化工原理設(shè)計多管程列管式換熱器的設(shè)計

南京工程學院化工原理課程設(shè)計

報告書課程名稱：.化工原理課程設(shè)計B課題名稱：多管程列管式換熱器的設(shè)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(dǎo)教師：李乾軍目錄TOC\o"1-5"\h\z刖言 1\o"CurrentDocument"一、 符號說明： 2\o"CurrentDocument"1、 物理量(英文字母) 2\o"CurrentDocument"2、 物理量(希臘字母) 2\o"CurrentDocument"二、 設(shè)計目的 3\o"CurrentDocument"三、 參數(shù)與條件設(shè)置 3\o"CurrentDocument"1、 已知參數(shù) 3\o"CurrentDocument"2、 設(shè)計條件 3四、 設(shè)計計算 41、 確定設(shè)計方案 4\o"CurrentDocument"⑴、選擇換熱器的類型 4\o"CurrentDocument"⑵、流動空間及流速的確定 4\o"CurrentDocument"2、 確定物性數(shù)據(jù) 5\o"CurrentDocument"3、 計算總傳熱系數(shù) 5\o"CurrentDocument"、熱流量 5\o"CurrentDocument"、冷卻水用量 6、總傳熱系數(shù)K 6\o"CurrentDocument"4、 設(shè)計傳熱面積 7\o"CurrentDocument"五、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 7\o"CurrentDocument"1、 管徑和管內(nèi)尺寸 7\o"CurrentDocument"2、 殼程數(shù)和傳熱殼數(shù) 7\o"CurrentDocument"3、 平均傳熱溫差校正系數(shù) 8\o"CurrentDocument"4、 傳熱管排列和分程方法 8\o"CurrentDocument"5、 殼體內(nèi)徑 8\o"CurrentDocument"6、 折流板 9\o"CurrentDocument"7、 接管 9\o"CurrentDocument"六、 換熱器核算 101、 熱量核算 10\o"CurrentDocument"殼程對流傳熱系數(shù)， 10\o"CurrentDocument"管程對流傳熱系數(shù) 11\o"CurrentDocument"(4)、傳熱面積 122、 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 12\o"CurrentDocument"、管程流動阻力 12\o"CurrentDocument"、殼程阻力 13\o"CurrentDocument"、總阻力 13\o"CurrentDocument"七、 設(shè)計總結(jié) 15\o"CurrentDocument"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(shè)備，廣泛應(yīng)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(shè)備。在化工裝置中換熱設(shè)備占設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的35%~46%。目前在換熱設(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)簡單和造價低廉的優(yōu)點。但由于管板和殼體間結(jié)構(gòu)的原因，使得管外側(cè)不能進行機械清洗，因而多用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)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，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)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°C以上時，換熱器應(yīng)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mCp定壓比熱容kJ/(kg?°C)d管徑mD換熱器內(nèi)徑mf摩擦因數(shù)F系數(shù)G重力加速度m/s2P壓力pan指數(shù)N管數(shù)S傳熱面積tft管心距mu流速m/s2、 物理量(希臘字母)A有限差值入導(dǎo)熱系數(shù)W/(tf?C)p密度kg/m3u粘度Pa?sa對流傳熱系數(shù)W/（m*oc）下標O管外m平均二、 設(shè)計目的通過課題設(shè)計進一步鞏固課程所學內(nèi)容，培養(yǎng)學生運用理論知識進行化工單元過程設(shè)計的能力，使學生能夠系統(tǒng)的運用知識。通過本次設(shè)計，學生應(yīng)該了解設(shè)計的內(nèi)容，方法和步驟，使學生具有調(diào)研技術(shù)資料，自行確定設(shè)計方案，獨自設(shè)計計算，準確繪制圖樣，編寫設(shè)計說明。三、 參數(shù)與條件設(shè)置1、 已知參數(shù)（1） 熱流體（油）：T1=130cT2=50cWh=6000kg/h（2） 冷流體（水）：t1=30Ct2=40C壓力0.4MPa2、 設(shè)計條件管程數(shù)：2壓力降：△p<10~100kPa（液體）1~10kPa（氣體）雷諾數(shù)：Re<5000~20000（液體）10000~100000（氣體）流動空間管材尺寸：①25mmX2.5mm管內(nèi)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(nèi)外污垢熱阻：自選設(shè)計計算1、確定設(shè)計方案⑴、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°C，出口溫度50°C，冷流體（水品）進口溫度30C，出口溫度40C。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。⑵、流動空間及流速的確定油品走殼程，水品走管程。選①25mmX2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)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°C水的定性溫度為T=(30+40)/2=35C根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。油在90C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 Po=825kg/m3定壓比熱容CPo=2.22Kj/(kg?C)導(dǎo)熱系數(shù) 入。=0.140W/(m?C)粘度 u=0.715X10-3Pa?s水在35C下的物性數(shù)據(jù)：密度 Pj994kg/m3定壓比熱容CPj4.08KJ/(kg?C)導(dǎo)熱系數(shù) 入j0.626W/(m?C)粘度 七二0.725X10-3Pa?s3、計算總傳熱系數(shù)、熱流量Qo=wocpoto=6000X2.22X(130-50)=1065600kJ/h=296000Kw/h、平均傳熱溫差A(yù)t!=(At+At)/(InAt/At)=((13 — 40)+(30m 12 1 250))/1.5=47°C、冷卻水用量W=Q/(cAt)=1065600/((40-30)X4.08)=26118kg/hi0pii、總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)Re=duP/u=0.02X0.5X994/0.0007=13170iiiicJi4.08x103x0.725x10-3pr= = =4.725X 0.626iq=0.023入/d(dup/u)o.8(cu/入)o.4i iiiiii pii=0.023X(0.626/0.02)(Re)o.8(pr)o.4=2733w/(m2?°C)殼程傳熱系數(shù)dup0.025x0.3x825Re=ooo= 8653.8pi0.713x10-3oc|Li 2.22x103x0.715x10-3TOC\o"1-5"\h\zpr=oo= =11.3X 0.14oa=0.023x虹(Re*xS1.4=0.023x (8653.8^xG1.3^4=479.6o d 0.0250污垢熱阻R=0.000172血?°C/wr=0.000344血?°C/wsi so管壁的導(dǎo)熱系數(shù)入二45w/(m2?°C)

