固定管板式換熱器2

1、目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3一、課程設(shè)計(jì)題目3二、工藝條件3三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容3四、進(jìn)度安排4五、基本要求41 設(shè)計(jì)方案簡介41.1選擇換熱器類型41.2 流體流動(dòng)途徑安排52 確定物性參數(shù)52.1 定性溫度的確定52.2基礎(chǔ)物性參數(shù)的確定53基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算63.1水煤氣的流量計(jì)算：63.3 平均溫差73.4 估算傳熱面積73.5 加熱變換氣用量74 工藝結(jié)構(gòu)尺寸74.1 管徑和管內(nèi)流速74.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)74.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)85 主體設(shè)備的計(jì)算85.1 傳熱管排列方法85.2 殼體內(nèi)徑95.3 折流板96 附件的計(jì)算與選型96.1 拉桿數(shù)量與直徑96.2 接管106.3 膨脹節(jié)10

2、6.4 輸送設(shè)備107 換熱器的核算117.1殼程表面換熱系數(shù)117.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)127.3污垢熱阻和管壁熱阻127.3 傳熱系數(shù)KC137.4 傳熱面積裕度137.5 壁溫核算137.6 換熱器內(nèi)流體阻力計(jì)算148 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表15結(jié)語16參考資料17課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)題目管殼式換熱器的設(shè)計(jì)二、工藝條件1物料組成（基準(zhǔn)為100kmol干半水煤氣）組分COH2N2CO2O2CH4H2O半水煤氣29.838.721.78.70.20.992變換氣3.065.121.735.510.981.32生產(chǎn)能力為1000 kg(NH3)/h；3消耗定額為3400m3干半水

3、煤氣/h；4常壓操作；5溫度：半水煤氣進(jìn)口158，出口370，變換器進(jìn)口410；6換熱器損失的冷流體熱負(fù)荷的3.5%。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明； 2傳熱面積、換熱管根數(shù)；3確定管束的排列方式、程數(shù)、檔次、隔板的規(guī)格、數(shù)量；4冷、熱流體進(jìn)、出口管徑；5殼體內(nèi)徑。 四、進(jìn)度安排1課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段：收集查閱資料，并借閱相關(guān)工程設(shè)計(jì)用書；2設(shè)計(jì)分析討論階段：確定設(shè)計(jì)思路，正確選用設(shè)計(jì)參數(shù)，樹立工程觀點(diǎn)，小組分工 協(xié)作，較好完成設(shè)計(jì)任務(wù)；3計(jì)算設(shè)計(jì)階段：完成物料衡算、熱量衡算及主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算；4. 課程設(shè)計(jì)說明書編寫階段：整理文字資料計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，用簡潔的文字和適當(dāng)?shù)膱D表 表達(dá)自

4、己的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)成果。五、基本要求1格式規(guī)范，文字排版正確；2. 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算需包含：熱量衡量，工藝參數(shù)的選定，設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算；3管束排列圖：以2號(hào)圖紙繪制，標(biāo)明管束的排列方式、程數(shù)、隔板的規(guī)格、數(shù)量；4. 換熱器工藝條件圖：以2號(hào)圖紙繪制，圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表；5. 按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，上交完整的設(shè)計(jì)說明書一份。 1 設(shè)計(jì)方案簡介設(shè)計(jì)方案選擇的原則是要保證達(dá)到工藝要求的熱流量，操作上要完全可靠，結(jié)構(gòu)上要簡單，便于維護(hù)，并進(jìn)肯能節(jié)省操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。1.1選擇換熱器類型管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳

5、熱面的間壁式換熱器。其中類型主要要分三大類：固定板式、浮頭式、U形管式，依據(jù)給定的工藝條件(常壓操作，假定出口溫度為250，則兩流體平均溫差為66>50)考慮，固定板式換熱器適用于管壁溫與殼體壁溫不大的場合，故可選用，但是需要加膨脹節(jié)；浮頭式與U形管式換熱器均適用于溫差較大的，但是浮頭式與U形管式換熱器建構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，制造安裝要求高，增加了設(shè)備費(fèi)用，故不選用。綜合考慮初步選擇固定板式換熱器。1.2 流體流動(dòng)途徑安排由工藝條件中的物性組成可知半水煤氣中水含量大于變換氣，所以半水煤氣對(duì)材料的腐蝕性要大于變換氣。所以變換氣走殼程，半水煤氣走管程，這樣可以節(jié)約耐腐蝕性材料的用量，降低換熱器成本

