证三、 实验部分（一
15、）、实验原理 本次实验的总体原理是：首先分析可能会对总传热系数K值产生较大影响的因素，再利用正交实验法设计实验方案，设计恰当因素水平，通过对化工原理实验室内NO.2号换热器的数据实测，计算出总传热系数K值，然后利用正交实验法进行极差分析，分析出各因素对总传热系数K值的影响趋势及规律及因素间的主次关系，给出相应的理论解释及实际生产中的建议。1. 关于空气湿度H：在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度，rh表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。（1.）空气湿度的表示方法一般常用绝对湿度、相对湿度和饱和差三种不同量度方法来表示空气湿度。1.）绝对湿度（Absolute humidity）指每立方米空气中所含水汽的克数。通常用水汽压大小来表示，其单位为百帕或毫米。绝对湿度大，空气比较潮湿；绝对湿度小，空气比较干燥。在一定温度下，空气中的水汽含量有一个最大的限度，达到这个限度时的水汽压，叫饱和水汽压。饱和水汽压随着空气温度
