化工原理課程設(shè)計(jì)—列管式換熱器.docx

化工原理課程設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一正丁醇冷卻器1.2 設(shè)計(jì)條件+ 、處理能力：12721 kg/h 、設(shè)備類型：列管式換熱器（非定型式） 、操作條件：流體名稱入口溫度出口溫度物料純正丁醇9050冷卻介質(zhì)自來水2030允許壓力降：0.1MPa熱損失：按傳熱量的10%計(jì)算1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容、前言、確定設(shè)計(jì)方案（設(shè)備選型、換熱器材質(zhì)）、確定物性數(shù)據(jù)（冷卻循環(huán)水的出口溫度、純正丁醇和水在物性溫度下的物理性質(zhì)）、工藝設(shè)計(jì)初占換熱面積、確定換熱器基本尺寸（包括管徑、管長、程數(shù)、每程管數(shù)、管子數(shù)排列、壁厚、換熱器直徑、流體進(jìn)出管管徑等計(jì)算）、換熱器計(jì)算核算總傳熱系數(shù)（傳熱面積）換熱器內(nèi)流體的流動阻力校核（計(jì)算壓降）、機(jī)械結(jié)構(gòu)的選用管板選用、管子在管板上的固定、管板與殼體連接結(jié)構(gòu)封頭類型選用溫差補(bǔ)償裝置的選用管法蘭選用管、殼程接管、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表、結(jié)束語（包括對設(shè)計(jì)的自我評述及有關(guān)問題的分析討論）、換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸（4#圖紙）、參考資料目錄開始時期 2013 年 6 月 19 日結(jié)束時期 2013 年 6 月 22 日學(xué)生：?？〗?班級：1020473 學(xué)號：06 指導(dǎo)老師：馮偉2 流程圖和工藝流程圖 冷卻水出口管（溫度：30） 純正丁醇入口管（溫度：90）冷卻水入口管（溫度：20）純正丁醇出口管（溫度：50）3 設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 確定設(shè)計(jì)方案3.1.1 確定設(shè)備類型兩流體的溫度變化：熱流體的入口溫度T1=90，出口溫度T2=50 ；力體定性溫度T=(90+50)/2=70。冷流體的入口溫度t1=20，出口溫度t2=30；冷流體定性溫度t=(20+30)/2=25。冷熱流體的最大溫差Tmax=70-25=45，因此，選用列管式換熱器。3.1.2 確定殼程流體與管程流體流體經(jīng)過管程和殼程的選擇原則：不清潔或易結(jié)垢的流體，應(yīng)走容易清洗的管道，可走管程。腐蝕性流體應(yīng)走管程。壓力高的流體應(yīng)走管程。有毒流體應(yīng)走管程。被冷卻的流體應(yīng)走管程。飽和蒸汽應(yīng)走殼程。黏度大的流體或流量小的流體應(yīng)走殼程。兩種流體的物理性質(zhì)如下表：物性流體定性溫度 T密度m3比熱容cpkJ黏度Pas導(dǎo)熱系數(shù)Wm純正丁醇70776.42.649983.510-60.146水25995.74.178880.710-60.618綜上所述，純正丁醇走殼程，水走管程；且采用逆流。3.2 初算換熱面積3.2.1 熱流量 （10%的熱損失）若換熱器無相變化，且流體的比熱容可取平均溫度下的比熱容，則Q=qm,hcp,hT1-T20.9=qm,ccp,ct2-t1式中 Q換熱器的熱負(fù)荷，W; qm,c、qm,h分別為冷、熱流體的質(zhì)量流量，/s； cp,c、cp,h分別為冷、熱流體的平均比熱容，kJ/（）； t1、t2冷流體的進(jìn)、出口溫度， T1、T2熱流體的進(jìn)、出口溫度，有效傳熱量Q=qm,hcp,hT1-T290%=127212.64990-5090%=337.5kw3.2.2 冷卻水用量qm,c=Qcp,ct2-t1=337.51034.17810330-20=29088（kgh)3.2.3 平均傳熱溫差 平均溫差先算出逆流的對數(shù)平均溫差，再乘以考慮流動方向的校正因子t，即tm=ttm逆tm逆=t2-t1lnt2t1式中 tm逆按逆流計(jì)算的對數(shù)平均溫度差，； t溫度差校正系數(shù)，量綱為1其中，t2=T1-t2，=T2-t1。tm逆=t2-t1lnt2t1=90-40-50-20ln90-4050-20=43.28t值可根據(jù)P=冷流體的溫升兩流體的最初溫度差=t2-t1T1-t1=40-2090-20=0.142R=熱流體的溫升冷流體的溫升=T1-T2t2-t1=90-5030-20=4經(jīng)溫度差校正系數(shù)圖可得 t=0.96，所以，tm=0.9643.28=41.55初算傳熱面積設(shè)傳熱系數(shù) K=450 W/(m2), 則傳熱面積A=QKtm=337.510345043.28=17.33(m2)3.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.3.1 管徑與管內(nèi)流速 選用25mm2.0mm較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=0.5m/s。