化工原理設計多管程列管式換熱器的設計

1、南京工程學院化工原理課程設計報告書課 程 名 稱： 化工原理課程設計B 課 題 名 稱： 多管程列管式換熱器的設計 院（系、部）： 環(huán)境工程系 專 業(yè)： 環(huán)境工程 班 級： 環(huán)境111 姓 名： 王志遠 學 號： 216110127 起 止 日 期： 2013-12-2 2013-12-13 指 導 教 師： 李乾軍 目錄前言1一、符號說明：21、物理量（英文字母）22、物理量（希臘字母）2二、設計目的3三、參數(shù)與條件設置31、 已知參數(shù)32、設計條件3四、設計計算41、確定設計方案4、選擇換熱器的類型4、流動空間及流速的確定42、確定物性數(shù)據(jù)53、計算總傳熱系數(shù)5（1）、熱流量5（3）、冷卻

2、水用量6（4）、總傳熱系數(shù)K64、設計傳熱面積7五、工藝結構尺寸71、管徑和管內尺寸72、殼程數(shù)和傳熱殼數(shù)73、平均傳熱溫差校正系數(shù)84、傳熱管排列和分程方法85、殼體內徑86、折流板97、接管9六、換熱器核算101、熱量核算10（1）殼程對流傳熱系數(shù)，10（2）管程對流傳熱系數(shù)11（4）、傳熱面積122、換熱器內流體的流動阻力12（1）、管程流動阻力12（2）、殼程阻力13（3）、總阻力13七、設計總結15八、參考文獻16前言換熱器是一種實現(xiàn)物料之間的熱量傳遞的設備，廣泛應用與化工，冶金，電力，食品等行業(yè)。它不僅可以單獨作為加熱器，冷卻器等使用，而且是化工單元操作的重要附屬設備。在化工裝置中

3、換熱設備占設備數(shù)量的40%左右，占總投資的35%46%。目前在換熱設備中，使用量最大的是列管式換熱器，尤其在高溫高壓和大型換熱設備中占有絕對優(yōu)勢。一般來說，列管式換熱器有易于加工制造，成本低，可靠性高，而且能適應高溫高壓的特點。隨著新型高效傳熱管的不斷出現(xiàn)，使得列管式換熱器的應用范圍得以不斷夸大。列管式換熱器在化工生產(chǎn)中主要作為加熱（冷卻）器，蒸發(fā)器，再沸器及冷凝器使用。固定管板式換熱器即兩端管板和殼體連接成一體，因此它具有結構簡單和造價低廉的優(yōu)點。但由于管板和殼體間結構的原因，使得管外側不能進行機械清洗，因而多用于殼側流體清潔，不易結垢或污垢容易化學處理的場合。當管壁于殼壁溫度相差較大時，由

4、于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生很大的溫差應力，以至于管子扭曲或使管子從管板上松脫，以致毀壞整個換熱器，因此，一般管壁和殼體的溫度相差50以上時，換熱器應有溫度補償裝置。一、符號說明：1、物理量（英文字母） B 折流板間間距 m Cp 定壓比熱容 kJ/(kg·) d 管徑 m D 換熱器內徑 m f 摩擦因數(shù) F 系數(shù) G 重力加速度 m/s2 P 壓力 pa n 指數(shù) N 管數(shù) S 傳熱面積 t 管心距 m u 流速 m/s2、物理量（希臘字母） 有限差值 導熱系數(shù) W/(·) 密度 kg/m3 粘度 Pa·s 對流傳熱系數(shù) W/(·) 下標 O 管外 m

5、平均二、設計目的 通過課題設計進一步鞏固課程所學內容，培養(yǎng)學生運用理論知識進行化工單元過程設計的能力，使學生能夠系統(tǒng)的運用知識。通過本次設計，學生應該了解設計的內容，方法和步驟，使學生具有調研技術資料，自行確定設計方案，獨自設計計算，準確繪制圖樣，編寫設計說明。三、參數(shù)與條件設置1、 已知參數(shù) (1) 熱流體（油）： T1=130 T2=50 Wh=6000kg/h (2) 冷流體（水）： t1=30 t2=40 壓力 0.4MPa2、設計條件管程數(shù)：2壓力降：p<10100kPa (液體) 110 kPa（氣體）雷諾數(shù)：Re<500020000（液體） 10000100000（氣

6、體）流動空間管材尺寸：25mm×2.5mm管內流速：0.50m/s傳熱管排列方式：正三角形排列傳熱面積裕量S：20%傳熱管長L：3折流擋板切口高度與直徑之比：0.30管壁內外污垢熱阻：自選四、設計計算 1、確定設計方案 、選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況：熱流體（油品）進口溫度130，出口溫度50，冷流體（水品）進口溫度30，出口溫度40。該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時進口溫度會減低，考慮這一因素，估計該換熱器的的管壁溫和殼體壁溫和殼體之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。 、流動空間及流速的確定 油品走殼程，水品走管程。選25mm×2.5mm的碳鋼管

7、，管內流速取0.50m/s。殼程流速0.3m/s2、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 油的定性溫度為 T=(130+50)2=90 水的定性溫度為 T=(30+40)/2=35 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 油在90下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 o=825 kg/m3 定壓比熱容 Co=2.22Kj/(kg·) 導熱系數(shù) o=0.140 W/(m·)粘度 o=0.715×10-3 Pa·s水在35下的物性數(shù)據(jù)：密度 i=994 kg/m3 定壓比熱容 Ci=4.08KJ/(kg·) 導熱系數(shù) i=0.6

