化工原理課程設計循環(huán)水冷卻器的設計

1、化工原理課程設計 -循環(huán)水冷卻器的設計學 院 ：化學與化學工程學院班 級 ：化工103姓 名 ：學 號 ： 目錄 設計目錄 1一 設計任務書 4二 概述 5三 物性參數(shù)的確定 7四 設計方案的確定 8 1選擇換熱器的類型 82流程安排 8五 估算傳熱面積 9 1換熱器的熱負荷 9 2平均傳熱溫差 93傳熱面積 9 4冷卻水用量 10六 工程結構尺寸 10 1管徑和管內(nèi)的流速 102管程數(shù)和傳熱管數(shù) 10 3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 10 4傳熱管排列和分程方法 11 5管體內(nèi)徑 11 6折流板 12 7其它附件 12 8接管 12七 換熱器的核算 12 1傳熱能力的核算 12 （1）殼程傳熱膜

2、系數(shù) 12 （2）管程傳熱膜系數(shù) 13 （3） 污垢熱阻和管壁熱阻 14 （4）總傳熱系數(shù)K 14 （5）傳熱面積裕度 15 2換熱器內(nèi)流體的流動阻力 15 校核管程流體的阻力 15 殼程流體的阻力 16 八 換熱器的主要工藝結構尺寸和計算結果表 17九 設備參數(shù)的計算 18 1殼體壁厚 18 2接管法蘭 18 3設備法蘭 18 4封頭管箱 18 5設備法蘭用墊片 19 6管法蘭用墊片 19 7 管板 19 8 支墊 19 9設備參數(shù)總表 20十 參考文獻 21十一 學習體會與收獲 21十二 重要符號說明 22 一、 設計任務書化工原理課程設計任務書專業(yè)：化學工程與工藝專業(yè)班級：化工103班姓

3、名：李靜輝設計日期：2013-6-08至2013-6-21設計題目：循環(huán)水冷卻器設計設計條件： 1設備處理量70T/h。 2循環(huán)水：入口溫度55，出口溫度40。 3冷卻水：入口溫度20，出口溫度30 4常壓冷卻，熱損失5%。 5兩側污垢熱阻0.00017 /。 6. 初設K=900 /設計要求1設計滿足以上條件的換熱器并寫出設計說明書。2根據(jù)所選換熱器畫出設備裝配圖。 指導教師：朱憲榮 2013年6月18日二、概述傳熱過程是化工生產(chǎn)過程中存在的極其普遍的過程，實現(xiàn)這一過程的換熱設備卻種類繁多，形式多樣。按換熱設備的傳熱方式劃分主要有直接接觸式、蓄熱式和間壁式三類。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設備

4、具有結構簡單，制造容易等特點，但由于在換熱過程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使在應用上受到限制。因此工業(yè)上所有的換熱設備工業(yè)上所有的換熱設備以間壁式換熱器居多。管式換熱器的類型也是多種多樣的，從其結夠上大致可分為管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式換熱器主要包括板式、螺旋板式、板殼式換熱器。不同類型的換熱器各有自己的優(yōu)點和使用條件。1、固定管板式固定管板式換熱器是用焊接的方式將連接管束的管板固定在殼體兩端。主要特點是制造方便，緊湊，造價較低。但由于管板和殼體間的結構原因，使得管外側不能進行機械清洗。另外當管壁溫與殼體壁溫之差較大時，會產(chǎn)生較大的

5、溫差應力。嚴重時會毀壞換熱器。由此可知，固定管板式換熱器使用與殼程流體清潔，不易結垢?；蛘吖芡鈧任酃改苡没瘜W處理方法去掉的場合，同時要求殼體壁溫與管子壁溫之差不能太大，一般情況下，該溫差不得大于50。若超過此值，應加溫度補償裝置。通常是在殼體上加一膨脹節(jié)。2、浮頭式換熱器浮頭式換熱器是用法蘭把管束一端的管板固定到殼體上，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由伸縮，并子這端管板上加一頂蓋成為“浮頭”。這類換熱器的主要特點是管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生溫差應力。但這種換熱器結構較為復雜，造價高，制造安裝要求高。由以上特點可以看出浮頭式換熱器的應用范圍很廣，能在較

