化工原理課程設計列管式散熱器

1、化工原理課程設計題目： 列管式換熱器的設計 學生姓名：劉珂段家琴學號：1311402025 ，1311402026系別：化學與化學工程系專業(yè)：制藥工程指導教師：劉艷起止日期：2015.62015.7年 月 日設計任務書一、設計題目(作為正文2級標題，4號黑體)用水冷卻混合氣體的 列管式換熱器的設計（正文4號仿宋體，數(shù)字和字母為times new roman體，下同，單倍行距）二、設計參數(shù)(作為正文2級標題，4號黑體)（1）處理能力：245000kg/h混合氣體（每年按300天計算，每天24小時運行）（2）操作條件混合氣體：入口溫度110，出口溫度60 冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度29，出口溫度3

2、9壓力：混合氣體6.9MPa，循環(huán)冷卻水0.4MPa三、設計內容及要求（1）計算熱負荷 （2）計算平均溫差 （3）核算總傳熱系數(shù)K （4）計算傳熱面積S （5）換熱器規(guī)格選型 （6）附屬設備的選型 （7）換熱工藝流程圖，主體設備工藝條件圖測量點目錄鍵入章標題(第 1 級)1鍵入章標題(第 2 級)2鍵入章標題(第 3 級)3鍵入章標題(第 1 級)4鍵入章標題(第 2 級)5鍵入章標題(第 3 級)6 1概述1.1換熱器簡介 列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行

3、程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。 列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據(jù)熱補償方法的不同，列管式換熱器可分

4、為固定板式，u型管換熱器，浮頭式換熱器等型式。1.2 設計方案簡介通過傳熱量、阻力損失傳熱系數(shù)、傳熱面積的計算，并結合經(jīng)驗值確定換熱器的工藝尺寸、設備型號、規(guī)模選定，然后通過計算來確定各工藝尺寸是否符合要求，符合要求后完成工藝流程圖和設備主體條件圖，進而完成設計體系。1.3確定設計方案1.3.1換熱器選型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度110，出口溫度60；冷流體人口溫度29，出口溫度39。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。1.3.2管程安排 從兩流體的操作壓力看，應使混合氣體走管程

5、，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循 環(huán)冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。1.3.3符號說明 Pr 普蘭特準數(shù)，無因次； Re雷諾準數(shù)，無因次； a 對流給熱系數(shù)，W/（m2·）； S換熱面積，m2； Wh熱流體的質量流量，kg·s-1 ； mtD平均傳熱溫差； K總傳熱系數(shù)，W/（m2·）； N管子總數(shù)； H傳熱面積裕度； mtD平均傳熱溫差，； Q換熱器的熱負荷，kw； 0m粘度, Pa·s； Ri垢阻熱阻，m2·/W； Ri導熱熱阻，m2·/W；w

6、導熱系數(shù)，W/（m2·）； b管壁厚度，mm; d換熱器直徑，m； 0r密度,kg/m3 Np管程數(shù)； Tm定性溫度，； L管子總長，m； De當量直徑,mm; ui循環(huán)水的流速，m/s； Wi冷卻水用量，Kg/h； Cph熱流體的平均定壓比熱，kJ/(kg·)2 換熱器的工藝設計計算 2.1確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度 的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= 110+602+ =85 管程流體的定性溫度為 t= 39+292+=34 混和氣體在85下的有關物性數(shù)據(jù)如下：； =3.297kj/kg； =0.0279w

7、/m； 循環(huán)水在34 下的物性數(shù)據(jù)：=994.3/m3；=4.174kj/kg；=0.624w/m；2.2估算傳熱面積 （1）熱流量QT=qm.h cp,hT =245000×3.297×(110-60)=4.04×107kj/h =11218.96kw(2)冷卻水用量qm,c=QT/CP,Ct =11218960/(4.174×104) =268.78(kg/s)=967608(kg/h)(3)平均傳熱溫差 先按照純逆流計算，得=110-39-(60-29)ln60-29110-39=48.3(4)初算傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的k

8、值。假設k=320W/(m2·)，則估算的傳熱面積為S估=QTKtm =11218960320×48.3=726（m2） 2.3工藝結構尺寸（1）管徑和管內流速 換熱器中最常用的管子的規(guī)格有19mm×2mm和25mm×2.5mm兩種，因管程走的是易結垢的流體，應選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速ui=1.3m/s。 （2）管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù) Ns=VS4di2=662´´= 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L= S估NSdo=7263.14×0.025

9、15;66214(m)´´= p 按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=L/l=14/7=2 = 傳熱管總根數(shù) n=662×2=1324 （3） 傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)： R= T1-T2t2-t1=110-6039-29=5-= - P=t2-t1T1-t1=39-29110-29=0.124-= - 按單殼程，雙管程結構，查【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：圖5-19得： t=0.96 =D e 平均傳熱溫差 tm =ttm =0.96

10、5;48.3=46.4（）´=D=DD 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。(4 )傳熱管排列 采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。 取管心距pt=1.25do，則 pt=1.25×25=31.2532 隔板中心到離其最.近一排管中心距離： Z=Pt/2+6=32/2+6=22 各程相鄰管的管心距為44。 (5) 殼體內徑 采用多管程結構，進行殼體內徑估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內徑 為： D=1.05Ptnh´=1.05×32×13240.75 =1412按卷制殼體

