化工原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器設(shè)計(jì)1

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一、設(shè)計(jì)題目列管式換熱器設(shè)計(jì)

二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件

1、設(shè)計(jì)任務(wù)

處理能力：26×104噸/每年，約合29.68噸/小時(shí)

設(shè)備型式：固定管板式換熱器

2、操作條件

（1）煤油：入口溫度102℃出口溫度40℃（2）冷卻介質(zhì)：循環(huán)水入口溫度25℃出口溫度35℃（3）允許壓降：管程不大于0.05MPa殼程不大于30KPa

（4）煤油平均溫度下的物性參數(shù)：

名稱煤油?（kg/m3）986Cp(kJ/㎏.℃)4.19?（Pa.s）0.54×10-3?(W/m.℃)0.662（5）水平均溫度下的物性參數(shù)名稱水?（kg/m3）995.7Cp(kJ/㎏.℃)4.174?（Pa.s）8.015×10-4?(W/m.℃)0.618三、設(shè)計(jì)內(nèi)容（一）、概述

目前板式換熱器產(chǎn)品達(dá)到了一個(gè)成熟階段,依據(jù)其高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì),在各行業(yè)領(lǐng)域中被頻繁使用,并被用以替換原有管殼式和翅片式換熱器,取得了很好的效果。板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)(1)換熱效率高,熱損失小

在最好的工況條件下,換熱系數(shù)可以達(dá)到6000W/m2K,在一般的工況條件下,換熱系數(shù)也可以在3000～4000W/m2K左右,是管殼式換熱器的3～5倍。設(shè)備本身不存在旁路,所有通過設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進(jìn)

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行充分的換熱。完成同一項(xiàng)換熱過程,板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/3～1/4。

(2)占地面積小重量輕

除設(shè)備本身體積外,不需要預(yù)留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0.6～0.8mm。同樣的換熱效果,板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。(3)污垢系數(shù)低

流體在板片間猛烈翻騰形成湍流,優(yōu)秀的板片設(shè)計(jì)避免了死區(qū)的存在,使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。(4)檢修、清洗便利

換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當(dāng)檢修、清洗時(shí),僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。(5)產(chǎn)品適用面廣

設(shè)備最高耐溫可達(dá)180℃,耐壓2.0MPa,特別適應(yīng)各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面,在低品位熱能回收方面,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。各類材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對(duì)腐蝕性的要求。當(dāng)然板式換熱器也存在一定的缺點(diǎn),譬如工作壓力和工作溫度不是很高,限制了其在較為繁雜工況中的使用。同時(shí)由于板片通道較小,也不適合用于雜質(zhì)較多,顆粒較大的介質(zhì)。

板式換熱器的類型及工作原理

板式換熱器依照組裝方式可以分為可拆式、焊接式、釬焊式等形式;依照換熱板片的波紋可以分為人字波、平直波、球形波等形式;依照密封墊可以分為粘結(jié)式和搭扣式。各種形式進(jìn)行組合可以滿足不同的工況需求,在使用中更有針對(duì)性。譬宛如樣是人字形波紋的板片還因采用粘結(jié)式還是搭扣式密封墊而有所不同,采用搭扣式密封墊可以有效的避免膠水中可能含有的氯離子對(duì)板片的腐蝕,并且設(shè)備拆裝更加便利。又如焊接式板式換熱器的耐溫耐壓明顯好于可拆式板式換熱器,可以達(dá)到250℃、2.5MPa。因此同樣是板式換熱器,因其形式的多樣性,可以應(yīng)用于較為廣泛的領(lǐng)域,在大多數(shù)熱交換工藝過程都可以使用。

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雖然板式換熱器有多種形式,但其工作原理大致一致。板式換熱器主要是通過外力將換熱板片夾緊組裝在一起,介質(zhì)通過換熱板片上的通孔在板片表面進(jìn)行滾動(dòng),在板片波紋的作用下形成猛烈的湍流,猶如用筷子攪動(dòng)杯中的熱水,加大了換熱的面積。冷熱介質(zhì)分別在換熱板片的兩側(cè)滾動(dòng),湍流形成的大量換熱面與板片接觸,通過板片來進(jìn)行充分的熱傳遞,達(dá)到最終的換熱效果。冷熱介質(zhì)的隔離主要通過密封墊的分割,或者通過大量的焊縫來保證,在換熱板片不開裂穿孔的狀況下,冷熱介質(zhì)不會(huì)發(fā)生混淆。

