管殼式換熱器的設(shè)計課程設(shè)計

課程設(shè)計-4-化工原理課程設(shè)計設(shè)計題目：管殼式換熱器選型班級：2012級一班姓名：季恩卉學(xué)號：2012507072指導(dǎo)教師：郭瑞麗完成日期：2015年5月25日化工系

目錄 前言…………………………31.管殼換熱器的設(shè)計書……………………62.設(shè)計方案的確定…………62.1.管殼換熱器的型式…………………62.2.流程的選擇…………63.確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇列管換熱器的型式……………63.1.定性溫度……………73.2.物性參數(shù)……………74.換熱器的工藝計算…………74.1.估算總傳熱系數(shù)………………………74.1.1.熱流量…………74.1.2平均傳熱溫差…………………74.1.3．冷卻劑水用量………………84.1.4.選取K值，估算總傳熱系數(shù)………………84.2估算傳熱面積…………8換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計………………85.1.管徑和管內(nèi)流速………………………85.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)……………………85.3.傳熱管排列和分程方法………………85.4.計算平均傳熱溫差……………………95.5.殼體內(nèi)徑………………95.6.折流板…………………95.7.計算殼程流通面積及流速……………95.8.計算管程流通面積及流速…………106.換熱器核算…………………106.1傳熱系數(shù)的校核………………………106.1.1．傳熱面積………………………106.1.2.核算總傳熱系數(shù)…………………116.1.3.污垢熱阻…………116.1.4對流傳熱系數(shù)……………………116.1.5殼體對流傳熱系數(shù)………………116.1．6.傳熱面積…………116.2．換熱器內(nèi)流體的流動阻力………………126.2.1.管程流動阻力……………………126.2.2.殼程流動阻力……………………127.換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果…………138.在ChemCAD中的結(jié)果……………149.附圖……………1510.總結(jié)……………1711.參考文獻………………………177防沖板8儀表接口9加強圈10殼體(部件)11折流板12旁路擋板13拉桿14定距管15支持板16雙頭螺柱或螺栓17螺母18外頭蓋墊片19外頭蓋側(cè)法蘭20外頭蓋法蘭21吊耳22放氣口23凸形封頭24浮頭法蘭25浮頭墊片26球冠形封頭27浮動管板28浮頭蓋(部件)29外頭蓋(部件)30排液口31鉤圈32接管33活動鞍座(部件)34換熱管35擋管36管束(部件)37固定鞍座(部件)38滑道39管箱墊片40管箱圓筒(短節(jié))41封頭管箱(部件)42分程隔板換熱器材質(zhì)的選擇在進行換熱器設(shè)計時，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強度或剛度的角度來考慮，是比較容易達到的，但材料的耐腐蝕性能，有時往往成為一個復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周，選材不妥，不僅會影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。

一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。

（1）碳鋼

價格低，強度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。不銹鋼

奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表，它是標準的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。1．化工原理課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：管殼式換熱器選型設(shè)計任務(wù)書：操作條件：①有機物：入口溫度78℃，出口溫度21℃

