化工原理课程设计列管式换热器（热水冷却器）.doc

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1、化工原理课程设计任务书课题名称 列管式换热器（热水冷却器）课题性质 工程设计类 班 级 应用化学（一）班 学生姓名 XXXXXX 学 号 20090810030117 指导教师 XXXXXX 目录目录1任务书3一设计题目3二设计的目的3三设计任务及操作条件3四设计内容4符号说明4确定设计方案51.选择换热器类的52.流程的安排5确定物性数据5估算换热面积71.热流量7工艺结构尺寸81.管径和管内流速82.管程数和传热管数83.平均传热温差校正及壳程数84.传热管排列和分程方法95.壳体内径96.折流板107.其它附件108.接管10换热器核算111.热流量核算11（1）壳程表面传热系数11(2

2、)关内表面传热系数12（3）污垢热阻和管壁热阻12(4)传热系数Kc13(5) 传热面积裕度132.壁温核算14换热器内流体的流动阻力15（1）管程流体阻力15（2）壳程阻力16换热器主要结构尺寸和计算结果表17参考文献18设计结果评价19总结21任务书一设计题目热水冷却器的设计二设计的目的通过对热水冷却器的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择合适的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。三设计任务及操作条件1 处理量 4.1104t/a热水2.设备型号 列管换热器3.操作条件（1）热水：入口温度85，

3、出口温度52（2）冷却介质：循环水，入口温度24，出口温度36（3）允许压降：不大于105Pa（4）每年按330天计算，每天24小时连续运行4.建厂地址 江西地区四设计内容（1）设计计算列管式换热器的热负荷，传热面积，换热管，壳体，管板，封头，隔板及接管等。（2）绘制列管式换热器的装配图。（3）编写课程设计说明书符号说明英文字母 气化潜热，kJ/kg;B折流板间距，m； R热阻，m2/ W;因数；C系数，无量纲； Re雷诺准数；d管径，m； S传热面积，m2；D换热器外壳内径，m； t 冷流体温度，；f摩擦系数； 管心距，m；F系数； T热流体温度，；h圆缺高度，m； u流速，m/s；K总传热

4、系数，W/(m2); W质量流量，/s；L管长，m； 希腊字母 m程数； 对流传热系数，W/(m2)n指数，管数，程数； 有限差值； N管数，程数； 导热系数，W/(m2)；NB折流板数； 粘度，Pas；Nu怒塞尔特准数； 密度，/m3；P压力，Pa；因数； 校正系数； Pr普兰特准数； 下标 q热通量，W/m2； c冷流体； i管内；Q传热效率，W； h热流体； o管外； r半径，m； s 污垢 ； m平均；确定设计方案1.选择换热器类的两流体温度变化情况：热流体进口温度85，出口温度52；冷流体进口温度24，出口温度36，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑这一素，

5、估计该换热器的管壁温和壳体壁温之较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2.流程的安排从两物流的的操作压力看，应该使热水走管程，循环水走壳程。但由于循环冷水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的传热能力下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，热水走壳程。确定物性数据定性温度：对于水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程热水的定性温度为T=(T1+T2)/2=(85+52)/2=68.5()管程流体的定性温度为 t=(t1+t2)/2=(24+36)/2=30()饱和水的物理性质温度（t）/密度（）/m3比热容（cp10-3）/J-1k-1热导率（102）/Wm

6、-1k-1黏度（106）/Pas30995.74.17461.8801.560983.14.17965.9469.970977.84.18766.8406.1壳程热水在68.5下的有关物性数据如下密度 o=978.595/m3定压比热容 cpo=4.1858103J-1k-1热导率 o=66.66510-2Wm-1k-1黏度 o=415.6710-6 Pas循环冷却水在30下时的物性数据：密度 i=995.7/m3定压比热容 cpi=4.174103J-1k-1热导率 i=61.810-2Wm-1k-1黏度 i=801.510-6Pas估算换热面积1. 热流量 依据公式=qmocpoto计算可

7、得：qmo=4.1104t/a33024=5176.768/h=qmocpoto=5176.7684.1858(85-52)=7.15105（kJ/h）=198.6(kW)2.平均传热温差 先按纯逆流计算，依据下式得：tm=37.5()3.传热面积 由于壳程热水的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=800 W/(m2K) 则估算的传热面积为AP=6.62(m2)4.冷却水用量 依据下式得qm,c=3.965(kg/s)=14275(kg/h)工艺结构尺寸1. 管径和管内流速 选用252.5的碳钢管，管内流速取ui=1.3m/s。2. 管程数和传热管数 通过下式可依据传热管内径和流速确定单程传

