管殼式換熱器課程設(shè)計01362

1、化工原理課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計概述試算并初選換熱器規(guī)格1. 流體流動途徑的確定2. 物性參數(shù)及其選型3. 計算熱負荷及冷卻水流量4. 計算兩流體的平均溫度差5. 初選換熱器的規(guī)格工藝計算1. 核算總傳熱系數(shù)2. 核算壓強降經(jīng)驗公式設(shè)備及工藝流程圖設(shè)計結(jié)果一覽表設(shè)計評述參考文獻工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：設(shè)計一臺換熱器二、操作條件：1、苯：入口溫度80°c,出口溫度40°co2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度35°c。3、允許壓強降：不大于50kpao4、每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行。三、設(shè)備型式：管殼式換熱器四、處理能力：99000噸/年苯五、設(shè)計要求：1

2、、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。2、管殼式換熱器的工藝計算和主耍的工藝尺寸的設(shè)計。3、設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計結(jié)果一覽表。4、設(shè)備簡圖。（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）5、對本設(shè)計的評述及有關(guān)問題的討論。1.設(shè)計概述1.1熱量傳遞的概念與意義1熱量傳遞的概念熱量傳遞是指山于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。山熱力學第二定律可知，在自然界 中凡是有溫差存在吋，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是口然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極 普遍的一種傳遞現(xiàn)象。2. 化學工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系化學工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因為化匸生產(chǎn)屮的很多過程和單元操作，多需要進行加 熱和冷卻，例如：化學反應通常要在一定的溫度進行，為

3、了達到并保持一定溫度，就需要向反應 器輸入或輸出熱量；乂如在蒸發(fā)、蒸僻、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。 此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程屮熱能的合理利用以及廢熱的冋收利用籌都涉及到傳熱的問題, 由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具冇極其重要的作用。總z,無論是在能源， 宇航，化工，動力，冶金，機械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有 關(guān)傳熱的問題。應予指出，熱力學和傳熱學既冇區(qū)別又冇聯(lián)系。熱力學不研究引起傳熱的機理和傳熱的快 慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)變成另一個平衡狀態(tài)所需的總能竝；而 傳熱學研究能量的傳遞速率，因此可以認為

4、傳熱學-上熱力學的擴展。3. 傳熱的基木方式根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式：（1）熱傳導（又稱導熱）物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分了、原了和自由電了等 微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導。熱傳導的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。（2）熱對流（簡稱對流） 流體各部分z間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體屮，產(chǎn)生原因有二：一是因流體屮各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點產(chǎn)生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點強制運動的強制對流。此外，流體流過固體表而時發(fā)工的對流和熱傳導聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱山流體傳到固 體表而（或反z）的過程

5、，通常稱為對流傳熱。（3）熱輻射因熱的原因而產(chǎn)住的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點是：不僅 有能量的傳遞，而11還有能量的轉(zhuǎn)移。12換熱器的概念及意義在化工生產(chǎn)中為了實現(xiàn)物料z間能量傳遞過程需耍一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。 在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和 冷凝。換熱器就是用來進行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱最從溫度較高的流 體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動力，原子能和其他許多工業(yè) 部門廣泛應用的一種通用工藝設(shè)備，對于迅速發(fā)展的化匸煉汕等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。 換熱器在化工

6、生產(chǎn)中，有時作為一個單獨的化工設(shè)備，有時作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此 換熱器在化工生產(chǎn)中應用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在生產(chǎn)中都 占有主導地位?！颈怼繐Q熱器設(shè)計要求序 號特別要求1對事故工況的校核2對管箱隔板強度的校核3各部件吊耳安裝位置的校核4浮頭式和u形管束固定管板外徑延伸，使管板兼作試壓法蘭時的強度校核5管板的剛度校核6風載荷和地震載荷的校核7進出口接管承受管線載荷的校核8疊裝換熱器屮，底下那臺換熱器的校核9鞍式支座的校核10外表汕漆干膜厚度的檢測11封頭熱壓成形時，終壓溫度的檢測12殼體直線度的檢測13氫工況的判別及材料要求3、管殼式換熱器的簡介管殼式換熱

7、器是口前應用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、u型管殼式 換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器山 管箱、殼體、管束等主耍元件構(gòu)成。管束是管売式換熱器的核心，具屮換熱管作為導熱元件，決 定換熱器的熱力性能。另一個對換熱器熱力性能有較人影響的基木元件是折流板（或折流桿）。 管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運行的安全可靠性。1）工作原理：管売式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間榷式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通 道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時，溫 度較高的流體通過換熱