②冷卻介質(zhì)：河水，入口溫度20℃

③允許壓強降：不大于100KPa管路布置如圖（參考圖），已知泵進口段官場L進=5m，泵出口段管長L出=15m（均不包括局部阻力損失）。

設(shè)備型式：管殼式換熱器

設(shè)計要求：選用一個合適的換熱器；合理安排管路；選用一臺合適的離心泵。2．設(shè)計方案的確定2.1.管殼換熱器的型式：用水做冷卻劑時，出口溫度不宜超過40度，選定出口溫度為30度。兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度78℃，出口溫度60℃，該換熱器用循環(huán)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，兩側(cè)的溫差比較大。而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造較容易、處理能力大、適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。故因此初步確定選用列管式換熱器。2.2流程的選擇：從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使氯苯走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)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(yīng)使循環(huán)水走管程，氯苯走殼程。3.確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)并選擇管殼換熱器的型式3.1.定性溫度定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。有機物的定性溫度為：水的定性溫度為：管程冷卻水的定性溫度為t=25(°C)殼程有機物的定性溫度為T=69(°C)3.2.物性參數(shù)根據(jù)在定性溫度，分別查詢殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。有機物在69C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρ0=997㎏/m3定壓比熱容Cp0=2.22kJ/（kg.k）導(dǎo)熱系數(shù)λ0=0.16（W/m.k）μ=0.6mPa·s循環(huán)冷卻水在25°C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度ρi=995.6㎏/m3定壓比熱容cpi=4.18kJ/（kg.k）導(dǎo)熱系數(shù)λi=0.613（W/m.k）粘度μi=0.000801（Pa.s）4.換熱器的工藝計算4．1估算總傳熱系數(shù)4．1.1熱流量（忽略熱損失）=532.8kw4．1．2平均傳熱溫差（忽略熱損失）4．1.3冷卻水用量=9.105kg/h4．1．4估算總傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)殼程傳熱系數(shù)先假設(shè)殼程傳熱系數(shù)α0=1500w/(m^2*℃)污垢熱阻為Rsi=0.00017179m^2*℃/wRs0=0.00017179m^2*℃/w管壁的導(dǎo)熱系數(shù)k=45w/(m^2*℃)4.2估算傳熱面積考慮到15%的面積裕度，S=S’*15%=24.305．換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 5.1管徑和管內(nèi)流速選用的碳鋼管，管內(nèi)流速取μ=0.5m/s。5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑流速確定單程傳熱管數(shù)：按單程管計算，所需的傳熱管的管長度為：由上面的計算結(jié)果可知，按單程管設(shè)計的話，傳熱管過長，應(yīng)該采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器管程數(shù)為：管內(nèi)流速為：5.3傳熱管排列和分程方法采用組合排列方法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距,則橫過管束中心線的管數(shù)： 5.4.計算平均傳熱溫差平均傳熱溫差校正系數(shù)由R和P查“查化工原理課程設(shè)計指導(dǎo)圖2-6(a)”得平均傳熱溫差：5.5.殼體內(nèi)徑殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進入和排出之用。采用多管程結(jié)構(gòu)，取管的利用率η=0.7，則殼體的內(nèi)徑為：圓整可取D=450mm5.6.折流板安裝折流板的目的是為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流速度加劇，提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以流體橫向穿過管束，增加流體速度，以增強傳熱，同時用以支撐管束、防止管束震動和管子彎曲的作用。弓形折流板簡單，性能優(yōu)良，在實際中最常用。本次設(shè)計采用弓型折流板。①圓缺高度采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的35%，則圓缺高度為：h=0.35*400=140mm②折流板間距B=600mm③折流板數(shù)折流板數(shù)5.7接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)有機物流速u1=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為：圓整后可取內(nèi)徑為146mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為：圓整后可取內(nèi)徑為102mm。5.7.計算殼程流通面積及流速殼程流通截面積：殼程流體流速極其雷諾數(shù)分別為：5.8.計算管程流速管內(nèi)柴油流速：雷諾數(shù)：6.換熱器核算6.1傳熱系數(shù)的校核6.1．1．