3.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)qm管=4di2u11n式中 qm管管內(nèi)的流量，/s； di管子內(nèi)徑，m； 1水的密度，m3Ns=qm c4di2u1c=8.08995.740.00040.552又因?yàn)橛?A=ndil式中 L 在設(shè)定的條件下所需的管長，m。所以L=ANsdi=17.33520.025=5（m）采用3m長的標(biāo)準(zhǔn)管，則管層數(shù)m=Ll=532因此，所以至少需要522根管子。3.3.3 管子的排列方式及殼層數(shù)由于平均傳熱溫差校正系數(shù) t=0.960.8，同時殼層流體流量較大，故取單殼層合適。采用正三角形排列，如圖取管心距Pt=1.25do，則Pt=1.2525=31.2532（mm）隔板中心到離其最近的一排管中心距離Z計(jì)算如下：Z=Pt2+6=322+6=22各程相鄰管的管心距為44mm.3.3.4 殼體直徑殼體內(nèi)徑D=1.05PtN式中 管板利用率 正三角形排列、二管層，可取=0.75，則 D=1.05321040.75=394.7（mm）400（mm）殼體壁厚=1.1pD2-p+C式中 p 殼體承受的內(nèi)壓，p=0.101+0.02=0.121MPa； 殼體所用鋼材A3鋼的許用應(yīng)力，=108MPa； 焊縫系數(shù)，=0.85，量綱為1； C 腐蝕余量，C=3+0.5=3.5mm。=1.1pD2-p+C=1.10.121MPa400mm2108MPa0.85-0.121MPa+3.5=3.79(mm)采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚=8mm3.3.5 折流板 折流板圓缺高度 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=0.25400=100mm板間距 取折流板間距B=0.3D0.3DB10000，且0.7Pri120，則i=4553殼程傳熱系數(shù)o=0.36Reo0.55Pro13ode=0.36deuooo0.55cpooo13odeSo=BD1-doptuo=qm,hSoo式中 o殼程流體對流傳熱系數(shù)，Wm2； o殼程流體的熱導(dǎo)率，Wm； de傳熱當(dāng)量直徑，m； do管外徑，m； uo殼程流體的流速，ms o殼程流體的黏度，Pas； o殼程流體的密度，m3； cpo殼程流體的比熱容，kJ； Reo殼程流體的雷諾數(shù)； Pro殼程流體的普朗特?cái)?shù)； So殼程流通截面積，m2。管子采用正三角形排列，傳熱當(dāng)量直徑為de=432Pt2-4do2do=4320.0322-40.02522510-3=0.04mSo=0.150.41-2510-33210-3=0.013125m2所以殼程流速為uo=12721(3600776.4)0.013125=0.34ms殼程流體的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)分別為Reo=0.020.49776.4983.510-6=5368Pro=2.21037.1510-40.141=11.16因?yàn)?000Reo1106，所以o=725Wm2實(shí)際的總傳熱系數(shù)K值K實(shí)=11i+Rdi+bdidm+Rdodido+diodo式中 K實(shí)實(shí)際的總傳熱系數(shù)，Wm； Rdi、Rdo分別為管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻，m2W； di、do、dm分別為管內(nèi)徑、管外徑、平均直徑，m； b換熱器的管壁厚度，m； 管壁材料的熱導(dǎo)率，Wm。查表可得：Rdi=1.719710-4m2W；Rdo=2.119710-4m2W；=45Wm。已知管壁厚度b=0.002m，所以平均壁厚dm=di+do2=0.021+0.0252=0.023m實(shí)際總傳熱系數(shù)K實(shí)=467Wm因?yàn)镵-K實(shí)=450-467=1750，所以假設(shè)的K值合格。3.4.2 傳熱面積的核算計(jì)算的傳熱面積A計(jì)=QK實(shí)tm=337.510346741.55=17.39m2實(shí)際的傳熱面積A實(shí)=dil標(biāo)-0.042N=24.49m2A實(shí)A計(jì)=24.4917.39=1.41.1A實(shí)A計(jì)1.25傳熱面積合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.4.3換熱器內(nèi)壓降的核算管程阻力pi=p1+p2FtNSNpp1=kl標(biāo)diiui22p2=3iui22式中 p1、p2分別是直管及回彎管中因摩擦阻力而引起的壓降，Pa； Ft結(jié)垢校正因數(shù)，對于25mm2mm管子取1.4； k摩擦系數(shù)，由kRe雙對數(shù)坐標(biāo)圖可得k=0.041； NS串聯(lián)的殼程數(shù)。其中NS=1，Np=2，l標(biāo)=3m，di=0.02m，i=995.7m3，ui=0.994m/s，