6、高的壓力下工作，使用于殼體壁溫與管壁溫之差較大，或殼程流體易結垢的場合。3、U型管式換熱器這類換熱器的管束是由彎曲成U型的傳熱管組成。其特點是，管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生溫差應力，結構簡單，造價比浮頭式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子較少，另外由于管束中心一帶存在間隙，且各排管子回彎曲率不同，長度不同，故物料分布不夠均勻，影響傳熱效果。U型管式換熱器適用于殼程流體易結垢，或是殼體壁溫與管壁溫之差較大的場合，但要求管程流體應較為清潔，不易結垢。4、填料函式換熱器這類換熱器具有浮頭換熱器的優(yōu)點，克服了固定管板式換熱器的缺點，結構比浮頭式簡單，制造方便，易于檢修清洗 。對于一些腐蝕嚴重，需要經(jīng)常

7、更換管束的場合常采用這種換熱器。但這種換熱器密封性能差，故殼程不宜處理易燃、易爆或有毒的氣體。同時要求殼程流體的壓力不宜過高。目前所適用的填料函式換熱器的直徑一般在7000mm一下，很少采用大直徑的填料函式換熱器三、計算物性參數(shù)1、確定物性參數(shù)對于黏度較低的流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故：（1）循環(huán)水的定性溫度為： 根據(jù)定性溫度，查取有關物性參數(shù)如下： 密度：h = 989.1 kg / m3 定壓比熱容：Cph=4.714 KJ/(kg·) 導熱系數(shù)：h=0.6443 w/(m·) 粘度：µh=0.5734×10-3 Pa·s

8、（2）冷卻水的定性溫度為： 根據(jù)定性溫度，查取有關物性參數(shù)如下： 密度：c= 997.0 kg / m3定壓比熱容：Cpc=4.179 KJ/(kg·) 導熱系數(shù)：c=0.6083 w/(m·) 粘度：µc=0.8937×10-3 Pa·s四、設計方案的確立1. 選擇換熱器類型熱流體循環(huán)水的進口溫度為55，出口溫度為40。冷流體冷卻水的進口溫度為20，出口溫度為30。由以上數(shù)據(jù)可知殼體壁溫與管子壁溫之差小于50，且冷卻過程為常壓冷卻，因此可以選用固定管板式換熱器。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結構簡單，在相同的殼

9、體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，由于這種結構使殼側清洗困難，所以殼程易用于不易結垢和清潔的流體。固定管板式換熱器2. 流程安排: 由于是常溫冷卻，并且循環(huán)水相對比較潔凈，所以選擇循環(huán)水走管間,冷卻水走管內(nèi)，既有利于冷卻水冷卻效率，也可借助于外界溫度加速循環(huán)水冷卻。五、估算傳熱面積1、熱負荷 2、平均傳熱溫差選用逆流操作：循環(huán)水： 冷卻水： 因為 ；故 3、傳熱面積因為初設K=900 /,則估算的傳熱面積為:根據(jù)前述提供的經(jīng)驗范圍，取實際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實際傳熱面積為：4、冷卻水用量六、工藝結構尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用25mm×2.5mm傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=

10、1.3m/s.2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：按單程管計算，所需的傳熱管總長度為按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長，則該換熱管管程數(shù)為：傳熱管總根數(shù)：68×2=136（根）。3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù): 按單殼程，雙管程結構，查圖表得：則平均傳熱溫差：由于，且殼程流體流量較大，故取單殼程 4、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25d0,則隔板中心到離其最近一排管中心距離為：各程相鄰管的管心距為22×2=44（mm）。通過管束中心線的管數(shù)為