換熱器列管的平均直徑七=CM+。，02=0.0225mK=— —1 土+R匕+虬+R+_!以dsidXdso以TOC\o"1-5"\h\z'' i" 10.025 0.0250.0025x0.025 1 +0.000172x + +0.000344+ 2733x0平 、 0.02 45x0.0225 479.6=311.43w.m2-C)4、設(shè)計傳熱面積S'=Q/(KAt)=296000/(311.43X4.7)=21tf考慮20%的面積裕面S=1.20XS'=21X1.20=25.2tf五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)尺寸選用①25mmX2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)流速取0.50m/s2、殼程數(shù)和傳熱殼數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)n=二=26118、94x36°°)=47根亶d2u °.785x°.022x°.54i按單程管計算所需的傳熱管長度為按單程管計算所需的傳熱管長度為25.2 =6.825.2 =6.8m兀d0n 3.14x0.025x47按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。取傳熱管長L=3m，換熱器管程數(shù)位2,則n=工=——252——=111根S兀d0L3.14X0.025X3則每層的管道數(shù)n=111：2=56根管內(nèi)流速"=工=2而8知X3600)=0.415msi兀j 0.785x0.022x56—d2n4is3、平均傳熱溫差校正系數(shù)r=Bz52=840-30P=公0=0.1130-30根據(jù)R=8,P=0.1,按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表，得氣=0.94At=氣&'=0.94x47=440C4、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正三角形排列。取管心距t=1.25do，則t=1.25X25=31.25=32mm橫過管束中心線的管數(shù)n=1.1、fN=1.1xtTHA12根c5、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.7，則殼體內(nèi)徑為