6、。2 確定物性參數(shù)2.1 定性溫度的確定假定變換器出口溫度為260管程半水煤氣的定性溫度為： tm = t2+t12 = 370+1582 = 264Cº殼程變換氣的定性溫度為： Tm =T1+T22= 410+2702 = 340Cº2.2基礎(chǔ)物性參數(shù)的確定 在264下的半水煤氣的各組分物性參數(shù)為：物性組成COH2N2CO2O2CH4H2O定壓比熱容1.114.31.11.083.11.032.0摩爾分?jǐn)?shù)0.1550.2000.1100.0450.0010.00470.48質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.230.0210.1650.1060.0010.0080.46黏度0.2680.0129

7、0.02750.0240.03130.01710.0172導(dǎo)熱率0.01190.10.01550.00580.0130.0160.599由上表渴求的264Cº似的半水煤氣物性參數(shù)：密度 1 =0.4235kg/m3 熱導(dǎo)率 定壓比熱容 Cp1 = 1.781 kJ/kg·Cº 粘度 在340Cº下變換氣的各組分物性參數(shù)：物性組成COH2N2CO2O2CH4H2O定壓比熱容1.114.31.11.083.11.032.0摩爾分?jǐn)?shù)0.01460.3170.100.170.00490.00440.396質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02150.0330.160.400.0067

8、0.00740.37黏度0.2680.01290.02750.0240.03130.01710.017由上表可得變換氣在330Cº下的物性參數(shù)密度 2 = 0.367kg/m3 熱導(dǎo)率定壓比熱容 Cp2 = 1.872 kJ/kg·Cº 黏度 3基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算3.1水煤氣的流量計(jì)算：體積流量 qv1=3400+3400*92/100=6528 (m3/h)質(zhì)量流量 qm1=1* qv1=0.4235×6528=2764.608kg/h3.2半水煤氣的熱負(fù)荷Q 考慮到熱負(fù)荷損失為3.5% 所以： Q=qm1×Cp1×（t2-t1）/(1

9、-3.5%)=1136359.9kJ/h =315.66 (kw)3.3 平均溫差 按純逆流計(jì)算 tm= t1-t2lnt1t2 = 270-158-410-370ln250-158410-370 = 69.9 C°3.4 估算傳熱面積 氣氣傳熱系數(shù)K的范圍為 取K= 28W/(m2·K)計(jì)算Ap = QKtm = 315.66×100028×69.9 = 161.28 m23.5 加熱變換氣用量 qm2 = QCp2*(T1-T2) = 1136359.91.872×（410-270） = 4338.245 kg/h qv2 = qm2 /

10、2 = 4338.2450.3675 = 11804.748 m3/h = 3.28m3/s4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.1 管徑和管內(nèi)流速選用2.5×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速µ =13m/s4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 單程換熱管數(shù) ns = qv4d12u = 6528/36004×0.022×13 = 445（根）按單管程數(shù)計(jì)算，所需的傳熱管長度為 L = Apd0ns = 161.28×0.2×445 = 5.768 m按單管程計(jì)算，傳熱管長度符合要求，查JB/T 471592固定管板式換RE熱器型式與基本參數(shù)，取管長 則

11、換熱器管程為 Np = Ll = 5.7686 = 1 (管程)4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù) R = 熱流體的溫降冷流體的溫升 = T1-T2t2-t1 = 410-270370-158 = 0.66 P = 冷流體的溫升兩流體最初溫差 = t2-t1T1-t1 = 370-158410-158 = 0.84按雙殼程，單管程結(jié)構(gòu)，查圖得溫差校正系數(shù)t = 0.805>0.8 故合適 平均傳熱溫差為 tm = 0.805×69.9 =56.27 Cº5 主體設(shè)備的計(jì)算主體設(shè)備的計(jì)算主要包括傳熱管的排列方式、殼體內(nèi)經(jīng)、折流板間距以及個(gè)數(shù)。5.1 傳

