換熱器課程設(shè)計(jì)

1、湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院  畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題名稱 列管式換熱器的選型（循環(huán)有機(jī)液的冷卻） 系 別 化學(xué)工程系 專 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) 年 級(jí) 應(yīng)用化工 091 姓 名 施和躍 學(xué) 號(hào) 0903010114 指導(dǎo)教師 陳正升      年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名：施和躍 班級(jí)學(xué)號(hào)：應(yīng)用化工091題 目： 列管式換熱器的選型（循環(huán)有機(jī)液的冷卻）內(nèi)容要求：（包括規(guī)定閱讀的文獻(xiàn)、應(yīng)完成的程序、圖紙、實(shí)驗(yàn)、說(shuō)明書(shū)等） 一 設(shè)計(jì)任務(wù)：某廠用冷卻水冷卻從反應(yīng)器出來(lái)的循環(huán)使用的有機(jī)液。操作

2、條件及物性如下：物 料溫 度 質(zhì)量流量kg/h比 熱kj/kg.密 度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)w/m.粘度×103pa.s入口出口有機(jī)液6550400002.2619500.1720.742水25t2200004.18710000.6211試選用一臺(tái)適當(dāng)型號(hào)的列管式換熱器。二 設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)者必須提交的設(shè)計(jì)成果有：設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一分，圖紙一到兩幅。1 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)必須包括下述內(nèi)容:封面、目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表、參考文獻(xiàn)以及設(shè)計(jì)自評(píng)等。2 設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)的主要內(nèi)容應(yīng)包括的步驟:1) 計(jì)算熱負(fù)荷、收集物性常數(shù)。 根據(jù)設(shè)計(jì)

3、任務(wù)求出熱流體放熱速率或冷流體吸熱速率，考慮了熱損失后即可確定換熱器應(yīng)達(dá)到的傳熱能力q；按定性溫度確定已知條件中未給出的物性常數(shù)；2) 根據(jù)換熱流體的特性和操作參數(shù)決定流體走向（哪個(gè)走管程、哪個(gè)走殼程）；計(jì)算平均溫差；3) 初步估計(jì)一個(gè)總傳熱速率常數(shù)k估，計(jì)算傳熱面積a估；4) 根據(jù)a估初選標(biāo)準(zhǔn)換熱器；若是設(shè)計(jì)換熱器，則先確定換熱管的規(guī)格、長(zhǎng)度，接著計(jì)算所需換熱管根數(shù)n；按單程求出流通面積，計(jì)算管內(nèi)流速u(mài)i，管程數(shù)nt=u適宜/ui；確定折流擋板間距h，擋板形式，管子排列方式，外殼內(nèi)徑等。定出實(shí)際的傳熱面積a實(shí)際。5) 換熱面積的核算。分別按關(guān)聯(lián)式求出管內(nèi)、外傳熱膜系數(shù)，估計(jì)污垢熱阻

4、，求出總傳熱速率常數(shù)k，得出所需傳熱面積a，將a與a實(shí)際進(jìn)行比較，若a實(shí)際比a大15%左右則設(shè)計(jì)成功；若a比a實(shí)際還大，則需再設(shè)參數(shù)，重新設(shè)計(jì)，直到a實(shí)際比a大15%左右目錄1.列管式換熱器的設(shè)計(jì)1引言12 .換熱器設(shè)計(jì)方案選定12.1試算并初選換熱器規(guī)格12.1.1確定流體通入的空間12.1.2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12.1.3 計(jì)算熱負(fù)荷q，按管間有機(jī)液計(jì)算22.1.4計(jì)算平均溫差，并確定殼程數(shù)22.1.5初選換熱器規(guī)格具體參數(shù)22.2換熱面積核算32.2.1計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算殼程對(duì)流穿熱系數(shù)0i32.2.2確定污垢熱阻32.2.4核算傳熱面積32.3管

5、程和殼程壓力降的核算32.3.1計(jì)算管程壓強(qiáng)降32.3.2計(jì)算殼程壓降42.4殼程及管程的外部接管43.符號(hào)說(shuō)明44.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表55設(shè)計(jì)自評(píng)：66工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖67參考書(shū)目：78致謝：71.列管式換熱器的設(shè)計(jì) 2 .換熱器設(shè)計(jì)方案選定2.1試算并初選換熱器規(guī)格2.1.1確定流體通入的空間與有機(jī)液相比，水易結(jié)垢，且對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大，所以冷卻水走換熱器管程，有機(jī)液走換熱器殼程。2.1.2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1計(jì)算熱負(fù)荷w2計(jì)算兩流體的平靜溫度差暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為t2=t1+t=25+16.2=41.2有機(jī)液的

