化工原理课程设计--用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计.docx

化工原理课程设计设计题目：用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计设目录第一章设计任务书4Ll设计题目4L2设计条件41.2.1甘油41.2.2冷却水4L3设计任务：4第二章设计方案简介52.1 列管式换热器型式选择52.2 流体流通路径的选择52.3 流体流向选择5第三章工艺计算及主体设备设计计算及选型63.1设计条件确定63. 1.1甘油64. L2水64.2 流体定性温度确定64.3 流体在定性温度下的物性数据64.4 热负荷和冷却水流量的计算735平均温度差的计算73.6初选换热器规格8第四章总传热系数的核算94.1 核算总传热系数KO91 .1.1计算管程对流传热系数294 .1.2壳程对流传热系数aI942污垢热阻计算104.3 核算总传热系数K计104.4 壁温核算11第五章计算压强降125.1管程的压强降1252壳程的压强降12第六章辅助设备的计算及选型146.1 管箱146.2 封头146.3 旁路挡板146.4 折流板146.5 接管146.6 导流筒146.7 放气孔、排气孔15第七章设计结果一览表16第八章对设计的评述17参考文献18附录：换热器图纸第一章设计任务书LI设计题目用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计1.2设计条件1.2.1甘油处理量：学号后四位平均值*10kgh进口温度：100120°C出口温度：40-45压强降：IOlJkPaL2.2冷却水进口温度：（2025范围选择）出口温度：（3O35范围选择）压强降：VlOI.3kPa1.3设计任务：（1）根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板数目、形式等。（2）绘制列管式换热器的装配图。（3）编写课程设计说明书。第二章设计方案简介2.1 列管式换热器型式选择考虑清洗和检修的方便，以及换热器对热应力的消除情况。因此，考虑选用浮头式换热器。2.2 流体流通路径的选择在流体流通路径的选择中，易结垢的液体易走管程，便于清洗，而冷却水易结垢；同时，水用于冷却25%甘油，冷却水走管内有利于减少冷量流失，使冷却效果有所提升。所以综合考虑冷却水走管内，25%甘油走壳程。2.3 流体流向选择在各种流动方式中，顺流和逆流可以看作是两个极端情况。在流体的进、出口温度相同的条件下以逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，其他各种流动方式的平均温差均介于顺流、逆流之间。因此，在逆流操作时平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，可减小所需的传热面，或者在传热面相同时逆流可传递较多的热量。因此综合考虑，选择逆流为流体流向。第三章工艺计算及主体设备设计计算及选型3.1设计条件确定3.1.1甘油处理量：54395kgh进口温度：Ti=1000C出口温度：T2=40°C3.1.2水进口温度：t=25°C出口温度：t2=35°C3.2流体定性温度确定定性温度是指某种介质（冷介质或热介质）在求物性参数时使用的温度,如果介质粘度不大，取进出口温度的算术平均温度。因此:25%甘油的定性温度：70冷却水的定性温度：1=呼=303. 3流体在定性温度下的物性数据冷却水的定性温度为30,可通过查川得水在该温度下的物性数据。通过查可查得甘油的物性数据，其中25%甘油的比热容通过计算得到，计算方法如下：水在70下的比热容：Cpl=4.187kJ/(kg0C)25%甘油在70下的比热容：Cp2=2.66kJ/(kg°C)根据C=CP2w+Cpi(l-w),其中CPI为水在70下的比热容，品2为纯甘油的比热容,w为溶液中甘油的质量分数，所以25%甘油的比热容为：C=CP2×25%÷Cpl×75%=2.66×0.25+4.187×O.75=3.8O5kJ/(kg)将水和25%甘油在其定性温度下的物性数据记录入表1:表1水和25%甘油在定性温度下的物性数据流体温度/p(kgm3)"PasQkJ(kgoC)AW(moC)25%甘油7010480.7255×lO33.8050.570水30995.70.8007×lO34.1740.61764. 4热负荷和冷却水流量的计算热负荷计算：CCF、54395×3.805×103×(100-40)八”Q=qmiCp(T72尸777=3449549.58WOOUU冷却水流量的计算：Qm2=Q3449549.58×3600,一“;7-=297517.45kghCp2(tl-t2)4.174×103×(35-25)D5. 5平均温度差的计算计算两流体的平均温差，暂按单壳程，偶管程计算。且已确定流体的流向为逆流，所以逆流时平均温度差为:(Tl-t2) - (T2-tl)= 34.12°C(IOO-35) - (40-25).