（二）、設(shè)計(jì)參數(shù)確定物性參數(shù)102?40?712密度ρ0＝986kg/m3煤油的定性溫度：定壓比熱容Cp0＝4.19kJ/kg℃熱導(dǎo)率λ0＝0.662W/m℃粘度μ0＝0.54×10-3mPa﹒s25?35?30?C水的定性溫度：T?2密度ρi＝995.7kg/m3定壓比熱容Cpi＝4.174kJ/kg℃熱導(dǎo)率λi＝0.618W/m℃粘度μi＝8.015×10-4mPa﹒s（三）、計(jì)算總傳熱系數(shù)

1、熱流量

kJ/h=1038.8KW平均

傳熱溫差

Q0?m0cp0?T?29.68?1000?4.19?(102?40)?7710270.4KJh=2141.74KW

△tm1=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)=(67-15)/㏑(67/15)

式中：?t1?102?35?67℃,?t2?40?25?15℃求得?tm?34.74℃

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2、冷卻水用量

mi?Q07710270.4??184721.4(kg/h)cpi?t4.174?(35?25)3、流計(jì)算平均溫差、校正系數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)

102?40?6.2R=

35?2535?25?0.1299P?102?25按單殼程，偶數(shù)管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表，可得ψ=0.98平均傳熱溫差

△tm=ψ△tm1=0.98X34.74=34.05℃

4、計(jì)算傳熱面積

求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得煤油和水之間的傳熱系數(shù)在350W/(㎡.℃)左右，先取K值為300W/(㎡.℃)計(jì)算

由Q=KA△tm得

A0??Q0K?tm2141740?209.7(㎡)

300?34.055、工藝結(jié)構(gòu)尺寸

在決定管數(shù)和管長(zhǎng)時(shí)，首先要選定管內(nèi)流速ui，按書中表冷卻水走管程的流速為0.5—3m/s，取流速為ui=1.3m/s，設(shè)所需單管程數(shù)為n，選用￠25mmX2傳熱管（碳鋼）的內(nèi)徑為0.021m，從管內(nèi)體積流量

?184721.4?185.52m3?h?1Vi=n?0.0212?1.3?3600?4995.7計(jì)算求得n=115根

按單程計(jì)算，所需傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng)=

A209.7??23.22(m)?nsd03.14?0.025?115按單程設(shè)計(jì)傳熱管過長(zhǎng)，應(yīng)采用多管層結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際狀況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該換熱器的管層數(shù)為：4

選用6m長(zhǎng)的管，4管程，則一臺(tái)換熱器的總管數(shù)4?115?460根。查附錄得相近固定管板式換熱器的主要參數(shù)

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初選固定管板式換熱器的主要參數(shù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)項(xiàng)目殼徑D(DN)900mm管尺寸管程數(shù)Np（N）4管長(zhǎng)l（L）管數(shù)n554管排列方式中心排管數(shù)nc27管心距管程流通面積Si傳熱面積0.0480m2可對(duì)數(shù)據(jù)做如下核算：（1）每程的管數(shù)n1?數(shù)據(jù)￠25mmX26m正三角形排列32mm256.6m2總管數(shù)554??138.5，管程流通面積

管程數(shù)42S?（?4）（0.021）?138.5?0.0480m2，與查的的0.0480m2相等。

（2）傳熱面積A=?d0ln=??0.025?6?552?260.12m2，比查得的數(shù)據(jù)稍大，這是由于管長(zhǎng)的一下部分要用于在管板上固定管子，應(yīng)以A=256.6m2為準(zhǔn)。

（3）中心排管數(shù)nc=1.1N=1.1552?25.8，區(qū)別不大可取表中的27根。

5、阻力損失計(jì)算（1）管程管程流體流速

184721.4(3600?995.7)?1.07(m/s)ui=

0.04800.021?1.07?995.7?27914.4Re=

0.00080150.1?0.005，查莫狄圖得?i?0.031W/(m.℃)摩擦系數(shù)傳熱管相對(duì)粗糙度20管程滾動(dòng)阻力