化工原理課程設(shè)計任務(wù)書-用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計

1、化工原理課程設(shè)計設(shè)計題目:用水;令卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計目錄（-）綜述21換熱器類型22換熱器的主要用途2（二）課程任務(wù)設(shè)計書31設(shè)計題目32. 設(shè)計條件3（三）設(shè)計方案簡介4H耘力空間的確定42定性at43. 水和煤油的物理性質(zhì)4（四）計算總的傳熱系數(shù)4:l熱流量及sm十算42. 平均題校正53. 確定總的傳熱系數(shù)K字54選擇換熱器類型5（五）換熱總傳熱系數(shù)核算61殼程對流傳熱系數(shù)62. 管程對流傳熱系數(shù)73. 污垢熱阻84傳熱系數(shù)K8（六）計算傳熱面積裕度81換熱器實際面積82.面積裕度8（七）核算壓強降81管程壓力降的核算82.殼程劭降核算9（八）設(shè)胺果總覽11（九）實驗心得11

2、（十）參考文獻12（一）綜述換熱器的分類與比較，根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式,器基本上可分為三 大類即間壁式混合式和蓄熱式具中間壁式換熱器應(yīng)用最多，所以主要討論此類換熱器。1換熱器的主要類型表面式換熱器表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動，通過壁面的導(dǎo)熱 和流體在壁表面對流，兩種流體之間逬行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他 型式的換熱器。蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體,熱 介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱,使之達到熱 量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。流體連接間接

3、式換熱器流體連接間接式換熱器，是把兩個表面式換熱器由在其中循壞的熱載體連接起來的 換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循壞,在高溫流體接受熱量，在低溫 流體換熱器把熱量釋放給低遍流體。直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進行換熱的設(shè)備,例如,冷水塔、氣體冷凝 器等。2換熱器的用途加熱器加熱器屈巴流體加熱到必要的溫度”但加熱流體沒有發(fā)生相的變化。預(yù)熱器預(yù)熱器預(yù)先加熱流體,為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。過熱器過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。蒸發(fā)器蒸發(fā)器用于加熱流體,達到沸點以上溫度，使其流體蒸發(fā),一般有相的變化。3換熱器的結(jié)構(gòu)類型可分為：浮頭式換熱器、固定管板

4、式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。蛇管換熱器這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器想適應(yīng)的形狀并沉浸在容器內(nèi)的液體中。 蛇管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,能承受高壓,可用耐腐蝕性材料制造;其缺點是容器內(nèi) 液體湍流程度低,管外對流傳熱系數(shù)小。套管式換熱器套營式換熱器是用兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接稱為同心圓的套管，外面的叫殼程 內(nèi)部的叫管程。兩種不同介質(zhì)可在殼程和管程內(nèi)逆向流動（或同向）以達到換熱的效果。列管式換熱器列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管 板、換熱營、封頭、折流扌當(dāng)板等組成。所需材質(zhì)，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不 銹鋼制作。在進行換熱時,一種流體由封

5、頭的連結(jié)管處進入，在管流動,從封頭另一端 的出口管流出,這稱之管程；另-種流體由殼體的接營逬入，從殼體上的另一接管處流 出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結(jié)構(gòu)來分， 主要有以下幾種：a. 固定管板式換熱器:這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械 清洗。此種換熱器管束連接在管板上,營板分別焊在外殼兩端,并在其上連接有頂蓋, 頂蓋和殼體裝有流體進出口接營。通常在管夕灤置一系列垂直于管束的扌當(dāng)板。同時管子 和管板與外殼的連接都是剛性的,而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此,當(dāng)營壁與 殼壁溫差較大時,由于兩者的熱膨脹不同,產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力”以至管子扭

6、彎或使 管子從管板上松脫,甚理壞換熱器。b. 浮頭式換熱器:換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接,另一塊管板不與外殼連接, 以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋,稱之為”浮頭", 所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹 不變殼體約束,因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不 同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。c. U型管式換熱器：U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板 上,每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清 洗,管子可以自由膨脹。其缺點是

7、營子內(nèi)壁清洗困難,管子更換困難,管板上排列的管 子少。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量輕,適用于高溫高壓條件。（二）課程設(shè)計任務(wù)書1. 題目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計2. 設(shè)計條件：處理能力1.188xlO5噸/年煤油設(shè)備型式列管式換熱器操作條件a. 煤油：入口溫度120°C ,出口溫度50°Cb. ；令卻介質(zhì)：自來水，入口溫度15°C ,出口溫度45°Cc. 允許壓強降：不大于1.5xlO5Pa 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行（三）設(shè)計方案簡介：1. 流動空間的確定從增加兩物流的傳熱膜系數(shù)看,應(yīng)使煤油走管程,冷卻水走殼程。但由于冷卻水較 易結(jié)垢

