浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)

13頁一．設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）設(shè)計(jì)計(jì)算列管式換熱器的熱負(fù)荷，傳熱面積，換熱管，殼體，管板，隔板及等。（2）繪制列管式換熱器的裝配圖。（3）編寫課程設(shè)計(jì)說明書確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體(混合物料）進(jìn)口溫度170.25℃，出口溫度85℃；冷流體（冷水）進(jìn)口溫度35℃，出口溫度43℃，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，因兩流體的溫度之差較大，（>50℃）因此初步確定選用浮頭式換熱器。2.流程的安排為使混合物料通過殼壁面向空氣散熱，提高冷卻效果，應(yīng)使冷卻水走管程，混合物料走殼程。確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故管程冷水的定性溫度為T=(T1+T2)/2=(35+43）/2=39(℃)溫度（t）/℃密度（ρ）/㎏/m3比熱容（cp×10-3）/J·㎏-1·k-1熱導(dǎo)率（k×102）/W﹒m-1·k-1黏度（μ×106）/Pa·s39992.34.17463.367混合物料的定性溫度T=(T1+T2)/2=(85.00+170.35）/2=127.68(℃)殼程混合物料在127.68℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下甲苯乙苯鄰二甲苯間二甲苯對二甲苯苯乙烯平均組成0.04570.02560.380.1570.2560.106密度（ρ）/㎏/m3866.9866.5880860861902847.25比熱容（Cp)KJ/kg/℃2.172.342.12.012.113.022.13熱導(dǎo)率（k）/W/m/℃0.1120.1130.1120.1120.1120.1080.108黏度μ*10^3（Pa·s)0.2450.2550.360.2560.270.3480.301密度ρo=847.25㎏/m3定壓比熱容cpo=2.13KJ/(㎏·℃)熱導(dǎo)率ko=0.108W/(m·℃）黏度μo=0.301×10-3Pa·s估算換熱面積1.熱流量依據(jù)公式Q=Wh*Cph(T1-T2)計(jì)算可得：Wh=23.3943*(92.14*0.0457+106.17*0.0256+0.380+0.157+0.256)+104.14*0.106)=2390㎏/hQ=2390/3600*2.13*1000*(170.35-85.00)=1.207*10^5W2.平均傳熱溫差先按純逆流計(jì)算，依據(jù)下式得：△tm’=EQ\F(△t1-△t2,ln(△t1/△t2))=(127.35-50)/ln(127.35/50)=82.73℃計(jì)算R與PR=（T1-T2）/(t2-t1)=(170.35-85)/(43-35)=10.67P=(t2-t1)/(T1-t1)=(43-35)/(170.35-35)=0.059查表￠△t=0.83△tm=￠△t△tm’=0.83×82.73=68.67（℃）由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱面積設(shè)K=450W/(m2·K)則估算的傳熱面積為AP=Q/(K△tm)=1.207*10^5/(450*68.67）=3.906(m2)5.冷卻水用量依據(jù)下式得Wc=Q/Cpc(t2-t1）=1.207*10^5/(4174*(43-35))=3.61(kg/s)工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=1m/s。管程數(shù)和傳熱管數(shù)通過下式可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)ns=EQ\F(qv,EQ\F(π,4)di2u)=3.61/992.3/(Π*0.25*0.02^2*1)=11.48≈12(根)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為L=EQ\F(AP,πdons)=3.906/(Π*0.025*12)=4.14(m)按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長l=3m,則該換熱器的管程數(shù)為NP=EQ\F(L,l)=4.14/3≈2(管程)傳熱管總根數(shù)NT=12×2=24根)3.傳熱管排列和分程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)采用矩形排列。取管心距t=1.25do=,則t=1.25×25=31.25≈32(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離按下式計(jì)算s=EQ\F(t,2)+6=22(mm)各層相鄰管的管心距為44mm每層各有傳熱管12根.4.殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑按下式計(jì)算。取管板利用率η=0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05tEQ\R(,NT/η)=1.05×32×(24/0.7)^0.5=196.7(mm)按卷制殼體的進(jìn)級擋，可取D=200mm。5.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×200=50(mm)，故可取h=50mm。取折流板間距B=0.5D,則B=0.5×200=100(mm)，可取B為100mm。折流板數(shù)NBNB=EQ\F(傳熱管長,折流板間距)-1=2000/100-1=19(塊）6.其它附件本換熱器傳熱管外徑為25mm,其拉桿直徑為16mm，共有4根拉桿。