(100-35) In(40-25)50 ln4.3图11壳程2管程对数平均温度差校正系数由图1得修正系数=0.95则gn=0At逆=0.95x34.12=32.4143.6初选换热器规格查阅根据传热系数经验值，初选Ko=39OW/(?.C),故3449549.58= 2728m2KoAtm 390X32.414初选BES900-2.5-279-6/19-2型换热器，有关参数如下:表2BES900-2.5-279-6/19-2型换热器参数壳径mm900管子规格mm19×2公称压强/MPa2.50管长/m6计算传热面积/痛279.2管子总数800管程数2管子排列方法正方形斜转45°管程流通截面积m20.0707管子材料不锈钢中心排管数NC22第四章总传热系数的核算4.1核算总传热系数K04.1.1计算管程对流传热系数a?管程流体体积流量:=0.08300 (m3s)vz-gm2,297517.45Cp-995.7×3600管程流体速度:= 1.174msVc0.08300U2-=“4”.0.0707雷诺数:Re=d2,u2p-0.015X1.174X995.70.8007x10-3=21898.68因为Re=21898.68>10000所以管内流体流动是充分湍流的。.皿+必nCPR4.174×103×0.8007×103L一普朗特效：尸厂=+=5.410.6176所以管程流体对流传热系数为：a2=0.023-Rea8P4=0.023××21898.6808×5.41040.015=5520.23W(m2oC)6. 1.2壳程对流传热系数CU换热器列管之中心距t=-=普=39.13mm,则取换热器列管中心距为Nc+122+139mm,折流板间距取B=250mm,则流体通过管间最大截面积为：SeBD(I-B尸0.25x0.9x(1-=0.115m2壳程流体的流速：_Qvi_54395C/Uy-=0.125ms1 Smax3600×0.115×1048当量直径：de-=0.083m4(t2-d?)_4(0.0392x0.0192)d1×0.0194wCdeu1p0.083×0.125×10484j雷诺数：；=14986.910.7255×103-a+皿nCPU3.805×103×0.7255×103,C普朗特数：Pr=-=-=480.57因为壳程中25%甘油被冷却，取(jl)z4=0.95所以=0.364；3)°学)IB(JL)0.1457=0.36×-(14986.91)055(4.84)lz3×0.950.083=786.54W(m20C)4.2污垢热阻计算参考中工业上常用流体形成的污垢热阻的经验值，得管内、外侧污垢热阻分别为：2=0.00034m2oCW(冷却水)Rv=0.00017m2oCW(有机液体)内管材料热导率/lm=17.4W(m°C)4.3核算总传热系数K计换热管对数平均直径:0.019-0.015,0.019In0.015=0.0169mK二Ji1=q+0.00017+0.00034x吗一786.5417.4×0.01690.0155520.23×0.015=448.28W(m20C)按此传热系数，计算所需要的传热面积:Q3449549.58-237.40mKjQtni448.28X32.414279.24* 237.40Il= 1.176在 1.15-1.25 之间，所以 Ko=39OW/ (m2°C)符 A计合。A-Ai,27922740裕度:H=TLX100%=X100%=17.61%A计237.40传热裕度应在15%-25%之间，即传热面积裕度合适，且裕度为H=17.61%,该换热器能够完成生产任务。4. 4壁温核算-Ta1+ta2-70×786.54+30×5520.23tw35Ca1+a2786.54+5520.23查535下水的黏度为：jWm=0.7225×l03Pa.s查35C下甘油的黏度为：w=1.5000×103Pa.s对壳程:对管程:0.140.140.72551.50000.80070.72250.14=0.900.14)=1.01Z所以计算管程、壳程时假定的（含）°14=O.95值是正确的壳体壁温，可近似取壳体流体的平均温度，即T=7（C壳体壁温和传热管壁温之差为优=70-35=35。以该温度差不大，但是考虑清洗和检修方便，且换热器壳程压力较大，因此，选用浮头式换热器较适宜。第五章计算压强降5.1管程的压强降设管壁粗糙度,=0.I5mmJ=0,01管程：Re=21898.68查图2得a=0.041一O(MMX)05OOOOOl26雷诺教ReOOI0 0090 0080 0018嫩0 000400002000010 005002I ! 0,015(疆萍菽 O5O4O3O2OI5.6004002 Ooo-O-O- Oo O O O0.1g080706050403)25OooSO.S 60.0mS-Z 3:/4图2摩擦系数人与雷诺数Re及相对粗糙度;的关系图a因为管子排列的方式为正方形斜转45。，所以查得E=I.4,Ns=I,Np=2"2=(小+3)凡&Np等2=(0.041×-1-3)×1.4×1×2×"5,7x1-1740.0152=31749Pa=31.749KPa<101.3KPa所以管程流体阻力在允许范围之内5. 2壳程的压强降APi=尸十NTL(NB+l)+(3.5-y)Aer/V=-1=-1=23,Nl=1.19(N)o5=1.19×8OOo5=33.66对于正方形斜转45。