12、熱管排列方法采用組合排列法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用矩陣排列。取管心距t=1.25d0 則 t = 1. 5×25 =31.532(mm) 各半中心到離其最近一排管中心距離按式 s=t2+6 計(jì)算 即 s = 322 + 6 =22 (mm)各程相鄰管的管心距為44mm.5.2 殼體內(nèi)徑 采用單管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可由下式確定 D = t (b-1)+(23) d0 對(duì)于正三角形排列b= 1.1NTb = 1.1×445 = 23.2 D = 32×(23.2-1)+2.5×25 =772.9 (mm)查JB/T 4715-92 7 固定管板式

13、換熱器型式與基本參數(shù)，可選取DN=800mm的卷制殼體。5.3 折流板采用弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 h = 0.25×800 = 200 (mm)取折流板間距 B = 0.3D, 則 B = 0.3×800 = 240(mm) ,可取B = 300（mm）折流板數(shù)量NB NB = 傳熱管長折流板間距 - 1 = 6000300 - 1 = 19 （塊）6 附件的計(jì)算與選型6.1 拉桿數(shù)量與直徑本換熱器傳熱管外徑為25mm，換熱管公稱直徑為800mm 拉桿直徑/mm換熱管外徑1014192532384557拉桿直徑101212121616161

14、6拉桿數(shù)量拉桿直徑/mm101216公稱直徑800mm1086查表可知 拉桿直徑為 16mm 拉桿數(shù)量 86.2 接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)內(nèi)流體流速為u1=25m/s ,則接管內(nèi)徑為： D1 = 4qvu1 = 3.28×4×25 = 0.409m = 409mm可選擇的接管 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速 u2 = 16m/s , 則接管內(nèi)徑為： D2 =4qvu1= 4×6528/3600×16 = 0.38m =380mm可選擇400×9的接管規(guī)格6.3 膨脹節(jié) 本設(shè)計(jì)的換熱器因殼體壁溫與管子壁溫之差大于50，故需在已選擇

15、的固定板管式換熱器的殼體上安裝溫度補(bǔ)償圈。 查GB 16749-1997壓力容器波形膨脹節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，選擇膨脹節(jié)的型號(hào)為ZDW(B)型（臥式），當(dāng)DN= 800mm時(shí)，波高h(yuǎn)=0.10.2DN ，圓弧半徑R>3s（s為膨脹節(jié)的厚度），波長L>140+5s則 波高h(yuǎn)=100mm , 圓弧半徑R=35mm , 波長L=200mm6.4 輸送設(shè)備 本設(shè)計(jì)需要輸送的兩種流體均為氣體，且操作條件為常壓，故可選擇鼓風(fēng)機(jī)為本設(shè)計(jì)的輸送設(shè)備。根據(jù)前面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，半水煤氣流量約為110m³/min，變換氣流量約為200m³/min，查D系列造氣爐鼓風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表 9 ，可選用

16、型號(hào)為D200-21的鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，其性能參數(shù)如下：進(jìn)口流量：200m³/min 軸功率：104.6KW 轉(zhuǎn)速：2960r/min7 換熱器的核算7.1殼程表面換熱系數(shù)用克恩法 4 計(jì)算 當(dāng)量直徑【4】求算依式 則 de = 4(32×0.0322-0.785×0.0252)3.14×0.025 = 0.02m殼程流通截面積，依式 則 S0 = 0.3×0.8(1-0.0250.032) = 0.0525m2殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 u0 = qv2s0 = 3.280.0525 = 62.48m/s Re0 =0.02×62.48

17、×0.3672.024×10-5 = 22658.261Pr = cp22 2 = 1.782×103×2.08×10-50.1223 = 0.303黏度校正 （w）0.141 ho =0.36× 0.12230.02×22658.2610.55×0.3031/3 = 367.47W/(m2·K)7.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 根據(jù)式 管束流通截面積 Si = 0.785×0.022×445 = 0.13973m2管內(nèi)流體流速及雷諾數(shù) ui = qv1Si = 6528/36000.1397