11、的進級檔，可取D=1400mm (6) 折流擋板 采用弓形折流擋板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為 h=0.25×1400=350mm，故可取h=350mm 取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×1400=420mm，可取B為480mm。折流板數(shù)目NB= =14.514=-= -=（7）接管 殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為u1=10m/s，則接管內徑為D1=4qvu=4×245000/(3600×90)_3.14×10=0.310(m)=´´´= = pm 圓整后可取管內徑為

12、310mm管程流體進出口接管：取接管內液體流速 u2=2.5m/s，則接管內徑為 D2=4×967608/(3600×994.3)_3.14×2.5=0.371(m) 整后取管內徑為380mm。 2. 4 換熱器核算(1)傳熱面積校核管程傳熱膜系數(shù)i=0.023diRe0.8Pr0.4管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×13242 =0.2079(m2)管程流體流速和雷諾數(shù)分別為 Ui=967608（3600×994.3）0.2079=1.30(m/s)Re=0.02×1.30×994.3/(0.74

13、2×10-3)=34858普朗特數(shù) Pr=4.174×1000×0.742×10000.624 =4.96 i=0.023×0.6240.02×348580.8×4.960.4=5867w/(m2·)殼程傳熱膜系數(shù) 0=0.361deRe00.55Pr1/3(w)0.14管子按正三角形排列，傳熱當量直徑為 de=4（32pt2-d02/4）do=4×（32×0.032×0.032-0.025/4）×0.025=0.02(m)殼程流通截面積 SO=BD(1-d0Pt)=480&

14、#215;1400×(1-25/32)=147×103(mm2)=0.147(m2)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 Uo=245000/(3600×90)0.147=5.14(m/s) Reo=0.02×5.14×90/(1.5×10-5)=6.17×105普朗特數(shù) Pro=3.297×103×1.5×10-5/0.0279=1.773粘度校正 (/w)0.140.95 0=0.36×0.02790.02×6170000.55×1.7731/3×0.95=8

15、83W/(m2·)污垢熱阻和管壁熱阻: 管外側污垢熱阻 Ro=0.0004m2·/W,管內側污垢熱阻Ri=0.0006 m2·/W,已知管壁厚度b=0.0025m， 查得碳鋼在該條件下的熱導率為50W/（m·）?？倐鳠嵯禂?shù)K?？倐鳠嵯禂?shù)K為 K=1/（d0idi+Ridodi+bdodm+Ro+10）=392 W/(m2·)傳熱面積校核 所計算得傳熱面積S為 S=QT/Ktm=11218960392×48.3=593(m2)換熱器的實際傳熱面積為S S=doln=3.14×0.025×7×1324=728

16、(m2)換熱器的面積裕度為 S S'=728593=1.22傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。（2）換熱器內壓降的核算管程阻力 pi=（p1+p2）Ns NP Ft Ns=1，NP=2，p1=ld×（ui2/2）由Re=34858，傳熱管相對粗糙度0.01，查Re雙對數(shù)坐標圖得=0.04；流速ui=1.30m/s，=994.3kg/m3，所以 p1=0.4×70.02×1.302×994.32=11762.6（pa） P2=3ui22=3×994.3×1.3022=2520(Pa)pi=(11762.6+2520)&

17、#215;2×1.4=39991(Pa)管程流體阻力在允許范圍之內殼程阻力。按下式計算 PO=(P1+P2)Ft Ns其中Ns=1，F(xiàn)t=1。 流體流經(jīng)管束的阻力 P1=Ff0nc（NB+1)u022F=0.5;Fo =5×617000-0.288=0.1075;nc=1.1n =1.1×1324=40.03;NB=14;UO=5.14m/s;P1=0.5×0.1075×40.03×15×90×5.142 =38370(pa)流體流過折流板缺口的阻力 P2=NB(3.5-2h/D) u022 其中h=0.48m,D

18、=1.4m,則P2=14×（3.5-2×0.481.4）×90×5.1422=46842（pa）總阻力P=38370+46842=85212(Pa) 由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。3 設計結果匯總參數(shù)管程殼程流率（kg/h）967608245000進/出口溫度/29/39110/60壓力/MPa0.46.9物性定性溫度/3485密度/（kg/m3）994.390定壓比熱容/Kj/（kg）4.1743.297粘度/（Pas）0.742×1.5×熱導率（W/m） 0.6240.0279普朗特數(shù)4.961.773設備結構參數(shù)型式浮頭式殼程數(shù)1殼體內徑/1400臺數(shù)1管徑/25×2.5管心距/32管長/7000管子排列正三角形管數(shù)目/根1324折流板數(shù)/個14傳熱面積/652折流板間距/480管程數(shù)2材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.35.14表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（）5867883污垢熱阻/（/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.0399910.085212熱流量/KW11218.96傳熱溫差/48.3傳熱系數(shù)/W/（）392裕度/% 1.224 設計評述通過此次設計，了解了很多關于換熱器的知識，