哈工大-化工原理課程設(shè)計(jì)-大作業(yè)-列管換熱器的設(shè)計(jì)與選用-修正版

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）課程名稱： 化工原理 設(shè)計(jì)題目： 列管換熱器的設(shè)計(jì)與選用 院 系： 化工與化學(xué)學(xué)院 班 級(jí)： 2333333 設(shè) 計(jì) 者： 吉安娜 學(xué) 號(hào)： 2333333333 指導(dǎo)教師： 徐衍嶺 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2016年11月11日 （僅供交流學(xué)習(xí)之用，請(qǐng)?jiān)谙螺d后24h內(nèi)刪除）哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 姓 名：吉安娜 院 （系）：化工與化學(xué)學(xué)院 專 業(yè)：占卜學(xué) 班 號(hào)：23333333 任務(wù)起至日期： 2016年 11 月 01 日至 2016 年 11 月 17 日 課程設(shè)計(jì)題目： 列管換熱器的設(shè)計(jì)與選用

2、已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：1. 處理能力：10.125×104噸/年（年開(kāi)工天數(shù)300天，每天開(kāi)工24小時(shí)）2. 操作條件：溫度：苯：入口溫度：80  出口溫度：40水：入口溫度：25  出口溫度：30（25+510）允許壓力：不大于60KPa3. 設(shè)備型式：列管式換熱器 工作量： 工作計(jì)劃安排： 同組設(shè)計(jì)者及分工： 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書(shū)由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）一、 設(shè)計(jì)條件4. 處理能力：10.125×104噸/年（年開(kāi)工天數(shù)300天，每天開(kāi)工24小時(shí)

3、）5. 操作條件：溫度：苯：入口溫度：80  出口溫度：40水：入口溫度：25  出口溫度：30（25+510）允許壓力：不大于60KPa6. 設(shè)備型式：列管式換熱器二、 設(shè)計(jì)方案1. 估算傳熱面積，初選換熱器型號(hào)1) 確定出口溫度一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)冷卻水兩端溫度差可取為510。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水資源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。哈爾濱地處北方，水資源相對(duì)缺乏，故選擇冷卻水較大的溫度差10，即冷卻水的出口溫度為35。2) 基本物理性質(zhì)數(shù)據(jù)冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，取入口溫度為：25，出口溫度為：35苯的定性溫度：Tm=80+402=60水的定性溫度：tm=(25+35)2=30

4、兩流體的溫差：Tm-tm=60-30=30查表，知兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：表1. 苯和水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)流體名稱密度/m3比熱KJ/(·)粘度 mPa·s導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·)苯836.61.8280.3810.151水996.354.1760.8520.6133) 計(jì)算熱負(fù)荷（不計(jì)熱損失） 苯的質(zhì)量流量qm1=10.125×104×103300×24=14062.5Kgh 熱負(fù)荷Q=qm1cp1T1-T2=14062.53600×1.828×103×80-40=2.86×105W

5、 冷卻水消耗量qm2=Qcp2(t2-t1)=2.86×105×36004.176×103×35-25=2.47×104Kgh4) 確定流體的流徑該設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體是苯，冷流體為水，本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程，為使苯通過(guò)殼壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果，且水易結(jié)垢，令苯走殼程，水走管程。5) 計(jì)算平均溫度差暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時(shí)平均溫差。苯 80 40 t1=T1-t2=80-35=45冷卻水 35 25 t2=T2-t1=40-25=15t1t2=4515=3>2故 tm逆=t1-t2lnt1t2=T1-t

6、2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1=80-35-(40-25)ln80-3540-25=27.31計(jì)算R和PR=T1-T2t2-t1=80-4035-25=4 P=(t2-t1)(T1-t1)=(35-25)（80-25）=0.18由書(shū)本P147圖4-25（a）查得溫度校正系數(shù)=0.90，又>0.8，故單殼程、雙管程可行，其平均溫度差如下tm=tm逆=0.90×27.31=24.5796) 選取總傳熱系數(shù)，估算傳熱面積參考書(shū)本P152表4-7，選用總傳熱系數(shù)K估=500W/(m2K)，則A估=QK估tm=2.86×105500×24.579=23.2

