化工原理課程設(shè)計(jì)列管換熱器.doc

西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì) 換熱器的設(shè)計(jì)說明書年級 專業(yè) 設(shè)計(jì)者姓名 設(shè)計(jì)單位 指導(dǎo)老師 完成日期目錄概述 - 2 -換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書- 3 -1. 確定設(shè)計(jì)方案- 3 -1.1選擇換熱器的類型- 3 -2工藝設(shè)計(jì)計(jì)算- 3 -2.1 熱通量的計(jì)算- 4 -2.2 的計(jì)算- 5 -2.3傳熱面積的計(jì)算- 5 -2.4管數(shù)的確定- 6 -2.5傳熱管排列和分程方法- 6 -26殼體直徑- 7 -2.7折流板- 7 -3換熱器核算- 8 -3.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)- 8 -3.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)- 9 -3.3污垢熱阻和管壁熱阻- 9 -3.4 總傳熱系數(shù)- 9 -3.5傳熱面積裕度- 10 -3.6換熱器內(nèi)流體的流動阻力- 10 -結(jié)束語- 13 -主要參考文獻(xiàn)- 14 - 概述隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。如表2-1所示。 表2-1 傳熱器的結(jié)構(gòu)分類 類 型 特 點(diǎn) 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般50），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫?zé)崮?平板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 換熱器設(shè)計(jì)任務(wù)書某合成廠的乙醇車間在節(jié)能改造中為回收系統(tǒng)內(nèi)精餾塔釜液的熱量，用其釜液將原料液從95預(yù)熱至125，原料液及釜液均為乙醇的水溶液，其操作條件列表如下：物料流量 kg/h組成（含乙醇量）mol%溫度 操作壓力MPa進(jìn)口出口釜液1200003.31450.9原料液105000795 1250.53試設(shè)計(jì)合適的換熱器。1.確定設(shè)計(jì)方案1.1選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度145 出口溫度；冷流體進(jìn)口溫度95，出口溫度為125，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用列管式換熱器?？紤]到操作壓力較大，應(yīng)選用列管式換熱器中的浮頭式換熱器。1.2 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使熱流體走管程，冷流體走殼程。2工藝設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 熱通量的計(jì)算冷流體的定性溫度：查物性數(shù)據(jù)表得: 110時(shí)乙醇的物性數(shù)據(jù): =710=0.6844 =0.277 =3.73110時(shí)水的物性數(shù)據(jù)：=951.0 .=0.6844 =0.259 =4.233 密度 =909.09kg/m3 定壓比熱容 Cp4.198kJ/kg 熱導(dǎo)率 0.5408W/ m 粘度 0.26m PasT2的計(jì)算：已知 . . . 則T2=118.75熱流體的定性溫度：查物性數(shù)據(jù)表得: 密度 905.79kg/m3 定壓比熱容 Cp4.31kJ/kg 熱導(dǎo)率 0.6014W/m 粘度 0.217mPas 2.2 的計(jì)算平均傳熱溫差式中： , 求得初擬定采用雙殼程，偶數(shù)管程的浮頭式換熱器。由圖查得修正系數(shù)=0.932.3傳熱面積的計(jì)算 求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得乙醇水溶液之間的傳熱系數(shù)在500 W/(.)左右.考慮到安全性問題，留5%到15%的裕度，A=(1+15%)=470.62.4管數(shù)的確定現(xiàn)設(shè)管程流速為0.4m/s,管數(shù)為n，所需單管程管子采用252.5冷拔無縫鋼管。則管內(nèi)徑為0.02m.故：解得n=293由于所需換熱器為雙殼程，我們假設(shè)用兩個(gè)單殼程串聯(lián)，則單殼程的換熱面積為A/2=235.3.單管管長為： 取管長為6m則管程為: 則換熱器管子的總根數(shù)為根2.5傳熱管排列和分程方法 換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列。 （A）（B）（C） （D） （E）圖 1-4 換熱管在管板上的排列方式(A) 正方形直列 （B）正方形錯(cuò)列 (C) 三角形直列 （D）三角形錯(cuò)列 （E）同心圓排列 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)采用正方形排列。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.2525=31.2532隔板中心到離其最近一排管中心距離 S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。26殼體直徑 采用多管程，取管板利用率為0.75則殼體直徑為mm按卷制殼體的進(jìn)級檔殼體直徑應(yīng)取D=1400mm。2.7折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為： h=0.251400=350mm，故可取h=350mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.31400=420mm，可取B為420mm。折流板數(shù)目NB=3換熱器核算 3.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算得： 管子按正三角形排列傳熱當(dāng)量直徑為： =殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： 普朗特?cái)?shù)： 粘度校正：3.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 管程流體流通截面積：管程流體流速： 普朗特?cái)?shù)： 3.3污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為48.8w/(mK)。所以：3.4 總傳熱系數(shù)3.5傳熱面積裕度 傳熱面積Ac為：該換熱器的實(shí)際傳熱面積為Ap該換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.6換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流體阻力 , , 由Re=33393.5，傳熱管相對粗糙度0.005，由參考文獻(xiàn)【1】查莫狄圖得，流速u=0.4m/s,所以: 直管壓降可按范寧公式計(jì)算 回彎管壓降由經(jīng)驗(yàn)公式得： 取Fs=1.3則 4521.64小于35000所以：管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（3）殼程流體阻力 , 流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 其中h=0.35m，D=1.4m 則 總阻力由于該換熱器課程流體操作壓力較大，所以課程流體阻力適宜。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表：名稱管程殼程物料名稱熱流體冷流體操作壓力，MPa0.90.53操作溫度，145/118.7590/125流量，kg/h120000105000流體密度，kg/905.8909.09流速，m/s0.40.34總傳熱系數(shù)，w/k875.26對流傳熱系數(shù)，w/k3286.43140.1污垢系數(shù)，k/w0.0001720.000172阻力壓降，Pa4521.6414292.4程數(shù)22使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格252.5管長mm6000管間距，mm32排列方式正三角形折流擋板型式上下間距，mm420殼徑D(DN)1400mm管數(shù)1172換熱面積434.8浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)圖結(jié)束語化工原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)個(gè)人綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練，也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用。 在換熱器的設(shè)計(jì)過程中,我感覺我的理論運(yùn)用于實(shí)際的能力得到了提升，主要有以下幾點(diǎn)： (1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力； (2)樹立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的能力； (3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力； (4)學(xué)會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。從設(shè)計(jì)結(jié)果可看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因?yàn)槊河偷某隹跍囟仍龈?，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)增大.通過這個(gè)設(shè)計(jì)，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇十分重要.主要參考文獻(xiàn)1 .陳敏恒、叢德滋、方圖南、齊鳴齋等編化工原