8、,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;又被冷卻的 流體宜走殼程，便于散熱。所以從總體考慮，應(yīng)使;令卻水走管程，煤油走殼程。選用25x2.5的碳鋼管2、定性溫度:可取流體進口溫度的平均值作為定性溫度丁_7；+7； _ 120+50殼豐呈煤油的定性溫度:1 =廠 =85°C管程冷卻水的定性溫度：t = 斗=蘭蘭=30 °C2 23水和煤油在定性溫度下的物理性質(zhì)（查工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊）密度b(kg / zff3)比熱容Cp(kJ/kg°C )熱導(dǎo)鑿W ( m*°C)黏度u(Pa*S)水(35°C)995.74.1740

9、.6176-580.07x10煤油(85°C)8122.080.141-30.82x10（四）計算總傳熱系數(shù)1、熱流量及溫度計算熱流量c （T T、（、15000 X 2.08 X1O3X （120-50）Q= §訕（兒一匚）=仏小一兒）二碩=606666.67冷卻水的606666 67= 17441 .3/,4174x(45-15)計算兩液體平均溫度q =T -r2 =120-45 = 75°C Ar2 =T2 一人=50-15 = 35°C &逆= Ar = 5248 °CIn-Ar22 平均溫度校正T 廠_120_50 _ t2-

10、h _ 45_15= 2.33= 0.2862折流和1殼程N 4x 6管程該換熱器是單殼程，雙管程,由圖可知校正系數(shù) 仏=0.94九=久仏"9.33c3 確定總的傳熱系數(shù)K估初選換熱器規(guī)格,根據(jù)的流體情況，假設(shè)K估=345w/（屛'估=k汀606666.67 _ 仆r345x52.484.選擇換熱器類型- fn =12。;5。;4律5。 50艾，需鶴慮熱補償。采用浮頭式換熱器。根據(jù)換熱面積的需要選擇下面類型的浮頭式換熱器（圖附在最后）殼彳卸mm500管子規(guī)格伽025x2.5公稱壓強/MPa1.5x10 A 5管慟m4.5計算傳熱面積/nf40.1管子總數(shù)116管程流通面積/n

11、r0.0091管子刪強勵形旋轉(zhuǎn)45。中心管數(shù)9（五）換熱總傳熱系數(shù)核算1.殼程對流傳熱系數(shù)流通截面積采用組合曲丙I發(fā),既每管程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用方形排列,取營心距t=l25貝!J t = 1 25/ x 25 q 32 mm =0.032m取折流擋板間距B=04D,則B=0.4x0.5=0.2mm ,則流體通過的最大截面積A二BD（l-（）=02x05（l-° °25）=002i88m2t0.032創(chuàng)）當(dāng)量直徑4x(-0.0322-0.785x0.0252)=0.020m23.14x0.025殼程內(nèi)流體流速1.188 x10s3600x24x330= 4.17

12、kg/s4.17no = = 812x0.02188=0.23m/s 雷諾系數(shù)r _ 心()久二 002x 0.23x812 二4555 "u0.82x10" 普蘭特數(shù)卩廠二二 2.08 xl03 x 0.82 xlO"3 =1? j兄0?141 黏度校正 由于殼程煤油是被冷卻的，所以?。ㄛ体?0.95 對流傳熱系數(shù)6。對于圓缺型擋板殼程，且2000vRe二4555<lxlOj選擇公式:Q =0.36Re0055 P" 嚴(yán)do“緲=o.36xX4555035 x 12.1了 x0.95二564 w/（°C）0.022.管程對流傳熱系數(shù)查

13、表得換熱器管程面積A嚴(yán)0.0091m 217441.3營程流速U， p 3600x995.7x0.0091 _0-535m/s雷諾系數(shù) d 嚴(yán)(0.025-0.0025x2)二 0.02mRe -diPM 二 0.02x995.7x0.535 二3316 '“0.8007 xl03-普朗特數(shù)prj = CpH 二 474x10、0.8007 xl0_ =5 41 1 人0.6176對流傳熱系數(shù)61a. =0.023勺Re.0-8Pr.04 = 0.02 3x蘭匕xl33 1 608 x5.4104 =2780w/(m2C) d,0.023. 污垢熱阻查閱得自來水的污垢熱阻Rs,=0.0

14、0034m2 c/w煤油的污垢熱阻Rs。二0.00017179m2 c/w4. 傳熱系數(shù)K計采用碳鋼材質(zhì)的管子,管壁厚度：b = 0.0025m則查資料其熱傳導(dǎo)系數(shù):Z = 45w7(/n-c)5M + 000°，7179+0.0025 0.025450.022+ 0.00034x0.02510.0250.022780 0.02=347w/(m2 °C) （六）計算傳熱面積裕度 1換熱器實際換熱面積s實二缶二需鶉=33.3m丄 2 計算面積裕度查選擇的換熱器的參數(shù)表得,換熱器的換熱面積，=40.1府S“ 一 S咐 40 1 -33 3 =-二x 100% =20.4%<