7、7m27) 初選換熱器型號(hào)由于兩流體溫差Tm-tm=60-30=30<50，且允許壓強(qiáng)降不大于50kPa，故可選擇固定管板式換熱器。 流程的選定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，選定循環(huán)水走管程；為了便于苯的散熱，減少冷卻劑用量，選定苯走殼程。 流體流速的選擇由書(shū)上P174表4-9、表4-10可知：水為易結(jié)垢液體，且在定性溫度下，水的粘度 w=0.852mPas<1mPas，故流速取值范圍為1m/s2.4m/s，取流速為u1=1.8m/s 換熱管規(guī)格和排列方式a) 管徑的選取由于水易結(jié)垢，考慮管束的清洗方便，且為了避免管子堵塞，選定管徑為25mm×2.5mm的熱交換

8、用普通無(wú)縫鋼管。其內(nèi)徑d1=0.025-2×0.0025=0.02m，外徑d2=0.025mb) 管子根數(shù)的計(jì)算由冷卻水的消耗量qm2=2.47×104Kgh，可知冷卻水的體積流量為qv=qm=2.47×104996.35=24.79m3/h又qv=n'4d12u1=n'×4×0.022×1.8×3600=24.79m3/h可求得n'=13根c) 管長(zhǎng)的計(jì)算由管子根數(shù)和估算的傳熱面積可求管長(zhǎng)為L(zhǎng)'=A估n'd2=23.27×13×0.025=23m若用4管程，則每管

9、程的管長(zhǎng)選用l=6000mm。d) 管子的排列方法考慮管外清洗方便，且傳熱效果較好，選用正方形錯(cuò)列，即將管束斜轉(zhuǎn)45°安裝。管中心距t=32mm。 折流擋板的選定折流擋板間距取 h=300mm，故折流擋板數(shù)NB=lh-1=60.30-1=19塊。 初選換熱器型號(hào)由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)初選固定管板式換熱器的管總數(shù)N=76根，故每管程的管數(shù)n=76/4=14根。傳熱面積 A選=35m2。其主要參數(shù)如下表2. 初選固定管板式換熱器的主要參數(shù)殼徑DN/400管子尺寸/25×2.5管程數(shù)4管長(zhǎng)/m6管子總數(shù)/根76管子排列方法正方形錯(cuò)列每管程的管數(shù)/根14折流擋板間距/mm300管中心距/

10、mm32折流擋板數(shù)/塊19三、 工藝核算1. 核算壓強(qiáng)1) 管程壓強(qiáng)降Pi=（P1+P2）FtNpNsFs：結(jié)垢校正系數(shù)，無(wú)因次，25x2.5mm的換熱管取1.4；Np：管程數(shù)=4；Ns：殼程數(shù)=1管程流通面積: Ai=4d12nNP=4×0.022×764=0.0060m2管程流速: ui=qVAi=24.790.0060×3600=1.15m/s 管內(nèi)雷諾數(shù): Rei=d1ui=0.02×1.15×996.350.852×10-3=2.69×104>104 (湍流)取管壁粗糙度=0.1mm，d1=0.120=0.0

11、05，由關(guān)系圖中查得=0.036，所以P1=Ld1ui22=0.036×60.02×996.35×1.1522=7.12PaP2=3ui22=3×996.35×1.1522=1.98Pa管程壓強(qiáng)降：Pi=（P1+P2）FtNpNs=7.12+1.98×1.4×4×1=50.96Pa<60KPa故管程壓強(qiáng)降50.96Pa<60KPa，符合工藝要求。2) 殼程壓強(qiáng)降P0=（P1+P2）FtNsFt為結(jié)垢校正系數(shù)，無(wú)因次。對(duì)液體Ft=1.15，對(duì)氣體Ft=1.0，故本設(shè)計(jì)中Ft=1.15；Ns=1 流經(jīng)管束的