11、取整nc=14（根）5、殼體內(nèi)徑采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內(nèi)徑為：故可取。6、折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為折流板間距h： 故折流板間距可取。折流板數(shù)NB為7、其它附件因為殼體直徑為600mm，查表可知拉桿直徑為12mm，拉桿數(shù)量不得少于4個，課程入口處，應設置防沖擋板。8、接管殼程流體進出口接管，取接管內(nèi)流體u1=2m/s,則接管內(nèi)徑為：管程流體進出口接管，取接管內(nèi)流體u2=2m/s，則接管內(nèi)徑為：所以取標準管：殼程接管規(guī)格：127mm×4.5mm；管程接管規(guī)格：146mm×4.5mm。七、換熱器核算1、傳熱能

12、力核算（1）殼程流體傳熱膜系數(shù) 用克恩法計算，依據(jù)當量直徑為：殼程流體截面積為：殼程流體流速為：雷諾數(shù)為普蘭特準數(shù)為黏度校正 綜上可得：（2）管內(nèi)傳熱膜系數(shù)管程流體流通截面積為管程流體流速為雷諾數(shù)為普蘭特數(shù)為綜上可得（3）污垢熱阻和管壁熱阻Rsi=0.00017(m2·)/w；Rs0=0.00017(m2·)/w，因碳鋼在該條件下的導熱系數(shù)為50),故(m2·)/w（4）總傳熱系數(shù) 由上述結果可知，因為1.15<1.24<1.25,所以此換熱器合適。（5）傳熱面積裕度所需要的換熱面積為：該換熱器實際傳熱面積為：則該換熱器的面積裕度為：因為15%<

13、17.7%<25%，所以該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。由于，故不需要考慮溫度補償。2、換熱器內(nèi)流體的流動阻力 管程流體阻力Ft=1.4，Ns=1，Np=2當Re=28938時，由柏拉修斯公式得： 則： 故：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 殼程流體阻力Fs=1.15, Ns=1。流體流經(jīng)管束的阻力損失為： 式中: F=0.5;NB=29，uo=0.747m/s ; 故 流體流過折流板缺口阻力損失： 式中：B=0.2m,Di=0.5m故 總阻力損失為：殼程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。八、換熱器主要結構尺寸和計算結果表計算結果表管程殼程質(zhì)量流速Kg/h99641.170000溫度進/出20/3055/4

14、0物性定性溫度2547.5密度Kg/m3997.0989.1比熱容KJ/Kg·4.1794.174粘度mPa·S0.89370.5734導熱系數(shù)W/m·0.60830.6443普蘭特數(shù)6.143.715設備結構參數(shù)型號固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑mm600殼程數(shù)1管徑mm25×2.5管心距mm32管長mm6000管子排列方式正三角形管根數(shù)（根）136折流擋板數(shù)29傳熱面積57.46折流板距mm200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結果管程殼程流速m/s1.2970.747傳熱膜系數(shù)W/·.53614504.0污垢熱阻 ·/W0.000170.00

15、017阻力損失/kw0.00240.057熱負荷Kw1156.5傳熱溫差21.2傳熱系數(shù)W/m2 ·1119.5裕度/%17.7九、設備參數(shù)的計算1. 殼體壁厚其中：鋼板在不考慮加工裕量時的厚度，mm； 計算厚度，mm； 鋼板負偏差，mm； 腐蝕裕量，mm； 圓整值。式中 ，為設計厚度，可用下式計算其中：設計壓力，取 殼體內(nèi)徑，mm 設計溫度下材料的許用應力， 焊縫系數(shù)依據(jù)化工設備機械基礎（華東理工大學出版社）表14-3，鋼制壓力容器中使用的鋼板許用應力可得，依表14-4焊縫系數(shù)可得，依表14-6腐蝕裕量的依化工設備機械基礎（華東理工大學出版社）表14-5，鋼板厚度常用規(guī)格及其負偏差