6、定性溫度tm=(t1+t2)/2=(65+50)/2=57.5（）水的定性溫度tm=(t1+t2)/2=(25+41.2)/2=33.1（）兩流體的溫差tm-tm=57.5-33.1=24.4（）由于兩流體溫差不大于50，故選用固定管板式換熱器。表1兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：物 料定性溫 度 質(zhì)量流量kg/h比 熱kj/kg.密 度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)w/m.粘度×103pa.s有機(jī)液57.5400002.2619500.1720.742水33.1200004.18710000.62112.1.3 計(jì)算熱負(fù)荷q，按管間有機(jī)液計(jì)算q=whcp(t1-t2)=40000&

7、#215;2.261×103 ×(65-50)/3600=376833.33(w)水耗量為: w=q/(t2-t1). cp =376833.33/20000 ×(41.2-25)3600×4.187×103=10.02(kg/s)2.1.4計(jì)算平均溫差，并確定殼程數(shù)逆流溫差r= r=(t1-t2)/（t2-t1）=(65-50)/(41.2-25)=0.93 p=(t2-t1）/(t1-t1) =(41.2-25)/(65-25)=1.08按單殼程，雙管程進(jìn)行計(jì)算，對(duì)逆流傳熱溫差tm進(jìn)行校正由r 和p查溫度差校正系數(shù)圖，得t=0.97>

8、0.8，可行tm=t×tm=0.99×27.5=26.675() t=0.97>0.8,故可選用單殼程列管換熱器。初步估計(jì)一個(gè)總傳熱速率常數(shù)k估，計(jì)算傳熱面積a估，確定管程數(shù)根據(jù)管內(nèi)為水,殼程為有機(jī)液,k值范圍為290698m2. ，初選 估450m2.則估算傳熱面積為：a估估tm3.78×105/450×26.675=31.5（m2）取管內(nèi)水流速度為0.9 m/s2選用25*2.5mm，管中心距t=32mm單程管數(shù)為n/=vs/0.785di2u= wc /×0.785×0.022×0.9=32單程管長(zhǎng)為l=s/d0

9、 n/=31.5/3.14×0.025×32=12.5m所以選擇管長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)l=6m,管程數(shù)np=l/l=12.5/62(管程)傳熱管總根數(shù)n=32×2=64（根) 管子的三角形排列2.1.5初選換熱器規(guī)格具體參數(shù) 表2換熱器具體參數(shù)：殼徑/mm400管子尺寸25×2.5mm公稱壓力/kpa0.60×106管長(zhǎng)/m6實(shí)際面積/m243.5管子總數(shù)94管程數(shù)2管子排列方式正三角形殼程數(shù)1折流擋板形式圓缺形換熱器的實(shí)際傳熱面積：a實(shí)際=nd0(l-0.1)=94×3.14×0.025×(6-0.1)=43.5m2該換

10、熱器要求的總傳熱系數(shù)為：k實(shí)際=q/a實(shí)際tm=3.78×105/43.5×26.675=326m2. 2.2換熱面積核算2.2.1計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算殼程對(duì)流穿熱系數(shù)0iwc=20000/3600=5.57 （kg/s）vc=wc/c=5.57/1000=0.0056（m3/s）ai= n/2××di2/4=94/2×0.785×0.022=0.014758（m2） ui=vc/ai=0.0056/0.014758=0.38(m/s)rei= di uii/=0.02×0.38×1000/0.001=7551

11、(湍流)pri= cp/=4.187×103×1×10-3/0.621=6.74i=0.023（/di）re0.8pr0.4 =0.023×（0.621/0.02）×（7551）0.8（6.74）0.4 =1935（w/m.）換熱器中心附近管排中流體流通截面積為a0=hd(1-d0/t)=0.6×0.4×(1-0.025/0.032)=0.05m2h折流擋板間距，取600mm。d-殼體直徑 通過(guò)管子排列計(jì)算出d=0.4m。t管中心距，對(duì)25×2.5mm的管子，t=32mmwh=40000kg/h=11.11kg/s