15、;25%S 實33.3換熱器的裕度合適,能完成生產(chǎn)任務(wù),該換熱器選擇合適。（七）核算壓強降L管程壓力降核算為 P, = 3 + 'p、F,N、Np（管程數(shù)，N、一殼程數(shù)，F(xiàn)一結(jié)垢校正系數(shù)）已知營程數(shù)N卩二4,殼程數(shù)N, = 1查資料得結(jié)垢校正系數(shù)025x2.5"“的管子?。篎 = l4直管阻力“Pi已知Re i二13316,傳熱管相對粗糙度,二2£1 =0.0005 , d 200.0O.OM0.001 區(qū)曲噩ss豊諭40.00020.KW1S 49 <- 4 2 1 O5g0302oloj8goo;0 0001C QOM0 0004JO 000014 10*

16、實用文檔茁諾準(zhǔn)數(shù)Kr查圖可得摩擦系數(shù)2 = 0.027w/(m/c)換熱器管子長度為l=45m。Ap1 = 21XyX ?=0.027 x x "5 7 X 0535'二865Pa0.02回彎管阻力計算= 3x995.7xO.535; = 427pa管程流動阻力工£工P =（S + S）FMVp=（865+427） x 1.4x lx4=7325.2Pa<1.5x 105 Pa2 殼程壓力降核算擋板數(shù)采用弓形擋板,取擋板高度為殼徑的右,則被切去的高度h=|D=5 xO.5=O.lmJJ擋板間距為B二0.4D二0.4x0.5二0.2m ,則擋板數(shù)心為：“傳熱管管

17、長二竺一222塊折柳擋板間距。2流經(jīng)管束流體壓力降藝®0=(妙；+切;)陽(匕一結(jié)垢校正系” N$管程數(shù))經(jīng)查資料結(jié)垢校正系數(shù)只=1 ,管程數(shù)N，= 1由于換熱管是正三角形排列，查表得校正系數(shù)：F二0.5殼程流體摩擦系數(shù)f0 =5Re0心28 =5x4555428 =0.73已知該換熱器的中心管束代二9則流過管束壓力降為：；=廳內(nèi)(叫+1)二0.5x0.73x9x (22+1)小 f 】二1622.7Pa2 2流體流經(jīng)折流扌當(dāng)板處的壓力降已知殼徑D二0.5m,擋板間距B為0.2m4 “ 2B p0M02 "小 u 2x0.2 812 x0.232 匚"p： = N

18、r (3.5y 二 22(3.5 )=1275.8PaD 20.52殼程總的壓強降工P()2>0二(勺(+/ ) FtNs = ( 1622.7+1275.8 ) x lx l=2898.5Pa<1.5x 105 pa 殼程流動壓力降在合理范圍內(nèi)。經(jīng)核算，管程和殼程的壓力降均在合理范圍內(nèi)，該換熱器能滿足生產(chǎn)任務(wù),可以應(yīng)用。（八）設(shè)計結(jié)果總覽換熱器學(xué):浮頭式換熱器換熱面積(m2) :40.1m2工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱自來水煤油操作溫度,°C進出45進120/出50流量，kg/h1744115000流體密度，kg/m3995.7812流速r m/s0.230.535傳熱

19、量,kW606666.67總傳熱系數(shù),W/m2-K347對流傳熱系數(shù)，W/m2-K5642780污垢系數(shù),m2-K/W0.000343940.00017197阻力降,MPa7.3252.898程數(shù)41推薦使用材料碳鋼碳鋼管獲格025x2.5管數(shù)116管長,mm4500管間距，mm32排列方式止一角形折流板型式上下間足巨fmm200切口高度20%殼體內(nèi)徑，mm500（九）實驗心娼初次接觸化工原理課程設(shè)計,還荒謬地以為是像其他課程一樣是實驗類的”聽課的 時候也一頭霧水,根本不知道該做什么,該怎么做，無從下手，只是覺得好難。有一段 時間都在觀望。所以自己設(shè)計的時候只能是根據(jù)老師提供的模板，用新的數(shù)據(jù)代替舊的數(shù)據(jù)，其他 的公式完全照抄,花了一天時間，終于把計算部分完成了。裕度15% ,在合理范圍內(nèi)， 但是，一看壓力降，徹底崩潰了，12多干帕，天啊，完全不合理。再細(xì)看模板和自己的設(shè)計的時候，發(fā)現(xiàn)了很多問題，我的設(shè)計根本是行不同,果真用這設(shè)計的話,也是謀 財害命。所以我決定重新來過。這時離交作業(yè)還有三天,做出來的裕度居然一直都在50%以上，重新分析計算的過程中也出現(xiàn)了幾次錯誤,由于急于求成，算出來后的結(jié)果偏離太多