8、热管数ns=9.7510(根)按单程管计算，所需的传热管长度为L=8.43(m)按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=4m,则该换热器的管程数为NP=2(管程)传热管总根数 NT=102=20(根)3.平均传热温差校正及壳程数 R=2.75P=0.197按单壳程，双管程解构，查图3-9（化工单元过程及设备课程设计（第二版）得t=0.95平均传热温差tm=ttm塑=0.9537.5=35.625（）由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4.传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板

9、两侧采用矩形排列。见图3-13（化工单元过程及设备课程设计（第二版）。取管心距t=1.25do=,则t=1.2525=31.2532(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离按下式计算s=+6=22(mm)各层相邻管的管心距为44mm每层各有传热管10根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14（化工单元过程及设备课程设计（第二版）选取，5.壳体内径 采用多管程结构，壳体内径按下式计算。取管板利用率=0.7，则壳体内径为D=1.05t=1.0532=180(mm)按卷制壳体的进级挡，可取D=200mm。6.折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体的25%，则切去的圆缺高度为h=

10、0.25200=50(mm)，故可取h=50mm。取折流板间距B=0.3D,则B=0.3200=60(mm)，可取B为75mm。折流板数NBNB=-1=-1=52.352（块）折流板圆缺面水平装配，见图3-15（化工单元过程及设备课程设计（第二版）7.其它附件 拉杆数量与直径按表4-7和表4-8（化工单元过程及设备课程设计（第二版）选取，本换热器传热管外径为25mm,其拉杆直径为16mm，共有4根拉杆。8.接管 壳体流体进出口接管：取接管内热水流速为u1=1.0m/s,则接管内径为D1=0.043(m)圆整后可取管内径为45mm。管程流体进出口接管： 取接管内液体流速u2=1.5m/s，则接管

11、内径为D2=0.058(m)圆整后可取管内径为60mm。换热器核算1.热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见下式ho=0.36Reo0.55pr1/3()0.14当量直径，依式得de=0.020（m）壳程流通截面积，根据下式计算得：SO=BD(1-)=0.0750.2（1-）=3.2810-3（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为uo=0.45(m/s)Reo=21188普朗特数Pr=2.610黏度校正()0.141h0=0.36211880.552.6101/3=3957W/(m2K)(2)关内表面传热系数 hi=0.023Re0.8pr0.4管程流体流通截面积Si=0.7850.

12、022=3.1410-3(m2)管程流体流速ui=1.268(m/s)Re=31505普特常数Pr=5.41hi=0.023315050.85.410.4=5542W/(m2K)（3）污垢热阻和管壁热阻 按表3-10（化工单元过程及设备课程设计（第二版），可取：管外侧污垢热阻 R0=1.719710-4 m2K /W管内侧污垢热阻 Ri=1.719710-4 m2K /W管壁热阻按下式计算，依表3-11（化工单元过程及设备课程设计（第二版），碳钢在该条件下的热导率为50 W/(m2K)。所以RW=0.00005( m2K /W)(4)传热系数Kc依式有Kc=1/(+R0+)=1/(+0.859

13、810-4+0.00005+1.719710-4+)=1086W/(m2K)(5) 传热面积裕度 根据下式可得计算传热面积Ac为Ac=5.13（m2）该换热器的实际传热面积AA=d0LNT=3.140.025420=6.28（m2）该换热器的面积裕度按下式计算为H=100%=22.4%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按下式计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低，为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为36计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热

14、管壁之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按下式有tw=式中液体的平均温度tm通过下式计算为tm=0.436+0.615=23.4()Tm=0.485+0.652=65.2()hc=hi=5542W/(m2K)hh=h0=3957W/(m2K)传热管平均壁温t=40.8 ()壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=65.2。壳体壁温和传热管壁温之差为t=65.2-40.8=24.4该温差较大，故需设温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，需要选用浮头式换热器较为适宜。换热器内

15、流体的流动阻力（1）管程流体阻力 依据下式可得pt=(pi +pr)NsNpFsNs=1, Np=2pi=i由Re=31505，传热管相对粗糙度=0.01，查莫狄图得i=0.04，流速u=1.268m/s, =995.7kg/m3,所以pi=0.04=11206（Pa）pr=3=2401（Pa）pt=(11206+2401)21.5=40821（Pa）管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力 按式计算ps=(p0 +pi)NsFsNs=1, Fs=2流体流经管束的阻力p0=Ff0NTC(NB+1)F=0.5 f0=521188-0.228=0.5160NTC=1.1 NT0.5=1.1200

16、.5=4.92NB=52, u0=0.45m/sp0=0.50.51604.92(52+1)6666（Pa）流体流过折流板缺口的阻力pi=NB（3.5-）,B=0.075m，D=0.2mpi=52（3.5-）=14169（Pa）总阻力ps=6666+14169=20835（Pa）=0.021(MPa)由于该换热器壳程流体的操作压力允许压降不大于105 MPa，所以壳程流体的阻力也比较适宜。换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程流率5176.76814275进/出口温度/24/3685/52物性定性温度/3068.5密度/（kg/m3）995.7978.595定压比热容/kj/（kgK）4.

