化工原理課程設(shè)計(jì)(換熱器)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)式中：Vs流體的體積流量，/s； u接管中流體的流速，m/s。流速u的經(jīng)驗(yàn)值為： 對(duì)液體 u=1.52m/s; 對(duì)蒸汽 u=2050m/s 對(duì)氣體 u=(1520)p/(p為壓強(qiáng)，為密度)9）材料選用 換熱器材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來選用。金屬材料：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅和鋁。非金屬材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃。不銹鋼和有色金屬材料抗腐蝕性能好，但價(jià)格相對(duì)較高。 10） 流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算（1）管程阻力：管程阻力可按一般摩擦力公式求的。對(duì)與多程換熱器，其阻力等于個(gè)程直管阻力，回彎阻力及進(jìn)出阻力之和。一般進(jìn)出阻力不算，故管程總阻力的計(jì)算式為：式中:分

2、別為直管及回彎管中流動(dòng)阻力引起的壓強(qiáng)降。Ft結(jié)垢校正因數(shù)，對(duì)管徑為252.5mm管子取1.4。對(duì)192mm管子取1.5。Np管程數(shù)；Ns串聯(lián)的殼程數(shù)，即串聯(lián)的換熱器數(shù)。直管阻力: 回彎管阻力 殼程流動(dòng)阻力：現(xiàn)已提出的計(jì)算公式多，但由于流體流動(dòng)復(fù)雜，使所得結(jié)果相差很多，下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)的公式，即： 式中 殼程總阻力引起的壓強(qiáng)降,Pa; 流體橫向通過管束的壓強(qiáng)降，Pa; 流體通過折流板缺口處的壓強(qiáng)降，Pa; Fs殼程結(jié)垢校正系數(shù)，液體取1.15，氣體取1.0;其中 F管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)。 對(duì)正三角形排列 F=0.5； 正方形斜轉(zhuǎn)45度排列 F=0.4；正方形直列 F=0.3；

3、 殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)Re500時(shí) uo按殼程最大流動(dòng)截面積Ao計(jì)算的流速,m/s;Ao=h(D-nodo);NB折流板數(shù)；n折流板間距，m。 一般來說，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為0.11atm，氣體的為0.010.1atm。設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間予以平衡，使即能滿足工藝又經(jīng)濟(jì)合理。第三章 操作要求3、1操作要求 1. 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(jì)算和主要的工藝尺寸設(shè)計(jì)。 3. 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。 4. 設(shè)備簡(jiǎn)圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）。 5. 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問題的討論。3、2管殼式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：

4、1(284,285) 3、2、1試算并初選設(shè)備規(guī)格1）確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。2）根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷。3）確定利流體在換熱器兩端的溫度，選擇管殼式換熱器的形式；計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下流體物性。計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則決定殼程數(shù)。依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況選定總傳熱系數(shù)K值。由總傳熱速率方程Q=KStm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸（如d、L、n及管子在管板上的排列等），或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。3、2、2 計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降，檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要

5、求。若壓強(qiáng)降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流擋板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。3、2、3核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K。比較K的初設(shè)値和計(jì)算值，若K/K=1.151.25，則初選的換熱器合適，否則需另設(shè)K値，重復(fù)以上計(jì)算步驟。第四章 物性參數(shù)及其選定4、1 定性溫度冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為：35，根據(jù)前面的原則選定出口溫度為：45 則有： 煤油的定性溫度： 水的定性溫度： 根據(jù)4化學(xué)工程手冊(cè).化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù).化學(xué)工業(yè)出版社 分別查得在此條件下煤油和水的物性為：表5 物性參數(shù)物性流體密度 比熱

6、容粘度/Pas導(dǎo)熱系數(shù)煤油8102.30.9110-30.13水9944.1870.65610-30.638參數(shù)K的選定由于在定性溫度下，高溫物體煤油（有機(jī)物）的黏度為0.9110-3，介于（0.51）10-3 Pas，低溫物體水，故總傳熱系數(shù)范圍為280710W/（m2K）1(355)。第五章 工藝計(jì)算5、1試算和初選換熱器的規(guī)格5、1、1 流體流動(dòng)途徑： 采用逆流，因?yàn)槟媪鲿r(shí)的傳熱推動(dòng)力優(yōu)于并流和其他流動(dòng)形式。5、1、2 管程安排： 本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且水易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇循環(huán)水走換熱器的管程，煤油走殼程。5、1、3 傳熱量Q： 冷卻水流量5、1、

7、4 兩流體的平均溫度差： 暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為而：查圖419（a）2得：，符合要求,所以傳熱溫差的校正值為：5、1、5 初選換熱器規(guī)格根據(jù)冷熱流體在換熱器中有無相變及其物性等，假設(shè)傳熱系數(shù)為，于是可求所需傳熱面積為：由于，因此需考慮熱補(bǔ)償。兩流體溫度變化情況：熱流體煤油入口溫度140，出口溫度40；冷流體水入口溫度35，出口溫度45。t=(t1+t2)/2,t冷=(35+45)/2=40,t熱=(140+40)/2=90, t熱t(yī)冷=90-40=50,溫差較大，但是允許的壓強(qiáng)降不大于0.1MPa，壓力偏低，故可以選用浮頭式換熱器。據(jù)此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)（參見附錄）2中