，F=0.4,对液体n=1.15,当Re>500时：o=5.ORe-o228=5×14986.91-0228=0.558壳程压力降为：P1=.4X0.558×33.66X(23+1)+23×(3.5-X1.15X1048×0.12522=2335Pa=2.335KPa<101.3KPa所以壳程流体阻力在允许范围之内第六章辅助设备的计算及选型6.1 管箱因为DN=900mm,DNN90Omm,所以应选封头管箱。6.2 封头对于封头，有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于40Omm）的壳体；圆形用于较大直径的壳体。因为壳体直径D=900mm>4()0mm,所以其封头采用圆形封头。6.3旁路挡板因为DN=900mm,在800-120Omm之间，所以旁路挡板数量选3对。6.4折流板折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，并提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。折流板采用25%的圆缺型折流板。折流板间距B=250mm,折板高度H=900×0.25=225mm则折流板数目：NB=J-I=之一1=23B0.Z56.5接管(1)管程流体进出口接管：取管内冷却水流速2=l5ms,则接管内径为4×297517.45CCL=0.26550=265.50mm3.14×995.7X1.5X3600根据GB/T8163-2008圆整后取接管为325mm×28mm£4× 54395(2)壳程流体进出口接管：取壳内25%甘油流速U=1.0ms,则接管内径为-=0.13552m=135.52nn3.14×1048×1×3600根据GB/T8163-2008圆整后取接管为168mm×16mm6.6导流筒壳程流体的进出口和管板间必须存在有一段不能流动的空间，为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进出壳程时必须经过这个空间。6.7放气孔、排气孔换热器的壳体上常设有放气孔、排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。第七章设计结果一览表参数管程(水)壳程(25%甘油)流量/(kgs)82.6415.11进/出口温度/(C)25/35100/40压强降/(KPa)<101.3<101.3定性温度/()3070密度/(kgm3)995.71048物性比热容/kJ(kg°C)4.1743.805粘度/(Pas)0.8007XlO-30.7255×W3热导率/(WZm-eC)0.61760.570普朗特数5.414.84主要计算结果流速/(ms)1.1740.125对流传热系数/W(m2oC)5520.23786.54污垢热阻/(m2CW)0.000340.00017压强降/(KPa)31.7492.335计算传热面积/(m2)237.40传热面积裕度17.61%设备结构参数形式浮头式台数1壳体内径mm900折流板间距mm250管径mm19×2中心排管数22管长/m6管心距mm39管数目/根800折流板数/个23传热面积/m?279.2管子排列正方形斜转45。管程数2材质不锈钢壳程数1第八章对设计的评述在本次设计，我们查阅了大量文献，并参考了大量教材及国标。从文献以及教材、国标中确定出设计参数，从而保证了计算的准确性。同时在设计过程中我们积极讨论，参考教材中已有其他类型的设计书，保证了设计及计算步骤的严谨性。设计中通过多次计算与修改我们最终选用了BES900-2.5-279-6/19-2型浮头式换热器。主要考虑了其相比于固定管板式换热器的清洗维修的方便，以及其可完全消除热应力，并且他是工业生产中应用较多的一种换热器结构形式。在本次设计中我们多次因为K值的选择不对而导致重新计算，同时我们也充这种失败中明白了设计是一种全局的概念。比如在这次的课程设计中，我们不仅需要对换热器进行设计选型，还要考虑换热器的辅助设备的设计选型，所以必须将两者综合考虑，才能使设计内容上下相符。如果一处地方错误将可能会导致满盘皆输。同时团队的成员需要仔细认真，最重要的还是要强调团队合作。同时通过这次课程设计加强了我们的专业知识的学习，也加强了我们专业知识与生产实际的结合。但是由于是第一次的化工原理课程设计，经验不足，可能有很多地方还未考虑到，可能也有错误之处，恳请老师批评指正。参考文献1杨祖荣，刘丽英等.化工原理M.第三版.北京：化学工业出版社，2014.392.2刘光启，马连湘，刑志有等.化学化工物性算图手册（有机卷）M.北京：化学工业出版社，2002.600-6043钱颂文.换热器设计手册M.北京:化学工业出版社,2002.4马江权，冷一欣等.化工原理课程设计M.第二版.北京：中国石化出版社，2011.665杨祖荣，刘丽英等.化工原理M.第三版.北京：化学工业出版社，2014.393.6刘光启，马连湘，刑志有等.化学化工物性算图手册(有机卷)M.北京：化学工业出版社，2002.578-579.7陈敏恒，丛德滋等.化工原理M.第三版(上册).北京：化学工业出版中心，2006.227-2288GB151-1999管壳式换热器.9杨昆，刘伟.一种测量生物组织热导率的新方法J.工程热物理学报，2005,(2):195-198.10A.F.Ca6ypoB.甘油水溶液热物理性质的关系式J.日用化学工业译丛，1988,(1):39-40.