16、得故可根據(jù)JB/708-65 選用厚度為10mm的鋼板材質(zhì).2. 接管法蘭Dg管子平焊法蘭螺栓焊縫dHSDD1D2fbd重量（kg）數(shù)量直徑KH1251334235200178310181.988M16561501594.5260225202312182.628M16563.設備法蘭DgDDDDDbaad規(guī)格數(shù)量法蘭重量60073069065564564340151323M202835.1 4.封頭管箱 封頭：以外徑為公稱直徑的橢圓形封頭公稱直徑Dg曲面高度h1直邊高度h2內(nèi)表面積F（m2）容積v（m3）600150400.4640.396 5.設備法蘭墊片（橡膠石棉板）公稱直徑Dg墊片內(nèi)徑d

17、公稱壓力F(m2)墊片外徑D60061516655 6.管法蘭用墊片法蘭公稱壓力Mpa介質(zhì)溫度密封面型式墊片名稱材料冷卻水1.660光滑橡膠墊片橡膠板循環(huán)水1.660光滑橡膠墊片橡膠板 7. 管板管板厚度30，長度666，材料為16MnR。 8. 支墊（鞍式支座）公稱直徑Dg每個支座允許負荷tb1LBlK1bm重量（kg）60036.81805501202604209022026.39、設備參數(shù)總表序號圖號標準名稱數(shù)量材料單重（kg）總量（kg）1LNQ-001-3前瑞管箱1組合件84.52HG20592法蘭PL100-1.0 RF2Q235-B2.625.243GB8163-87接管108X

18、5 L=1602Q235-B4LNQ-001-2折流板 29Q235-A7.5217.55筒體DN127X4.51Q235-B2786LNQ-001-2拉桿4Q235-B4.216.87GB/T6170螺母M1684級0.040.328LNQ-001-3法蘭120II879墊片642/600 S=34石棉橡膠板0.310JB/T4701-2000法蘭-FM600-1.01Q235-B40.811筒體DN600X8 L=1401Q235-B16.812JB/T 4746-2002封頭EHA 600X51Q235-B1713GB/T14976換熱管25X2.5，L=60001560Cr18Ni93

19、.4530.414JB/T4712-92支座 500-S2Q235-A/Q235-B26.315JB/4701-2000法蘭-FM500-1.01Q235-B29.516SYJ11-65墊片2橡膠板0.150.317LNQ-001-3防松吊耳2Q235-B0.080.1618LNQ-001-2管板116MnR6519GB/T6170螺母 M201286級0.0648.220JB/T4707螺栓M20x150-A626.8級0.3320.4621SYJ11-65墊片1橡膠板0.3十、參考文獻1 天津大學，化工原理，天津，天津科學技術出版社，1990.2 魏崇關，鄭曉梅，化工工程制圖，北京，化學工

20、業(yè)出版社，1992.3 化工設備結構圖冊編寫組，化工設備結構圖冊，上海，上海科學技術出版社，1978.4 柴誠敬，劉國維，李阿娜，化工原理課程設計，天津，天津科學技術出版社，1994.5 譚蔚主編，化工設備設計基礎，天津大學出版社6 刁玉瑋，王立業(yè)編，化工設備機械基礎，大連理工大學出版社，1989.7 中華人民共和國化學工業(yè)部工程建設標準鋼制管法蘭，墊片，堅固件（1991-12）化學工業(yè)出版社.8 鋼制列管式固定管板式換熱器結構設計手冊1994.11.7.9 化工設備設計手冊材料與零部件，上海人民出版社.10 譚天恩，麥本熙，丁惠華：化工原理(上冊)，第2版，北京，化學工業(yè)出版社，1990，6.11 大連理工大學教研室編，化工原理課程設計，1994，7.12 夏清主編化工原理（上）天津大學出版社2005，1.13 齊齊哈爾大學化工原理教研室編，化工原理課程設計.十一、學習體會與收獲兩周的課程設計結束了，在這短短的二周里，從開始的一無所知，到同學討論，再進行整個流程的計算，再到對工業(yè)材料上的選取論證和后期的程序的編寫以及流程圖的繪制等過程的培養(yǎng)，我真切感受到了理論與實踐相結合中的種種困難，也體會到了利用所學的有限的理論知識去解決實際中各種問題的不易。 這次課程設計給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上