8、選定F700-4.0-105 表6 換熱器的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)表殼徑/700管子尺寸/252.5公稱壓強(qiáng)/MPa4.0管長(zhǎng)/m4.5公稱面積/105.0管子總數(shù)304管程數(shù)6管子排列方法正方形斜轉(zhuǎn)45實(shí)際傳熱面積若選擇該型號(hào)的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為5、2 核算壓強(qiáng)降5、2、1 管程壓強(qiáng)降： 其中，管程流通面積: 管程流速: 管內(nèi)雷諾數(shù)取管壁粗糙度，查（夏清等.化工原理（上冊(cè)）.天津：天津大學(xué)出版社，2005 ）2圖1-27,由關(guān)系圖中查得：=0.032；所以管程壓強(qiáng)降：符合工藝要求；5、2、2殼程壓強(qiáng)降： 其中， 管子為正方形斜轉(zhuǎn)排列，取折流擋板間距 殼程流通面積： 殼程流速： 殼內(nèi)雷諾數(shù)

9、： （湍流）殼程流體摩擦因數(shù) 所以 計(jì)算表明，管程和殼程的壓強(qiáng)降都能滿足設(shè)計(jì)的要求。5、3 核算總傳熱系數(shù)5、3、1 管程對(duì)流傳熱系數(shù) 5、3、2殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 由式 計(jì)算 取換熱器列管之中心距。則流體通過管間最大截面積為 殼程中的煤油被冷卻，取。所以5、3、3 污垢熱阻 管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為5、3、4 總傳熱系數(shù) 管壁熱阻可忽略時(shí)，則總傳熱系數(shù)為由前面的計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)要求過程的總傳熱系數(shù)為，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的Ke為353，故所選擇的換熱器是合適的。安全系數(shù)為: （滿足要求，即在范圍之內(nèi)：10%25%）；（則：Ke/ K=353/302=1.169,而實(shí)際范圍應(yīng)

10、為1.151.25，符合）。第六章 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表6、1 結(jié)果表表7設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表參數(shù)管程（冷卻水）殼程（煤油）流量/(kg/s)21.963.998進(jìn)/出口溫度/35 45100 40壓強(qiáng)降MPa0.1物性定性溫度/40100密度/（kg/m3）994810定壓比熱容/kJ/（kg）4.1872.3黏度/（Pas）0.91導(dǎo)熱系數(shù)/（W/m）0.63380.13設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)6殼體內(nèi)徑/700臺(tái)數(shù)1管徑/252.5管心距/32管長(zhǎng)/4500管子排列正方形斜轉(zhuǎn)管子總數(shù)/根304管程數(shù)6傳熱面積/106材質(zhì)不銹鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.390.21表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/

11、（）4749553污垢熱阻/（/W）0.000200.00017壓強(qiáng)降/Pa6949熱流量/W919613傳熱系數(shù)/W/（K）353安全系數(shù)/%16.96、2 管束的排列簡(jiǎn)圖圖15 管子的排列方式【注：本設(shè)計(jì)采用的是正方形斜轉(zhuǎn)45，即第四個(gè)圖】第七章 設(shè)備簡(jiǎn)圖及工藝流程圖 圖16 設(shè)備簡(jiǎn)圖 圖17 工藝流程圖主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，所以選定循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖所示，煤油經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加水器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進(jìn)入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行換熱，煤油從140被冷卻至40之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從

12、35變?yōu)?5，由接管B流出。第八章 個(gè)人收獲 在做此次課程設(shè)計(jì)時(shí)，我最大的收獲是對(duì)所學(xué)的內(nèi)容有了更進(jìn)一步的理解：此次設(shè)計(jì)是根據(jù)任務(wù)書設(shè)計(jì)換熱器，首先要根據(jù)工藝參數(shù)查閱一些物性參數(shù)，然后根據(jù)工藝計(jì)算過程進(jìn)行核算，在這過程中要考慮很多因素：例如說流體在換熱器中的流動(dòng)途徑，計(jì)算中要時(shí)刻注意計(jì)算結(jié)果是否滿足工藝要求等等。通過此次設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)換熱器的理解，同時(shí)也對(duì)所學(xué)知識(shí)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)自己專業(yè)也有了更深的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了自己的興趣，讓自己對(duì)以后的工作多多少少有了一定的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該時(shí)刻記住“三動(dòng)”，即“動(dòng)腦”、“動(dòng)口”、“動(dòng)手”，要多思考、多問人、多動(dòng)筆?？傊?，在各方面，我收獲挺大。8、4 結(jié)論1）估算管程流速u=1.39m/s,在0.53m/s范圍內(nèi)，符合要求。2）估算殼程流速u=0.21m/s,在0.21.5m/s范圍內(nèi)，符合要求。3）換熱器的管長(zhǎng)與殼徑之比L/D=4500/700=6.4，不在46范圍內(nèi)，不太符合要求。5）管程壓強(qiáng)降=Pa100000Pa,符合要求。6）殼程壓強(qiáng)降=6949Pa100000Pa,符合要求。7) Ke/ K=353/302=1.169,符合要