8、管壁將熱雖傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的 流體被加熱，進而實現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。1-折流撈板;2-管束;3-殼體;4-封頭;5-接管；6-管板圖4-36固定管板式換熱器2）主要技術(shù)特性：般管売式換熱器與其它類型的換熱器比較有以卜主耍技術(shù)特性:1、耐高溫高壓,堅固可靠耐用；2、制造應用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟；3、選材廣泛，適用范圍大。二試算并初選換熱器規(guī)格1流體流動途徑的確定本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)牛和變的傳熱過程，且均不易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的 情況，故選擇苯走換熱器的管程，循壞水走売程。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 冷卻介質(zhì)為

9、循環(huán)水，取入口溫度為：25 °c,出口溫度為：（25 + 510） °c 苯的定性溫度：tm =聖土巴=60 °c水的定性溫度：tm =空旦 =27.5 °c兩流體的溫差：tm + tm =60-27.5 = 32.5 °c化rti于兩流體溫差不大于50°c,故選用固定管板式列管換熱器. 5化學工程手冊一一化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化學工業(yè)岀版社 p265 圖 4-21 表 433 可冇：“苯=0. 381 cp =0. 381 mpa s“水=0. 825 cp =0. 825mpa sp238 圖 4-15 表 416 可有:c?苯=0=1.8

10、28kj/(kg - °c)s水=4. 176kj/(kg ©p274圖428液體導熱系數(shù) 可冇：2苯=0. 151w/(m °c)2水=0. 613w/(m °c)查化工手冊上卷 山東科學技術(shù)出版社qcp(t2t)322000x36004.176x103(30-25)=15 akg / h兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下:物性流體密度kg/m3比熱 kj/ (kg -°c)粘度mpas導熱系w/ (m -°c)苯836.61.8280. 3810. 151水996. 354. 1760. 8520.6133.計算熱負荷和冷卻水流量i

11、 14 x 108q = whcf)fl(t, -t2)= so。°4 x 1.828xlo3 x(80-40)/3600 = 3.22x 10w4. 計算兩流體的平均溫度差暫按單売程、多管程進行計算，逆流時平均溫度差為：ifumarin(40-25)r_-t280-40'2 30 25由化工原理上冊篤32頁查圖419可得：& =0.82所以&加=04打=0.96x29.07 = 27.9°c又因為0. 96>0.8 ,故可選用單殼程的列管換熱器。5. 試算和初選換熱器的規(guī)格根據(jù)低溫流體為水，高溫流體為有機物(參見化工原理p355)有k值的范圍

12、：430850w/(m2-°c), 假設(shè)k=400w/(m2-°c )乂因為苯走管程且初選，l= 4. 5m的列管，所以設(shè)w,. =0.9m/s由y =u.7lni可求得：v1 1 s36qx4單管程的管子根數(shù)：n.t = = = 28根' 兀,2300x24x3600x0.0152x3.14x0.9q 3.22x10 28 8w ktm 400x27.9l = s° 二106.6= 3482'切()坷 3.14x0.025x39“工口'丄"» lj 34.82管程數(shù)：np = = 6卩l(xiāng) 6所以 ” =/vp x &#

13、169; = 4 x 28 = 108根將這些管子進行排列有圖如下：據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為:殼徑d600 mm管子尺寸19 x加m管程數(shù)np4管長l4. 5 m管了總數(shù)n108管了排列方法正三角形實際傳熱而積 s, =h/l = 108x34 x 0.015x 4.5 = 22.89m2若采用此傳熱血積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：s0”3.22 xlo522.89x32.5= 433w/（7?22e°c）三工藝計算1.核算總傳熱系數(shù)1）計算管程對流傳熱系數(shù)匕444x4= 0.00477加 $1140000000.00477 x 300 x 24 x 3600 x

14、996.325=0.925 m s（為假設(shè)相一致合適）cirp _ 0.015x0.925x996.325“ -0.852 xlo-3= 1.6225x10"湍流）prf. = 3 =4.176x103 x0.852x10-3 _o-5.o0.61350.05 1050 100500 100050001000050000圖 殼程摩擦系數(shù)f°與re。的關(guān)系 所以% = 0.0234re08 p嚴（苯被加熱）d.=0.023 x 亜匕x （1.6225 x 104嚴 x（5.8）040.015、丿= 4432" /（加2.。c）2）計算殼程對流傳熱系數(shù)a。換熱器屮心附

15、近管排屮流體流通截面積為：a。= hd 1- =015x04xl-2212 =00244 加 2 i t ）i 0.032 丿式中h -一折流擋板間距,取300 mm ；t管中心距，對25 x 2.5mm , t = 32mm 0因為 wc = 15akg/h所以114000000° - 4 -3600x300x24x863.6x0.0244 '由止三角形排列得:=4（少?。?切孚嚨十“加）=斶dg)p reo =“加（）3.14x0.019紅 0.05x056.6 = 241540.381 xlq-3因為r%在2xl03lxl（）6范圍內(nèi)，故可用下式計算a。勺=0.36x#