殼體對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可用Kern公式：當(dāng)量直徑：殼程流通截面積：殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為：普朗特數(shù)：殼程對流傳熱系數(shù)：（2）管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積：Si=0.785*(0.022)*(96-12)/2=0.026376m2管程流體流速：管程給熱系數(shù)傳熱系數(shù)（4）傳熱面積該換熱器的面積裕度為：H=（（Sp-S）/S）*100%=16.247%該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。換熱器內(nèi)流體的流動阻力TC"換熱器內(nèi)流體的流動阻力"\fC（1）管程流體阻力換熱器壓降的計算——為直管及回管中因摩擦阻力引起的壓強降；——結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，對的管子，取1.4；——管程數(shù)串聯(lián)的殼程數(shù)Re=11509.136傳熱管粗糙度為：0.01/20=0.0005查莫迪圖得=（341.125+179.864）×1.4×1×2=0.014587mPa<0.1mPa(2)殼程壓降——流體橫過管束的壓強降(Pa);——流體通過折流板缺口的壓強降(Pa);——殼程壓強降的結(jié)垢結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，液體可取1.15?！茏优帕蟹椒▽簭娊档男Ｕ驍?shù)，對正三角形排列F=0.5——殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時,;——橫過管束中心線的管子數(shù);——折流擋板數(shù);——折流擋板間距(m);——按殼程流通截面積計算的流速(m/s);=(1108.675+1214.583)=2323.258<0.1mPa結(jié)論：殼程流動阻力也比較適宜。7、換熱器設(shè)計結(jié)果一覽表換熱器型式：固定管板式換熱器面積（㎡）：41.12工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水某有機液體操作壓力，MPa0.021690.005447操作溫度，℃15/3278/60流量，kg/s9.10515流體密度，kg/995.6997流速，m/s0.34680.2547傳熱量，kw573.39總傳熱系數(shù)，w/㎡·k532.8對流傳熱系數(shù)，w/㎡·k2457.6441093.1134污垢系數(shù)，㎡·k/w0.000171790.00017179阻力將，Pa2276.299024.38程數(shù)21使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格Φ.5管數(shù)126管長，mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流板形式上下(共9個)間距32mm殼體內(nèi)徑/mm2758切口高度140mm三、安排管路和選擇合適的離心泵1．管徑初選初取水合適流速u=0.6m/s由于201.9mm不是標準管徑，因此確定d=203mm壁厚6mm的熱軋無縫鋼管：符合經(jīng)濟流速范圍故確定：d=191mm壁厚6mm2.壓頭He在水槽液面及壓力表處列柏努利方程取，，查圖得局部阻力：底閥一個標準90°彎頭3個球心閥1個（全開）另外：突然減小=0.5，突然增大=1.0故換熱器壓降對泵的壓頭安全系數(shù)取1.1，=1.110.798=11.878m對流量的安全系數(shù)取1.4，qve=1.432.92=46.0883.泵的選擇因為是輸送河水，并且根據(jù)和以及IS型離心泵系列特性曲線可以選用清水泵，由以上數(shù)據(jù)查表得取泵：IS100-65-200其參數(shù)為：離心泵的型號規(guī)格型號轉(zhuǎn)速n/(r/min)流量揚程/m效率功率必需氣蝕量（NPSH）r/m質(zhì)量（泵/底座）/kgm3/hL/s軸功率電機功率IS100-65-20014505013.912.5732.334281/644、管路布置如圖所示：管路選擇203mm×6mm的鋼管，至少使用下列零件：底閥1個；標準90°彎頭3個；球心閥1個。由于計算所得有效壓頭為10.788m，（安全壓頭為11.878m）；有效流量為32.92m3/h（安全流量為46.088m3/h），根據(jù)離心泵特性曲線和工作點，選取型號為IS100-65-250的離心泵。四、主要符號說明P——壓力，Pa;Q——傳熱速率，W；R——熱阻，㎡·K/W；Re——雷諾準數(shù)；S——傳熱面積，㎡；t——冷流體溫度，℃；T——熱流體溫度，℃；u——流速，m/s;——質(zhì)量流速，㎏/h;——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(㎡·K);——有限差值；——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);——粘度，Pa·s;——密度，㎏/m3;——校正系數(shù)。r——轉(zhuǎn)速，n/(r/min)H——揚程，m——必須汽蝕余量，mA——實際傳熱面積，Pr——普郎特系數(shù)NB——板數(shù)，塊K——總傳熱系數(shù)，W/(㎡·K)——體積流量Nt——管數(shù)，根Np——管程數(shù)l——管長，mKC——傳熱系數(shù)，W/(m·K)△tm——平均傳熱溫差，℃8.在ChemCAD中的結(jié)果SUMMARYREPORTGeneralData:HeatTransferData:ExchClass/TypeR/AELEffectiveTransferArea219.02ShellI.D.0.70AreaRequired380.44ShellinSeries/Parallel1/1CORLMTD13.57NumberofTubes320U(Calc/Service)428.70/744.66TubeLength9.00HeatCalc4585.74TubeO.D./I.D.0.0250/0.0200HeatSpec7965.53Excess%-42.43TubePatternTRI30Foul(S/T)1.761E-004/1.761E-004TubePitch0.03DelP(S/T)13.49/50.69NumberofTubePasses2SSFilmCoeff697.13NumberofBaffles57SSCSVel0.35BaffleSpacing0.15TWResist0.000056BaffleCut%21TSFilmCoeff2801.03BaffleTypeSSEGTSVel517.89Thermodynamics:K:UNIF