8、26 W/(m·) 粘度 i=0.725×10-3 Pa·s 3、計算總傳熱系數(shù) （1）、熱流量 QO=wOcpOtO=6000×2.22×(13050)=1065600 kJ/h =296000Kw/h （2）、平均傳熱溫差 tm=(t1+t2)/(lnt1/t2)=(1340)+(3050)/1.5=47 （3）、冷卻水用量 Wi=QO/(cpiti)=1065600/(4030)×4.08)=26118 kg/h （4）、總傳熱系數(shù)K .管程傳熱系數(shù) Re=diuii/i=0.02×0.5×994/0.000

9、7=13170 i=0.023i/di(diuii/i)0.8(cpi/i)0.4 =0.023×(0.626/0.02)(Re)0.8(pr)0.4 =2733w/(·) .殼程傳熱系數(shù) w/(·)污垢熱阻 ·/w ·/w管壁的導熱系數(shù)=45 w/(·)換熱器列管的平均直徑 4、設計傳熱面積S=Q/(Kt)=296000/(311.43×4.7)=21考慮20%的面積裕面S=1.20×S=21×1.20=25.2五、工藝結構尺寸1、管徑和管內尺寸選用25mm×2.5mm的碳鋼管，管內流速取0.

10、50m/s2、殼程數(shù)和傳熱殼數(shù)依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計算，所需的傳熱管長度為按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。取傳熱管長L=3m，換熱器管程數(shù)位2，則則每層的管道數(shù)n=111÷2=56根管內流速3、平均傳熱溫差校正系數(shù)根據(jù)R=8，P=0.1，按單殼程，雙管程結構，溫差校正系數(shù)查有關圖表，得4、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正三角形排列。取管心距t=1.25dO，則t=1.25×25=31.25=32mm橫過管束中心線的管數(shù)5、殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內徑為圓整可取D=450mm6

11、、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的20%，則切去的圓缺高度為h=0.2×450=90mm，故取h=90mm取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×450=135mm折流板數(shù) 折流板圓缺水平裝配7、接管殼程流體進出口接管：取接管內油品流速u=1.0 m/s，則接管內徑為 取標準管徑為50mm管程流體進出口接管：取接管內水流速u=1.5 m/s，則接管內徑為 取標準管徑為80mm六、換熱器核算1、熱量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)，對圓缺形折流板，可采用克恩公式當量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普朗特準數(shù)粘度校正（2）管程對流

12、傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速普朗特準數(shù) （3）、傳熱系數(shù)（4）、傳熱面積該傳熱器的實際傳熱面積該換熱器的面積裕度為該換熱器的面積裕度合適，能完成生產(chǎn)任務2、換熱器內流體的流動阻力（1）、管程流動阻力 由傳熱管相對粗糙0.1/0.2=0,005，Re=12887，查莫狄圖得又因 所以所以管程流動阻力在允許范圍內（2）、殼程阻力 流體流經(jīng)管束的阻力因為是三角形。所以F=0.5 又因Re>500,所以所以流體流過折流板缺口的阻力（3）、總阻力殼程流動阻力比較適宜換熱器主要結構尺寸和計算結果，換熱器主要結構尺寸和計算結果見表1-1表1-1換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器模式：固定管板式管

13、口表換熱面積25.2管口尺寸連接形式用途工藝參數(shù)AD80平面油品入口名稱管程殼程BD80平面油品出口物料名稱水油CD50凹凸面水品入口操作壓力MPa0.4DD50凹凸面水品出口操作溫度30/40130/50ED20凹凸面排氣口流量m/s261186000FD20凹凸面放凈口傳熱量kw2960029600總傳熱系數(shù)2733對流傳熱系數(shù)6012600污垢系數(shù)0.0003440.000172阻力降3.022.04程數(shù)21直徑25*2.5mm450mm長度3000管子規(guī)格111根，管間距32mm，正三角排列折流擋板規(guī)格20塊，單弓形，立式，間距135mm，切口高度30%七、設計總結通過這次的課程設計，

14、我學到了很多，雖然比較累，但是很開心，感覺這兩周的課程設計比上了十幾周的課還要充實，從白天一直算到晚上，有時候為了能把一個圖畫好賴在教室里很晚才走。當然在這其中我發(fā)現(xiàn)把學到的知識運用到實際操作中有很大的不同，要綜合考慮很多其他方面的事,現(xiàn)在就來說說我設計的換熱器吧。首先課程設計任務書里給了一些數(shù)據(jù)，然后我要根據(jù)所學的知識去設計一個符合要求的換熱器。在正式寫之前要試算，了解自己的數(shù)據(jù)在哪個范圍內。還有那龐大的計算量，如果有一步算錯了，后面的全錯，要重新算，當然，我在這里也犯錯了，把污垢系數(shù)弄反了，導致我算了兩遍，不過最后還是算好了。畫圖也是個麻煩事，由于CAD是大一學的，現(xiàn)在基本忘完了，我不得不把書拿出來邊看邊畫。還有一點不得不說，同學之間的幫助也很重要，在這個過程中，有些不懂的問題通過問同學也得