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，見下式ho=0.36EQ\F(λ1,d1)Reo0.55pr1/3(EQ\F(η,ηw))0.14當(dāng)量直徑，依式得de=EQ\F(4(EQ\F(EQ\R(,3),2)t2-EQ\F(π,4)do2),πdo)=EQ\F(4(EQ\F(EQ\R(,3),2)0.0322-EQ\F(π,4)×0.0252),3.14×0.025)=0.020（m）殼程流通截面積，根據(jù)下式計(jì)算得：SO=BD(1-EQ\F(do,t))=0.1×0.2×（1-EQ\F(0.025,0.032)）=4.375×10-3（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為uo=2390/(3600*847.25)/(4.375*10^-3)=0.179(m/s)Reo=0.02*0.179*847.25/(0.301*10^-3)=10077(>500)普朗特?cái)?shù)Pr=2.13*10^3*0.301*10^-3/0.108=5.94h0=0.36*0.108/0.02*10077^0.55*5.94^(1/3)*(0.301/0.67)^0.14=500.96[W/(m2·K)］(2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi=0.023EQ\F(λi,di)Re0.8pr0.4管程流體流通截面積Si=0.25*Π×0.022×24/2=3.77×10^-3m2管程流體流速ui=3.61/992.3/(3.77*10^-3)=0.965(m/s)Re=0.02*0.965*992.3/(0.67*10^-3)=28584普特常數(shù)Pr=4.174*10^3*0.67*10^-3/0.633=4.42hi=0.023×0.633/0.02×28584^0.8*4.42^0.4=4844［W/(m2·K)］污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻R0=1.7197×10-4m2·K/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri=3.4394×10-4m2·K/W管壁熱阻碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50.58W/(m2·K)。所以RW=0.0025/50.58=4.50*10^-5(m2·K/W)(4)傳熱系數(shù)Kc依式有Kc=1/(EQ\F(1,h0)+R0+EQ\F(Rwd0,dm)+EQ\F(Rid0,di)+EQ\F(d0,hidi))=1/(1/500.96+1.7197×10-4+0.000045×EQ\F(25,22.5)+3.4394×10-4×EQ\F(25,20)+1/4844×EQ\F(25,20))=344.1［W/(m2·K)］(5)傳熱面積裕度根據(jù)下式可得計(jì)算傳熱面積Ac為Ac=1.207*10^5/(344.1*68.67)=5.11（m2）該換熱器的實(shí)際傳熱面積AA=πd0LNT=Π×0.025×2×24=3.77（m2）該換熱器的面積裕度按下式計(jì)算為H=EQ\F(A-Ac,Ac)×100%=(5.11-3.77)/3.77*100%=35.54%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流體阻力依據(jù)下式可得△pt=(△pi+△pr)NsNpFtNs=1Np=2Ft=1.4△pi=λiEQ\F(l,di)×EQ\F(ρu2,2)由Re=28584，傳熱管相對粗糙度0.1/20=0.005，查圖得λi=0.031，流速u=0.965m/s,ρ=992.3kg/m3,所以△pi=0.031×2/0.02×992.3*0.965^2/2=1432.28（Pa）△pr=ξEQ\F(ρu2,2)=3×992.3*0.965^2/2=1386.08（Pa）△pt=(1432.28+1386.08)×2×1.4=7891Pa<15000Pa管流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程阻力按式計(jì)算△ps=(△p0+△pi)NsFsNs=1,Fs=1.15流體流經(jīng)管束的阻力△p0=Ff0NTC(NB+1)EQ\F(ρu02,2)F=0.5f0=5.0×10077^(-0.228)=0.6112NTC=1.1NT0.5=1.1×240.5=5.39NB=19,u0=0.179m/s△p0=0.5×0.6112×5.39×(19+1)×847.25*0.179^2/2=447.16（Pa）流體流過折流板缺口的阻力△pi=NB（3.5-EQ\F(2B,D)）EQ\F(ρu02,2),B=0.1m，D=0.2m△pi=19×（3.5-2*0.1/0.2）×847.25*0.179^2/2=644.74（Pa）總阻力△ps=(447.16+644.74)*1.15*1=1256Pa<15000Pa殼程流體的阻力也比較適宜。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表參數(shù)管程殼程流率(Kg/h)129962390進(jìn)/出口溫度/℃35/43170.35/85.00物性定性溫度/℃38127.68密度/（kg/m3）992.3847.25定壓比熱容/[kj/（kg?K）]4.1742.13粘度/（Pa?s）67×10-630.1×10-6熱導(dǎo)率（W/m?K）63.3×10-210.80×10-2普朗特?cái)?shù)4.425.94設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/㎜150臺數(shù)1管徑/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管長/㎜2000管子排列正三角形排列管數(shù)目/根24折流板數(shù)/個(gè)19傳熱面積/㎡5.11折流板間距/㎜100管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.9650.179表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/（㎡?K）]4844500.96污垢熱阻/（㎡?K/W）1.7197×10-43.4394×10-4阻力/Pa78911256傳熱溫差/K68.67傳熱系數(shù)/[W/（㎡?K）]344.1裕度/%35.54%參考文獻(xiàn)[1]陳裕清.化工原理[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2008[2]李志勇,喻健良,劉志軍.過程機(jī)械[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.1.[3]冷士良,宋志軒.化工單元操作設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.7.[4]匡照忠.化工機(jī)器與設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.4.[5]喻健良.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)[M].大連:大連理工大學(xué)出版,2009.7.[6]/