16、（r%嚴（pq）3 pr0 =c=l828xlo-xo.381xlo-46a0.151殼程中水被加熱，取“ =1.05,所以勺=°36x需x(24154)055(4.6)3 x 1.05 = 484 w/(m1 c)3）確定污垢熱阻管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為:rsi =0.0002赤,o c/w（有機液體），r =0.00017/2 .。c/w （井水）4 ）總傳熱系數(shù)k°因為苯為有機物，管子材料選用不銹鋼，取其導熱系數(shù)為人.=165w/（ni°c）,總傳熱系數(shù)_ 1_i-1919+ 1.7xl0_4+2.0xl0_4x +484154432x15= 360w/仏

17、3 c)由前面計算可知，選用該型號換熱器時，要求過程的總傳熱系數(shù)為443w/（m2-° c）,在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下，計算出的k。為526w/（m2-0 c）,其安全系數(shù)為:443-360燈00% =20.2 %360故所選擇的換熱器是合適的。2.核算壓強降1）計算管程壓強降工£ =（片+£）好前面已算出:= 0.925m/5, rez. = 1.6225xlo4 （湍流）r o 1取不銹鋼管壁粗糙度e = 0amm 則一 =0.0067 ,由化工原理上冊第一章p54 dj 15的/l-re關(guān)系圖中查得：2 = 0.033 8所以=0.033 x-x0.01

18、5996.325x(0.925)22=4322p。3如=3><996325><(0.925)2- 2= 5115%對于19x 2mm的管子4, ns=l工=(4322 + 5115)x 1.4 x 4x1 = 52847內(nèi)2)計算殼程壓強降p.=(pp.)fsns2 其中 f5 =1.15, ns = 1, p； =ffnnr-管子為正三角形排列，収f=0.4n. =19咖=1x 7108 = 12取折流擋板間距/? = 0.15mi4 5折流擋板數(shù)：nb = 一1= -一1 = 29h0.15殼程流通面積 ao = h(d - nedq) = 0.15 x(0.4 -

19、12 x 0.019)= 0.025m21140000003600 x 300 x24x 836.6 x 0.025=0.2m/ s0.019 x 0.2 x 836.60.381x10-=8344 > 500九=5.0re(嚴=5.0x8344228 = 0.64= 0.4x0.64xl2x(29 + l)x836.6 x o,= 7710pa< c 2h、2叫=29x(2x0.153.53.5 -1d,20.4 )836.6x(0.2)22=1334兀工乂) =(7710 + 1334)x1.15x1 = 10401%由上面計算町知，該換熱器管程打殼程的壓強均滿足題fl耍求，故

20、所選換熱器合適。0!設(shè)計結(jié)果一覽表項目殼程(循環(huán)水)管程(苯)流量，kg/s15.49. 25溫度，°c (進/出)25/3080/40物性定性溫度，°c27.560密度,kg/m3996. 325836.6比熱，kj/kg °c4. 1761.828粘度，pa-s0. 825x10"0.318x10"導熱系數(shù)，kj/m°c0.6130. 151普蘭特數(shù)5.295. 27結(jié)構(gòu)參數(shù)殼體外徑，mm600臺數(shù)1管徑,mm 19x2殼程數(shù)1管長，m4.5管心距，m32管數(shù)108管了排列止三角形排列傳熱而積，m210&4折流板數(shù)29管程

21、數(shù)4折流板距，m0.3材質(zhì)不銹鋼主要計算結(jié)果殼程管程流速，m/s0. 9250. 22污垢熱阻，(m2 °c)/w2. 0x 10“1. 7x 10“傳熱系數(shù)，w/ (m2 - °c)104014432五.經(jīng)驗公式1.管程對流傳熱系數(shù)務(wù)，可用辿特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式:=0.023areo8pr 032売程對流傳熱系數(shù)a。，對用關(guān)聯(lián)式計算:=o.36x#（re（）f55（pro）3 3. 管程壓強降可用：z'p嚴怎p+np）finpns4. 殼程壓強降可用埃索法：六. 設(shè)備及工藝流程圖七. 設(shè)計評述通過本次課程設(shè)計，我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都冇了一定的了解，同時，在設(shè)計過

22、程中，我也掌握了一定的工藝計算方法。換熱器是化工廠屮重要的化工設(shè)備之一，而且種類繁多，特點不一，因此，選擇合 適的換熱器是相當重要的。在本次設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)進行換熱器的選擇和設(shè)計是要通過反 復計算，對各項結(jié)果進行比較后，從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設(shè)計，為此，設(shè)計時 應考慮很多方而的因素。首先要滿足傳熱的要求，本次設(shè)計時，由于初選總傳熱系數(shù)不合適，使規(guī)定條件下 的計算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi)，因此，經(jīng)過多次計算，才選擇到合適的k值為443w/m2 °c，計算結(jié)果為360w/加2.c 安全系數(shù)為16.8%,滿足要求。其次，在滿足工藝條件的前捉下選擇合適的換熱器類型，通過分析操作要求及