18、3 = 12.98m2 Re = 0.02×12.98×0.42352.024×10-5 = 5431.85 Pr = cp111 = 1.871×1000×2.024×10-50.0848 = 0.447 故 hi = 0.023×0.08480.02×5431.850.8×0.4470.4 = 68.73W/(m2·K)7.3污垢熱阻和管壁熱阻 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻按式（3-34） 4 計(jì)算，查表3-11 4 ，碳鋼在264時(shí)的熱導(dǎo)率為 則 7.3 傳熱系數(shù)KC 則 KC

19、 = 1/(2520×68.73+0.0038×2520+0.00006×2522.5+0.004+1367.47) 即 KC = 33.64W/(m2·K)7.4 傳熱面積裕度該換熱器的計(jì)算傳熱面積 AC = QKctm = 315.66×100033.64×56.27 = 166.76m3該換熱器的實(shí)際傳熱面 A = dolNT = 3.14159×0.025×6×445 = 209.99m3面積裕度 H = A-AcAc ×100% = 209.99-166.76166.7 ×1

20、00% = 25.92% 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。7.5 壁溫核算 若考慮熱阻影響 TW = Tm - QAh(1hh+Rh)tw = tm+QAc(1hc+RC) 式中，Rh , Rc 分別為熱流體和冷流體的污垢熱阻，m2·K/W tm = t2+t12 = 370+1582 = 264C Tm =T1+T22= 410+2702 = 340Cºhc = hi = 68.73W/(m2·K) hh = ho = 367.47W/(m2·K) Ah = QKcT = 31566033.64×140 = 67.02m2即 TW

21、 = 340 31566067.02(1/367.47+0.0038) = 309.28 Cº tw = 264+315660166.76(1/68.73+0.004) = 294.72 Cº管壁平均溫度可取為 t = tw+Tw2 = (309.28+294.72)/2 = 302 Cº殼體壁溫壁溫和傳熱管壁溫之差為 t = Tm t = 340-302 = 38 Cº該溫差適當(dāng)，故可用固定板管式換熱器7.6 換熱器內(nèi)流體阻力計(jì)算 管程流體阻力 pt = (pi+pr)NsNpFs Ns = 2 Np = 1 pi = i ldi×u22由

22、Re = 5431.85 ，傳熱管相對(duì)粗糙度 0.220 = 0.01 ，查狄圖得 i =0.047 ,流速u = 12.98m/s , = 0.4235kg/m3 ，所以 pi = 0.047×60.02×0.4235×12.9822 = 503.03Pa Pr = u22故 Pr = 3×0.4235×12.9822 = 104.03Pa pt = (503.03+104.03)×2×1.5 = 1821.18Pa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 殼程阻力 ps = (po+pi)FSNs Ns = 2 Fs = 1流體流經(jīng)

23、管束的阻力 po = FfoNTC(NB+1)uo22 F=0.5fo = 5×Reo-0.228 (Reo>500) 即 fo = 5×22658.261-0.228 = 0.508 NTC =1.1NT0.5 = 1.1×4450.5 = 23.205 NB = 19 uo = 62.48m/s po = 0.5×0.508×23.205×(19+1)×0.367×62.482 = 1351.52Pa流體流過折流板缺口的阻力3 pi = NB(3.5 - 2BD)uo22 B = 0.3m D = 0.8m pi = 19×(3.5 - 2×0.30.8)×0.367×62.482 = 599.05Pa總熱阻 ps = 1351.52+599.52 = 1950.58Pa殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi) 8 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm800mm材質(zhì)碳鋼管徑/mm殼程接管管長/mm6000管程接管400×9管數(shù)目/根445折流板個(gè)數(shù)19管子排列正三角形間距/mm300拉桿（根）8高度/mm200管心距/mm32mm傳熱面積/m2210m2管程數(shù)1殼程數(shù)2波形膨脹節(jié)型號(hào)