華東理工化工原理課程設(shè)計(jì)

1、華東理工大學(xué) 2010 級(jí)化工原理課程設(shè)計(jì)溫樂斐 10103638 復(fù)材 101一前言1. 換熱器的相關(guān)說明換熱器( heat exchanger )，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換 器。是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備。被廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許 多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷 卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，根據(jù)使用目的可分為冷卻器、加熱器、冷凝器和汽化器；根據(jù)結(jié)構(gòu)材 料可分為金屬材料換熱器和非金屬材料換熱器；尤其是根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和 方式基本上可分三大類即：間壁式、

2、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng) 用最多。據(jù)統(tǒng)計(jì) , 這類換熱器占總用量的 99 %。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱 器兩類, 其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性 ,在長(zhǎng)期的操作過程中積累了 豐富的經(jīng)驗(yàn) ,其設(shè)計(jì)資料比較齊全 , 在許多國(guó)家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。近年來盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn) , 但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn) , 管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行 業(yè)中使用的主要類型換熱器 , 尤其在高溫、 高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 如何確 定最佳的換熱器 , 是換熱器優(yōu)化的問題。2泵的評(píng)價(jià)

3、與選用泵的性能參數(shù)主要有流量和揚(yáng)程，此外還有軸功率、轉(zhuǎn)速和必需汽蝕余量。流量是指單 位時(shí)間內(nèi)通過泵出口輸出的液體量，一般采用體積流量；揚(yáng)程是單位重量輸送液體從泵入口至出口的能量增量，對(duì)于容積式泵，能量增量主要體現(xiàn)在壓力能增加上，所以通常以壓 力增量代替揚(yáng)程來表示。3. 設(shè)計(jì)任務(wù)書的作用本設(shè)計(jì)書對(duì)指定有機(jī)物進(jìn)行冷卻， 如何選擇合適的換熱器， 如何合理安排操作管路以及 如何選擇合適的離心泵作出詳細(xì)的計(jì)算說明。二設(shè)計(jì)任務(wù)一工藝要求要求將溫度為 78的某液態(tài)有機(jī)物冷卻至 60，此有機(jī)物的流量為 9.85kg/s ?，F(xiàn)擬用 溫度為 t1=20 的冷水進(jìn)行冷卻。要求換熱器管殼兩側(cè)的壓降皆不應(yīng)超過0.1Mp

4、a。已知有機(jī)物在 69時(shí)的物性數(shù)據(jù)如下：二流程：段管管路布置如圖 （右方參考圖），已知泵進(jìn)口 長(zhǎng)L進(jìn) =5米，泵出口段管長(zhǎng) L出=15米，（均不考 部阻力損失）三 要求1. 選用一個(gè)合適的換熱器2. 合理安排管路3. 選用一臺(tái)合適的離心泵計(jì)算結(jié)果明細(xì)表1）管殼式換熱器的規(guī)格公稱直公稱壓管程數(shù)管子根中心排管程流換熱管管心距換熱徑力N數(shù)管數(shù)通面積長(zhǎng)度/mm面積/m2L/mm/m2DN/mmPN/NMPa325288100.007830002515.22）離心泵的型號(hào)規(guī)格型號(hào)轉(zhuǎn)速流量揚(yáng)程效率功率必需氣 蝕量（NPSH） r /m質(zhì)量 （泵/ 底座）/kgn/(r/min)m3/hL/s/m軸功率電機(jī)

5、 功 率IS65-2900154.1721.8581.532.050/4150-1245256.9420691.92.57308.3318.5682.23.023）計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果記錄項(xiàng)目結(jié)果單位冷卻劑出口溫度36循環(huán)水定性溫度28熱負(fù)荷393.606kW冷卻水質(zhì)量流量5.894并流對(duì)數(shù)平均溫差38.53逆流對(duì)數(shù)平均溫差40.99估算換熱面積14.77管程流動(dòng)面積0.0078管內(nèi)冷卻水流速0.759管程給熱系數(shù)3891.74摩擦系數(shù)0.0358管程壓降8741.72Pa殼程流動(dòng)面積0.0264殼程有機(jī)物流速0.659當(dāng)量直徑0.0144m殼程給熱系數(shù)1568.06殼程壓降4903.46Pa核算傳熱