12、阻力P1=Ff0nc(NB+1)u022a) 因?yàn)楣茏訛檎叫涡鞭D(zhuǎn)45°排列，故b) 取折流擋板間距h=0.30m，故NB=Lh-1=60.30-1=19塊c) nc=1.1n=1.17610d) 流速u根據(jù)流體流過(guò)的最大截面積Smax計(jì)算：殼程流通面積：A0=0.30*0.4(1-0.0250.032)=0.026m2殼程流速：u0=qVA0=qm1A0=14062.53600×836.6×0.026=0.180m/s當(dāng)量直徑： =0.027m殼內(nèi)雷諾數(shù)：Re0=d2u0=0.027 ×0.180×836.60.381×10-3=1

13、0671.59>2000（湍流）故殼程流體摩擦因數(shù)：f0=5.0×Re0-0.228=5.0×10671.59-0.228=0.603所以P1=Ff0ncNB+1u022=0.4×0.603×10×19+1×836.6×0.18022=653.79Pa 流體流經(jīng)折流板口的阻力P2=NB3.5-2hDu022=19×3.5-2×0.30.4×836.6×0.18022=515.01Pa 殼程壓強(qiáng)降：P0=P1+P2FtNs=653.79+515.01×1.15×

14、1=1344.12Pa<60KPa故殼程壓強(qiáng)降1344.12Pa<60KPa，符合工藝要求。計(jì)算表明，管程和殼程的壓強(qiáng)降都能滿足設(shè)計(jì)的要求。2. 核算換熱器總傳熱系數(shù)1) 管程對(duì)流傳熱系數(shù)已算出Rei=2.69×104故Pri=Cp=4.176×103×0.852×10-30.613=5.804i=0.023dRei0.8Pri0.4=0.023×0.6130.02×(2.69×104）0.8×5.8040.4=4982.54Wm-2K-12) 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)0=0.36dRei0.55Pri13(w

15、)0.14已算出Re0=10671.59故Pr0=Cp=1.828×103×0.381×10-30.151=4.61 粘度校正 ()1故0=0.36deRei0.55Pri13(w)0.14=0.36×0.1510.027×10671.590.55×4.611/3×10.14=550.40Wm-2K-13) 參考教材附錄，管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為：Rsi=0.26×10-3m2KW-1 Rs0=0.176×10-3m2KW-14) 總傳熱系數(shù)忽略管壁熱阻時(shí)，總傳熱系數(shù)如下：Ke=110+Rs0+Rsid

16、0di+d0idi=11550.40+0.176×10-3+0.26×10-30.0250.02+0.0254982.54×0.02=389.30(Wm-2K-1)由前面的計(jì)算知，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的Ke=398.90(Wm-2K-1)，而所選用換熱器的總傳熱系數(shù)為K=QA選tm=2.86×10535×24.579=332.46(Wm-2K-1)，故所選擇的換熱器是合適的。其安全系數(shù)為389.30-332.46332.46×100%=17.10%（滿足要求，在范圍之內(nèi)：10%25%）3. 核算換熱器傳熱面積A=QKtm=2.8

17、6×105389.30×24.579=29.89m2與原估值基本相符，且A選A=3529.89=1.17，即與所選換熱器的面積A選=35m2相比較，有17%的裕量。滿足要求，在范圍之內(nèi)：10%25%。綜上計(jì)算表明，所選換熱器的規(guī)格可用。四、 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表?yè)Q熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果參數(shù)管程（冷卻水）殼程（苯）流量/(kg/h)2.47×1041.41×104進(jìn)/出口溫度/25/3540/80壓強(qiáng)降MPa60kPa物性定性溫度/3060密度/（kg/m3）996.35836.6定壓比熱容/kJ/（kg）4.1761.828黏度/（Pas）0.852×0.381×導(dǎo)熱系數(shù)/（