管式換熱器課程設(shè)計(jì)

1、一. 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件某生產(chǎn)過(guò)程的流程如圖所示，反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流患熱后，用循環(huán)冷卻 水將其從90c進(jìn)一步冷卻至3ctc之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。循環(huán)水的入 口溫度為30°c,出口溫度為5ctc ,試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。物性特征:煤油在60°c h的冇關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)屮的實(shí)測(cè)值）： 密度a =s25kg/m3定壓比熱容 cpi=2. 22kj/kg°c熱導(dǎo)率aj =0. 14w/m粘度“二&66xlo-4 pas循環(huán)水在40c下的物性數(shù)據(jù)：密度=992.2 kg/m3定壓比熱容cpi =4. 174kj7kg

2、°c熱導(dǎo)率=0. 64w/m°c粘度他=0.653x10"二. 確定設(shè)計(jì)方案1. 選擇換熱器的類型兩流休溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度90c出口溫度30°c；冷流體進(jìn)口溫度30c, 出口溫度為50c,該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作吋，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮 到這一因索，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式 換熱器。2. 管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷 卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下賤，所以 從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。三

3、. 確定物性數(shù)據(jù)1定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取煤油進(jìn)出ii溫度的平均值。故殼程煤油的定性溫度為t=90 + 3()二 60 °c管程流體的定性溫度為30 + 502=40 °c2物性數(shù)據(jù)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的冇關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)煤油來(lái)說(shuō)，最可靠的無(wú) 形數(shù)拯是實(shí)測(cè)值。若不具備此條件，則應(yīng)分別查取混合無(wú)辜組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，然后按 照相應(yīng)的加和方法求出煤油的物性數(shù)據(jù)。煤油在60°c下的冇關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：密度pl =s25kg/m3定壓比熱容cpl=2.22kj/kg°c熱導(dǎo)率入二014w/m粘度a）

4、=8. 66x10 vasu!估算傳熱面積循壞水在40c下的物性數(shù)據(jù):密度定壓比熱容 熱導(dǎo)率px =992. 2 kg/m3174kj/kg°c人二0. 64w/m°c粘度“嚴(yán)0. 653x 103pas1 熱流量= 18939. 4x2. 22x (90-30)/3. 4 =700757. 43kw2.平均傳熱溫差先按照純逆流計(jì)算，得ar_ (90 - 30) -(50 一 30) , 90-30in50-30= 4&33641k3傳熱面積由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的k值。假設(shè)k=320w/（m2k）則估算的傳熱面積為700757.43.66x1()33

5、20x36.41=60.14/7124 冷卻水用量m=旦=70075743x& 沁和屮二 30204" c 越 i4.174x103x20五.工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用025x2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼）,取管內(nèi)流速 u i=lm/so2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)ns=兀；24 u按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為v 700757.43/(3600x992.2)“0.785x0.02x1=2?al= = ' 29m叭比 34x0.025x27按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)木設(shè)計(jì)實(shí)際情況,60.14采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)

6、取傳熱管長(zhǎng)1二601,則該換熱器的管程數(shù)為傳熱管總根數(shù)z l 29<np 二一二一=5i 6nt 二29x5二 1453平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)按式（3-13a）和式（3-13b）=5n 50-30= 0.33 000001009080706050.0.04a3 5 2 50.0.020.0.01 o o jow uooo-eu.iii ii ii 1complete turbulence, roug 1 pipes：斗19 80.o0.0o0.0o1ffi111一u llt jll l -1laminar critical | 沖fk)wt"zonetrans

7、rtioner zone"二x1032 3 4 56 8106 2 3 4 56 810/ x105 - -+- -0.050 040.030.020.0150.010.008a>|q0006誘a>0 004x0.002§0.001運(yùn)0.0008i0.0006a:0 00040 00020.00010.000.051032 3 4 56 8104 2 3 4x104reynolds number ra =乎0.000.01按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖3-9得% =0.9平均傳熱溫差=抵塑=0.9x36.41 = 32.77 °c曲于平均傳熱溫差校正系數(shù)大

8、于0.8,同吋?xì)こ塘黧w流量較犬，故取單殼程合適。 4傳熱管扌非列和分程方去 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩 側(cè)采用正方形排列。見(jiàn)圖3-13o取管心距 t=1.25do,則 t=l. 25x25=31. 2532 mm隔板中心到離其最近一排管中心距離按式(3-16)計(jì)算s二t/2+6二32/2+6二22 mm各程相鄰管的管心距為44 mmo管數(shù)的分成方法，每程齊有傳熱管27根，其前后關(guān)鄉(xiāng)中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順 序按圖3-14選取。5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式(3-19)估算。取管板利用率n二0.7 ,則売體內(nèi)徑為d二 1. 05t j% / = 1.05x32j1

9、45/0.7 = 483.5加加按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取d=500mm6.折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為h二0.25x500二 125m,故可 取 h=150mm取折流板間距b二0. 4d,則 b=0. 4x500=200mm,可取b為200mm折流板數(shù)口 nb=傳熱管長(zhǎng)折流板間距-1 =6000"200-折流板圓缺面水平裝配，見(jiàn)圖3-15o7.其他附件拉桿數(shù)量與直徑按表3-9選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm,故其拉桿直徑為 12拉桿數(shù)量不得少于10o殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板，如圖3-17所示。8.接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接