6、系數(shù)757.18校核傳熱面積12.68冷卻水流量29.736總局部阻力系數(shù)18.65阻力損失4.57m壓頭（揚(yáng)程）16.236m四計(jì)算過程一選擇合適的換熱器1. 確定物性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方案：冷卻水：用溫度 t1=20 的河水進(jìn)行冷卻，從 tm>10及防止水中鹽類析出 為原則，選擇出口溫度為 36?？紤]到冬季使用時(shí)，其進(jìn)口溫度較低，換熱器管壁溫與殼 體壁溫之差較大；夏季時(shí)河水的溫度變化也不是很大，因此選用管殼式換熱器。從二種流 體的物性來看，由于冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器 的熱流量下降，所以從綜合考慮，應(yīng)使冷卻水走管程，有機(jī)液態(tài)化合物走殼程，并且保證 冷卻水的流

7、速不宜過慢。入口溫度為 t1=20 ，出口溫度為 t2=36 冷卻水的定性溫度為 tm=（20+36）/2=28 兩流體的溫差 Tm-tm=69-28=41兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下物性溫度密度粘度比熱容導(dǎo)熱系數(shù)流體kg/m3mPa·skJ/(kg · )W/(m· )有機(jī)物699970.62.220.16循環(huán)水28995.70.80124.1740.61712. 計(jì)算熱負(fù)荷 Q和 qm2由熱量衡算換熱器的總的換熱量 : Qqm2393.606冷卻水所需的流量：Q5.894kg / scp2(t2 t1) 4.174 (36 20)qm1cp1(T1 T2)

8、 9.85 2.22 (78 60) 393.606kW3. 計(jì)算溫差 tm和估計(jì)傳熱系數(shù) K估并流時(shí)， t1=T1-t1=78-20=58 ， t2=T2-t2=60-36=24 逆流時(shí)， t1=T1-t2=78-36=42 ， t2=T2-t1=60-20=40 由于在相同的流體進(jìn)出口溫度下，逆流流型具有較大的傳熱溫差，所以選擇逆流。由于水與中有 機(jī)物的傳熱系數(shù)K在 290 698 之間 , 故取總傳熱系數(shù)K現(xiàn)暫?。篕 650W/m 2 C4. 估算換熱面積5. 根據(jù)條件選取合適的換熱器根據(jù) A估可以選擇下述標(biāo)準(zhǔn)換熱器（查附錄得） ：公稱直公稱壓管程數(shù)管子根中心管程流換熱管管心距換熱徑力N

9、數(shù)排通面積長(zhǎng)度/mm面積/m2L/mm/m2DN/mmPN/N管數(shù)MPa325288100.007830002515.2. 傳熱管排列與分程方法：采用組合排列法，即每程內(nèi)均按照正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距 l=1.25d0 則l=1.25*19=23.75mm 取l=24mm 隔板中心到離其最近一排管中心距離為： S=l /2+6=24/2+6=18mm 則各程相鄰管的管心距為 36mm 管束的分程方法，每程各有傳熱管 44根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按書上 圖所示 . 殼體內(nèi)徑：采用多殼程結(jié)構(gòu)，其殼程內(nèi)徑：取管板利用率 =0.7 則 D=282.55mm按 卷制

10、殼體的進(jìn)級(jí)擋可取 D=300mm . 折流板間距：擋板的間距對(duì)殼程的流動(dòng)有重要的影響，間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外給熱系數(shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2 1.0 倍。故取 B=240mm6. 計(jì)算管程壓降 t 及給熱系數(shù) i2 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換熱器提供的參數(shù)管程流動(dòng)面積 : A1 0.0078m2管內(nèi)冷卻水流速 :管程給熱系數(shù) i ：取鋼的管壁粗糙度為 0.1mm，則管程壓降：7. 計(jì)算殼程壓降 s及給熱系數(shù) 00. 14 0 .95 殼程中有機(jī)物被冷卻， 其大于估算的 K值, 故可行管束中心線管數(shù) N TC 10殼程流動(dòng)面積：因 Re

11、 500, f 00.2280. 228管子排列為三角形，F(xiàn)=0.5，fs=1.15殼程壓降：psFf 0NTCN B 3.52B2 u0 s20.5 0.59010 12 1 123.52 0.24 1.15 9970.30.374224903.46Pa0.1MPa8. 計(jì)算傳熱系數(shù) K計(jì)污垢熱阻和管壁熱阻：2O管外側(cè)污垢熱阻R外0.000176m C/ W2O管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 R內(nèi)0.00021m C/ W3取鋼管壁厚 2 10 m ，熱導(dǎo)率50W m 1 K 15 Re 0.228 5 11807 .80 0.2280 .5909. 校核傳熱面積所選換熱器： A 15.2m所以選擇的換熱器