17、1744.1858粘度/（Pas）801.510-6415.6710-6热导率（W/mK） 61.810-266.66510-2普朗特数5.412.610设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/200台数1管径/252.5管心距/32管长/4000管子排列正三角形排列管数目/根20折流板数/个52传热面积/6.28折流板间距/75管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.2680.45表面传热系数/W/（K）55423957污垢热阻/（K/W）1.719710-41.719710-4阻力/ MPa0.0066660.014169热流量/KW198.6传热温差/K24.4传热系数/

18、W/（K）1047裕度/% 22.4%参考文献1 陈裕清.化工原理M.上海:上海交通大学出版社,20082 聂清德.化工设备设计M.北京:化学工业出版,1991.3 李志勇,喻健良,刘志军.过程机械M.北京:化学工业出版社,2008.1.4 冷士良,宋志轩.化工单元操作设备M.北京:化学工业出版社,2007.7.5 匡照忠.化工机器与设备M.北京:化学工业出版社,2006.4.6 卓震.化工容器及设备M.北京:中国石化出版社,2008.7 喻健良.化工设备机械基础M.大连:大连理工大学出版,2009.7.8 董大勤.化工设备机械基础M.北京:化学工业出版,2002.12.9 潘继红.管壳式换热

19、器的的分析与计算M.北京:科技出版社,1996.10 高安全,崔金海.化工设备机械M.北京:化学工业出版社,2007.12.11 毛希澜.换热器设计M.上海:上海科学技术出版社,1988.12 马秉骞.化工设备M.北京:化学工业出版社,2009.7.13 刁玉伟,王立业.化工设备机械基础M.大连:大连理工大学出版,2000设计结果评价 换热设备是实现物料之间热量传递的节能设备，也是回收余热、废热，特别是低位热能的有效装置。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器（heat exchanger）。在化工生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽

20、冷凝成液体。本文主要研究的是固定管板式换热器，它是换热设备的一类。通过对换热器的发展、分类、材料和运用等相关理论进行阐述，进而对换热器进行热工设计，结构设计以及强度设计。固定管板式换热器的设计，让我对换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。无论换热设备的设计计算或是校核计算，一般均应考虑下。（1）首先必须满足工艺要求。（2）换热设备中换热介质参数（流速、允许压降、温度等）的合理选取。在换热设备中，介质流速高，传热系数大，在热负荷一定的情况下，可使传热面积减小，设备结构紧凑，不仅节省投资，而且有利于减缓或抑制污垢的形成，但同时，介质流速高，压降增大，而且介质对传热面积的冲蚀加剧，并容易产生流体诱导

21、振动破坏等。因此介质速度的选取应考虑压降的合理性，尽可能在允许压降范围内，提高流速，以加大传热系数。（3）合理安排流程，以便获得较大的传热系数，并使热、冷流体的流向尽可能接近逆流。（4）换热设备结构参数的合理选择主要包括结构形式、尺寸和材质等方面。（5）设计计算时，应注意定性尺寸的计算。在弩塞尔特数、雷诺数等的定义式中均有定性尺寸，通常是选取对流体运动或传热发生主导影响的尺寸作为定性尺寸。（6）在达到所需工艺要求的前提下，应使设备费、操作费和维护费之和最低。（7）考虑采用各种强化传热措施。由传热基本方程t可见，增大总传热系数、传热面积和有效平均温差均可提高传热效率，强化传热。增大传热面积，不是

22、单纯的增大换热设备的尺寸，而要增大单位体积内的传热面积，是设备紧凑、结构合理，如采用小直径管子，翅片管等。根据以上结论，通过分析固定管板式换热器各部分性能影响，合理选择设计固定管板式换热器的结构参数，以获得具有较高抗拉强度、耐腐蚀性、耐介质性等综合性能良好的换热器设备，从而使其能更好的应用到石化、化工行业中。总结通过此次设计，了解了很多关于换热器的知识，如换热器的选型，换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。最最重要的是我深刻认知做设计计算时要非常小心，因为一不留神就会出错，如果前面错了没发现，后面就全错。这是设计中的禁忌。还有，虽然换热器的设计比较简单，但是还是要付出努力才可以。为此，也要感谢老师及同学的互相帮助。