12、vh= wh/=11.11/950=0.0117m3/su0= vh /a0=0.0117/0.05=0.2（m/s)由正三角形排列de=4(3t2/2-d02/4)/ d0=43(0.032)2/2-3.14×(0.025) 2/4/3.14×0.025=0.0202mre0= de u0/=0.0202×0.2×950/0.742×10-3=5221re0在2×103×6范圍內(nèi)，故可以用下式計(jì)算00(.×/de)（re0）.pr（u/uw）0.14 =0.36×0.172/0.0202×(5

13、221)0.55×(2.261×103×0.742×10-3/0.172)1/3×1.05=771（w/m.）2.2.2確定污垢熱阻1）確定污垢熱阻：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)水的污垢熱阻為rsi=0.00026m2./w有機(jī)物的污垢熱阻可取rs0=0.000176m2./w2）求總傳熱系數(shù)=（0rs0d0dm+rsid0/di+ d0/i di）=1/1/771+0.000176+(0.0025×0.025)/(45×0.0225)+0.00026×0.025/0.015+0.025/(1935×0.02)=376（m2

14、.)2.2.4核算傳熱面積a=q/ktm=376833.33/(376×26.578)=37.7m2所選擇的換熱器的面積裕度為:(a實(shí)際-a)/a=(43.5-37.8)/37.7=15.1%15%則該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。2.3管程和殼程壓力降的核算2.3.1計(jì)算管程壓強(qiáng)降pi=(p1+p2)ftnpns前已算出ui=0.38m/srei=7551(湍流)取碳鋼管壁粗糙度為0.2mm,則/d=0.2/20=0.01,由內(nèi)摩差系數(shù)查圖查得=0.042則：p1=lui 2/2 di =0.042×6×1000×(0.38)2/2×0.02

15、=910（pa）p2=3×ui 2/2=3×1000×(0.38)2/2=216.6（pa）對(duì)于25×2.5 mm的管子, ft=1.5,且np=2, ns=1pi=(p1+p2)ftnpns=(910+216.6)×1.5×2×1=3379（pa）2.3.2計(jì)算殼程壓降p0=(p1/+p2/)fsns其中fs=1.15(液體) , ns=1p1/=ff0nc(nb+1) u02/2管子正三角形排列,取f=0.5對(duì)于正三角形排列ntc =1.1（nt）0.5 =（94）0.511折流擋板數(shù)nb=l/ h-1=6/0.6-1=

16、9（塊）a0=h(d- ntc do )=0.6×(0.4-9×0.025)=0.105()u0= vh /a0=40000/3600×950×0.105=0.11(m/s)re0= de u0/=0.025×0.11×950/0.742×10-3=3576>500fo=5re0-0.228=0.774p1/=ff0ntc(nb+1)u02/2=0.5×0.774×11×(9+1)×950×0.112/2=244（pa）p2/=nb(3.5-2h/d)u02/2=9&#

17、215;(3.5-2×0.6/0.4)×950×0.112/2=25.86（pa）p0=(p1/+p2/)fsns=(244+25.86)×1.15×1 =250.86（pa）由上面計(jì)算可知，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)降均滿足要求,故所選換熱器合適。2.4殼程及管程的外部接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)有機(jī)液流速為5.6 m/s，則接管內(nèi)徑為 d1=4wh/u=4×40000/3.14×1000×5.6×3600=0.05 m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水流為0.6 m/s，則接管內(nèi)徑為

18、 d2=4wh/u=4wh/u=4×20000/3.14×1000×3600×0.6=0.14 m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為140mm3.符號(hào)說(shuō)明tm有機(jī)液的定性溫度 tm-水的定性溫度q熱負(fù)荷 wh熱流體的流量 wc水耗量 cp流體比熱, kj/kg. t1熱流體進(jìn)口溫度, t2熱流體出口溫度, t1冷流體進(jìn)口溫度, t2冷流體出口溫度, tm逆流溫度, 修正系數(shù)-傳熱系數(shù), m2× a估估計(jì)傳熱面積,m2 a實(shí)際實(shí)際傳熱面積, m2 n單程管數(shù)l單程管長(zhǎng), m np管程l標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng),m d公稱直徑, mmt管心距, mm pn公稱壓力, paa0換熱器實(shí)際