12、符合要求安排管路和選擇合適的離心泵1管徑初選初取水合適流速 u 1.5m s由于 71.36mm不是標(biāo)準(zhǔn)管徑，因此確定 d=73mm壁厚 3mm的熱軋無縫鋼管 符合經(jīng)濟(jì)流速范圍故確定： u 1.68m / s d=73mm 壁厚 3mm2. 壓頭 He在水槽液面及壓力表處列柏努利方程取0.15 mm ，/d 0.00224 ，查圖得局部阻力：底閥一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 90°彎頭 3 個(gè)球心閥 1 個(gè)（全開）另外：突然減小 =0.5 ，突然增大 =1.00.75 3 6.4 0.5 8.5 1.0 18.65換熱器壓降對(duì)流量的安全系數(shù)取 1.4 ， qve=1.4 21.24=29.736 m3

13、/h3. 泵的選擇 因?yàn)槭禽斔秃铀⑶腋鶕?jù) qv和He以及 IS 型離心泵系列特性曲線可以選用清水泵，由以 上數(shù)據(jù)查表得取泵： IS65-50-125其參數(shù)為：轉(zhuǎn)速： 2900 r / min 流量30 m3 / h揚(yáng)程： H=18.5m 效率： 68%軸功率： 2.22kW 必需汽蝕余量 :3m五附錄1）相關(guān)流體的物理性質(zhì)物性溫度密度粘度比熱容導(dǎo)熱系數(shù)流體kg/m3mPa·skJ/(kg · )W/(m· )有機(jī)物699970.62.220.16循環(huán)水28995.70.80124.1740.61712）計(jì)算使用的物理數(shù)據(jù)2O 管外側(cè)污垢熱阻 ： R外 0.00

14、0176m C/W2O管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 ：R內(nèi) 0.00021m2 OC/ W11鋼管熱導(dǎo)率 ： 50W m K六符號(hào)說明主要符號(hào)說明符號(hào)意義計(jì)量單位A面積2 m定壓比熱容d管徑mg重力加速度m/s2單位重量流體的機(jī)械能損失ml管路長(zhǎng)度mm質(zhì)量kg虛擬壓強(qiáng)Pap流體壓強(qiáng)Papa大氣壓PaB擋板間距mT周期時(shí)間st時(shí)間st溫度u流速m/sqv體積流量m3/sqm質(zhì)量流量Kg/s絕對(duì)粗糙度mm局部阻力系數(shù)摩擦系數(shù)動(dòng)力黏度密度Kg/m3He有效壓頭mD換熱器殼徑mf校正系數(shù)f0殼程流體摩擦系數(shù)K傳熱系數(shù)NT管子總數(shù)Q熱流量W或J/S給熱系數(shù)熱導(dǎo)率數(shù)群Grg tl 3 2格拉私霍夫數(shù) g tl2Nu努塞

15、爾數(shù) lPr普朗特?cái)?shù) cpRe雷諾數(shù) du下標(biāo)g氣體的m平均w壁面的s殼程的t管程的有有機(jī)物的七設(shè)計(jì)說明需要冷卻的有機(jī)物走殼程，冷卻劑走管程；有機(jī)物可以采取逆流的方式；換熱器說明：1. 采用光滑管光滑管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。缺點(diǎn)是它強(qiáng)化傳熱的性能不足。為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，可采用結(jié)構(gòu)形式多樣化的管子，如異性管，翅片管，螺紋管等。2. 選用 19 2mm的換熱管3.本設(shè)計(jì)中采用 3米長(zhǎng)的換熱管4. 管子的排列形式：本設(shè)計(jì)中采用正三角形錯(cuò)列的排列方式，而在隔板兩側(cè)采用正方形直 列。5. 采用多管程，故管板中間要留有隔板的位置6. 允許折流板的間距與管徑有關(guān)，取折流板間距 B=0.15m管路布置如圖所示：（ 1）管路選擇 73mm× 3mm的鋼管，至少使用下列零件：底閥 1個(gè)；標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭3