化工原理課程設(shè)計換熱器的設(shè)計

1概述 化工生產(chǎn)中所用的換熱器類型很多。按其用途分，有加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器。按其結(jié)構(gòu)分，有列管式、板式等。不同類型換熱器，其性能各異。列管式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種換熱器設(shè)備，設(shè)計資料和數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多國家已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。列管式換熱器在換熱效率、緊湊性和金屬消耗量等方面不及其它新型換熱器，但由于它有結(jié)構(gòu)牢固、適應(yīng)性大、材料范圍廣等獨特優(yōu)點，因而在各種換熱器的競爭發(fā)展中占有絕對優(yōu)勢。2設(shè)計方案的確定2.1 列管式換熱器型式的選擇 本次設(shè)計任務(wù)是用25的自來水將甲苯從105冷卻到60，兩種換熱流體的溫差較大，故可選用浮頭式換熱器。浮頭式換熱器管束可以拉出，便于清洗；管束的膨脹不受殼體的約束，因而當(dāng)兩種換熱流體的溫差較大時，不會因為管束與殼體的膨脹量不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 2.2 流程的選擇 可選水走管程，甲苯走殼程。原因：冷卻水硬度較高，受熱后容易結(jié)垢，在管內(nèi)便于清洗，管內(nèi)流體易于維持較高流速，可以避免懸浮顆粒的沉積。被冷卻物料走殼程，便于散熱。2.3 流速的選擇 表1 列管式換熱器內(nèi)常用的流速范圍 流體種類流速/（m/s）流體種類流速/（m/s）管程殼程管程殼程一般流體0.530.21.5氣體530315易垢流體10.5 表2 不同黏度流體的流速（以普通鋼管為例）流體黏度/10Ns/m最大流速（m/s）流體黏度/10Ns/m最大流速（m/s）15000.6100351.515005000.753511.85001001.112.4由題意選管程流速為0.7m/s。2.4 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值殼程甲苯的定性溫度 T=82.5管程水的定性溫度 t = =30根據(jù)定性溫度，分別查表可得有關(guān)物性數(shù)據(jù)：物質(zhì)物性甲苯（82.5）水（30）比熱容cJ/(kg)19104174密度(kg/m)808995.7黏度(pas)0.00030.導(dǎo)熱系數(shù)w/（m）0.1210.6173. 工藝計算 3.1根據(jù)傳熱基本方程式Q=KAt來估算傳熱面積3.11傳熱量 Q= =3.6110kJ/h1.010w3.12平均傳熱溫差 甲苯 10560 水 3525 溫差 70 35t=50.53.13冷卻水的用量 W=86488(kg/h)3.14估算傳熱面積 取K值為420w/(m) A=47.1m4. 換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸計算4.1 管程與管數(shù)選取F 252.5n=109.8取110（根）4.2 管長的確定傳熱管長度L=5.45m取管長=3mN=(管程)傳熱管總根數(shù)N=1102=220(根)4.3 平均傳熱溫差校正R=P=查表可得t=0.964.4 采用三角形排列，取管心距a=1.25d則： a=1.2525=31.2532mm橫過管中心線管數(shù) b=1.1=1.1=16.3 取174.5 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于關(guān)閉的直徑：式中 D殼體內(nèi)徑,mm； a 管心距，mm；b最外層的六角形對角線上的管數(shù)；e六角形最外層管中心到殼體內(nèi)壁距離，一般取e=(11.5)d，取32mm。圓整可取 D=600mm（410） 4.6 折流板 采用方形折流板，取方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 h=0.25600=150mm取折流板間距B=0.3D=0.3600180mm取200mm折流板數(shù)N=傳熱管長/折流板間距1查表得拉桿直徑為12mm，拉桿數(shù)為4。5. 換熱器的校核計算5.1 殼程對流給熱系數(shù) 當(dāng)量直徑，由正三角形得： d=0.02m 殼程流通面積： =BD(1)=0.20.6（1）=0.0263m 殼體流速及其雷諾數(shù)： u=/s Re= 普蘭特準(zhǔn)數(shù)： Pr= 5.2 管程對流給熱系數(shù) S= u= Re=Pr=5.3 傳熱系數(shù)K （1.151.25）5.4 傳熱面積S 換熱器面積： S=該換熱器的實際面積S= (1.11.3)5.5 換熱器壓降的計算5.51 管程壓降 式中 分別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)。 查表得 =（1317.3+731.8）1.412=5737.48Pa35kPa5.52 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。式中 管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列F=1.15殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re500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。而 = (6848.7+4659.0) 殼程流動阻力也比較適宜。 6. 設(shè)計結(jié)果總匯 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表 3。 表3 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器形式：浮頭式換熱面積/m 51.8工藝參數(shù)名稱物料名稱操作壓力/MPa操作溫度/流量/（kg/h）管程循環(huán)水0.425/3586488殼程甲苯0.6105/6040000流體密度/（kg/m）995.7808流速/(m/s)0.700.52傳熱量/kw1000總傳熱系數(shù)/497.8傳熱系數(shù)/0.6170.121污垢系數(shù)/0.0.阻力降Pa5737.4813233.8程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格252.5管數(shù)220管長6000mm管間距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下間距200mm殼體內(nèi)徑/mm600切口高度150mm 7. 參考文獻(xiàn) 1 任曉光.化工原理課程設(shè)計指導(dǎo).北京:化學(xué)工