19、換熱面積,m2 k0基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù), m2. ai列管面積, m2 vc冷流體流量, m3/s流體密度, kg/m3 ui冷流體流速, m/sre雷諾數(shù) pr普朗特?cái)?shù)流體傳熱系數(shù), m2× a0換熱器外表面換熱面積, m2vh熱流體流量, m3/s de當(dāng)量直徑, mmrsi管內(nèi)流體流體污垢熱阻, m2. rs0管外流體流體污垢熱阻, m2. pi壓強(qiáng)降,pa 粗糙度,mm傳熱系數(shù),m2× ft結(jié)垢校正系數(shù)ns殼程數(shù) fs殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢矯正系數(shù),無(wú)因次nb折流擋板數(shù) ntc橫過(guò)管束中心線的管子數(shù)，nt為管子總數(shù)4.設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表表3：換熱器規(guī)格具體參數(shù)殼徑

20、/mm400管子尺寸25×2.5mm公稱壓力/kpa0.60×106管長(zhǎng)/m6實(shí)際面積/m243.5管子總數(shù)94管程數(shù)2管子排列方式正三角形殼程數(shù)1折流擋板形式圓缺形，9塊出口接管內(nèi)徑50mm進(jìn)出口接管內(nèi)徑140mm流體通入的空間冷卻水走換熱器管程，有機(jī)液走換熱器殼程流動(dòng)方式逆流列管換熱器的型式固定管板式換熱器管程對(duì)流傳熱系數(shù)i1935w/m.殼程對(duì)流穿熱系數(shù)0771w/m.折流擋板間距h600mm管子排列方式正三角形排列 污垢熱阻水的污垢熱阻為rsi=0.00026（m2.）/w有機(jī)物的污垢熱阻可取rs0=0.000176（m2.）/w總傳熱系數(shù)376（m2.)

21、核算傳熱面積a37.7m2管程壓強(qiáng)降pi3379pa殼程壓降p0250.86pa表4：列管換熱器合理壓降的選取換 熱 器操作情況負(fù)壓運(yùn)行低壓運(yùn)行中壓運(yùn)行（包括用泵輸送液體）較高壓運(yùn)行p<0.17p>0.17操作壓力（mpa絕壓）p=00.1p=0.10.17p0.171.1p=1.13.1p=3.18.2合理壓降（mpa）dpp/10dp/2dp=0.035=0.0350.18=0.070.25流體在換熱器內(nèi)的壓降大小主要決定于系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，而系統(tǒng)的運(yùn)行壓力是靠輸送設(shè)備提供的。換熱器內(nèi)流體阻力損失（壓力降）越大，要求輸送設(shè)備的功率就越大，能耗就越高。對(duì)于無(wú)相變的換熱，流體流速越高

22、，換熱強(qiáng)度越大，可使換熱面積減小，設(shè)備緊湊，制作費(fèi)低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速過(guò)高，也有不利的一面，壓力降增大，泵功率增加，對(duì)傳熱管的沖蝕加劇。因此，在換熱器的設(shè)計(jì)中有個(gè)適宜流速的選取和合理壓力降的控制問(wèn)題。一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體，在壓力降控制在0.010.1mpa之間，對(duì)于氣體，控制在0.0010.01mpa之間。5設(shè)計(jì)自評(píng)：在教師下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)后，通過(guò)上網(wǎng)和多方查閱資料手冊(cè)，經(jīng)過(guò)近一個(gè)月左右時(shí)間緊張有序的設(shè)計(jì)后，終于完成了列管式換熱器的設(shè)計(jì)和校核。通過(guò)工藝計(jì)算，計(jì)算出所需要的一些參數(shù)，如總換熱面積為37.7m2，換熱管管數(shù)為64根。這些為后續(xù)的選型設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)是課堂所學(xué)知識(shí)的全面應(yīng)用與考查，既涉及到化工工藝方面，又涉及到設(shè)備設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。正因?yàn)槿绱?，這次我能順利完成任務(wù)，離不開(kāi)老師、同學(xué)的支持和幫助，同時(shí)在完成此次過(guò)程中，我也學(xué)到了許多書(shū)本以外的知識(shí)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)以前學(xué)習(xí)的各科知識(shí)有了更系統(tǒng)的理解。比如化