D=1.05tN=1.05x32,111. =423mm項 ".0.7圓整可取D=450mm6、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%，則切去的圓缺高度為h=0.2X450=90mm，故取h=90mm取折流板間距B=0.3D，則B=0.3X450=135mm折流板數(shù)N=頂熱管長-1=迎0-1=20塊B折流板間距 135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(nèi)油品流速u=1.0m/s，則接管內(nèi),一 '4x6000/ 、徑為d=：箜=「 °600*825)=0.05m 取標準管徑為50mm3.14x1.03.14x1.0管程流體進出口接管：取接管內(nèi)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為d書通取標準管徑為8施3.14x1.5六、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…人 1以=0.36—ORe0.55Pr-3e當量直徑，土]日)w由正三角形排列得0.144j2312-id0/4C.'3 \—X0.0322-0.785X0.025221 )兀d 3.14x0.025de00.02m殼程流通截面積S=BD^1-d0)=0.135X0.45「1-0025)=0.012m20 "t) " 0.032)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為6000(3600x825)017.=0.17m：s0.012Re0dpu 0.025x0.17x825小山t0= =4904P00.000715普朗特準數(shù)%p_2.22x103x0.715x10-3_1133r=個= =.00.14粘度校正

0.14=0.95r1入 1以=0.36才Re0.55Pr-3e=0.36x014x49040.55x11.3313=6010.02管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積S=—土d2=111-12x0.785x0.022=0.0155m2管程流體流速26118(3600x9947

=0.47m-s0.0155Re=何xW"994=128870.000725普朗特準數(shù)Pr=4.08x103x0.725x10-30.626=4.722.°C2.°C)a=0.023x土Re0.8Pr0.4=0.023x0626x128870.8x4.720.4=2600TOC\o"1-5"\h\zi d 0,02i(3)、傳熱系數(shù)K= T堂+R吃+b^+R+_Ladsid Ad s0a'' ‘ m 10.025 0.0250.0025x0.025 1 +0.000172x + +0.000344+一2600x&02、 0.02 45x0.0225 601=355w.；m2.C7

(4)、傳熱面積S=-^=29600=18.95牝19.0m2KAt 355x44該傳熱器的實際傳熱面積SpS=兀d0L(N-n)=3.14x0.025x(3-0.06)xG11—12)=22.8m2該換熱器的面積裕度為H=SP-Sx100%=22'-19x100%=20%S 19該換熱器的面積裕度合適，能完成生產(chǎn)任務(wù)2、換熱器內(nèi)流體的流動阻力(1)、管程流動阻力Zap=(ap+ap￥nni 1 2tspNs=1 N=2F=1.4AP=M-些 AP=。性1id2 2r2由傳熱管相對粗糙0.1/0.2=0,005，Re=12887，查莫狄圖得人.=0.032wi(m-°C)又因u=0.47mjsp=994kg!m3gAP1=0.032x嘉x丁=55AP2AP2=3x994x°.472=329.4paZAp=(510.5+329.4)x1.4x2=2351.7pa<10kpai所以管程流動阻力在允許范圍內(nèi)(2)、殼程阻力Z詢=C\p'+Ap，）FN0 1 2tsNs=1F=1.15流體流經(jīng)管束的阻力Ap'=Ffn（N+1）擋o1 ‘0cB2因為是三角形。所以F=0.5n=12Nb=20u0=0.17又因Re>500,所以f0=5.0xRe-0.228=5.0x4904-0.228=0.7203825x0.172所以Ap：=0.5x0.7203x12x（20+1） 2 =1081.95pa流體流過折流板缺口的阻力（=20x（=20x3.5-

k2x0.135） x0.45）825x0.1722=691.43Pa、總阻力ZAp=（Ap，+App）FN=（1081.95+691.43）x1.15=2039.39Pa<10KPa0 1 2ts殼程流動阻力比較適宜換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果，換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表1-1表1-1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器模式：固定管板式管口表

換熱器模式：固定管板式管口表換熱面積m2)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°C30/40130/50ED20凹凸面排氣口流量m/s26118600