10、管內(nèi)氣體流速為ui=10m/s,則接管內(nèi)徑為4x18139.4/(3600x90) _dogv3.14x1-i員i整后可取管內(nèi)徑為300mmo管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=1. 5m/s,則接管內(nèi)徑為4x30204/(3600x992.2)3.14x1.5= 0.08圓整后去管內(nèi)徑為80mm六.換熱器核算1熱流量核算(1) 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算，見(jiàn)式(3-22)a.0.023 re08pr04aq = 0.36re0055 pr( “ )014de血當(dāng)量直徑，依式(3-23b)得d24=0.02加殼程流通截面積，依式3-25得1c v匚bd(1 °)-200x50

11、0(1)-0.021875殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為18939.4/(3600x825)八“ ,un = 0.29m / s0.021875門(mén)0.02x0.29x825 匕“匚re , =: = 5525.4°8.66 x10'4普朗特?cái)?shù)門(mén)2.22x103x8.66x10-4“pr = 13.600.14粘度校正(“)04 = !ao = 0.36x 0,14 x5525.4°55 x 13.6= 687.93w/n? k° 0.02(2)管內(nèi)表而傳熱系數(shù) 按式3-32和式3-33冇管程流體流通截而積9145s.= 0.785 xo.o22x = 0.0

12、09* 2管程流體流速30204/(3600x992.2) aa/1 zw. = = 0.94/72 / s10.009re = 0.02 x 0.94 x 992.2 /(0.653 x 10-3) = 28565.64 普朗特?cái)?shù)c474x103x0.653x103, “pr = 4.250.64“023x牆x28565.64%4.25。4698.0曲加嘆(3)污垢熱阻和管壁熱阻按表3-10,可取管外側(cè)污垢熱阻r。= 0.00034/7?2 k i w管內(nèi)側(cè)污垢熱阻尺=0.00034加2七/管壁熱阻按式3-34計(jì)算，依表3-14,碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m k) o所 以 二 00

13、025 = ° 00005加2 k/w“50+(4)傳熱系數(shù)心依式3-21d j1 = 400.7vv/m2 -k+ «r + 丄)d,6l傳熱面積裕度 依式3-35可得所計(jì)算傳熱面積ac為a =4 = 7oo757.43x1o6.37,”2° ketm 400.7x36.41該換熱器的實(shí)際傳熱面積為apap = 7id(,lnt =3.14x0.025x6x145 = 68.295加 $該換熱器的面積裕度為ap- ac68.295 56.3756.37= 215%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成牛產(chǎn)任務(wù)。2.壁溫計(jì)算因?yàn)楣鼙诤鼙?，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可?/p>

14、式3-42計(jì)算。由于該換 熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確保可靠，取循環(huán) 冷卻水進(jìn)口溫度為30c,出口溫度為5ctc計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢 熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污 垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考 慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是，按式4-42有式屮液體的平均溫度匚和氣體的平均溫度分別計(jì)算為tm =0.4x50+0. 6x30=24. 6°ctm = (90+30)/2二 60 °ca = a- = 4698w/ m2

15、kvtah = ao = 687. 93w/m2 k傳熱管平均壁溫tyv - 4.9 °c殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即t二85c。殼體壁溫和傳熱管壁溫 之差為= 85 40.9 = 44該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用 浮頭式換熱器較為適宜。3. 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力(1)管程流體阻力即嚴(yán)pi+gjn,npfs2m i，np = 2 , 化牛a- 2由re二28565. 64,傳熱管對(duì)粗糙度0.01,查莫狄圖得人=0.03，流速u二0. 94m/s, p = 992.2kg/m 所以，a n60.942x992.2 an/lc i

16、nda/?- = 0.03 xx= 394519pa' 0.02 23x992.2 x 0.9422= 1399.002%pi = (3995.19 +1399.002) xlxl.5 = 620332pa管程流體阻力在允許范圍z內(nèi)。(2) 殼程阻力按式計(jì)算代=(幾+3jf凡，他=1,巴=1.15流體流經(jīng)管束的阻力2幾二磅nhm+1)牛f 二 0.5f =5x5525.4-°288 =0.417/ ()ntc - lin/' =1x1450-5 - 13.25nb =29 uo = 0.29m/s25x0 9q2pt)=0. 5x0. 701 x 13. 25x (2

17、9+1) x =4883. 31pa 流體流過(guò)折流板缺口的阻力2/珀二 nr (3.5 -, b=0. 2m , d=0. 5m八 13 d 229 x (3.5 -0.52=2716.32 pa總阻力ps =4883. 31+2716. 32=7599. 4pa由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。(3) 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：參數(shù)管程(水)殼程(煤油)流率898560227301進(jìn)/出口溫度/°c30/5090/60壓刃/mpa0.46.9性、rt定性溫度/°c4060密度/ (kg/m3)992.2825定壓比熱容/kj/ (

18、kgk)4. 1742.22粘度/ (pa-s)0. 653 x 103& 66 x 10-5熱導(dǎo)率(w/m*k)0. 6240. 14普冊(cè)特?cái)?shù)4. 2513.6嘆備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/伽500臺(tái)數(shù)1管徑/mm025x2.5管心距/mm44管長(zhǎng)/mm6000管子排列管數(shù)目/根145折流板數(shù)/個(gè)29傳熱而積/nf6& 295折流板間距/儷200管程數(shù)5材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/ (m/s)0. 940. 29表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/ (m2-k)4698687. 93污垢熱阻/ (m2-k/w)0. 000340. 00034阻力/ pa6203. 324883.31熱流量/kw700. 757傳熱溫差/k36.4