熱水冷卻器的設計[教學相關]

1、化工原理課程設計熱水冷卻器的設計姓名：李響學號：2011033216班級：化學工程與工藝112班試題yu教育一、 設計題目：2二、設計目的：2三、 設計任務及操作條件 ：2四、 設計內容 ：3五、課程設計說明書的內容3四、參考書目：3前 言4一、 設計方案簡介：51.1換熱器的選擇：5一、方案簡介6二、方案設計71確定設計方案72、確定物性數(shù)據(jù)73初選換熱器規(guī)格8(2)冷卻水用量85.工藝結構尺寸85.1管徑和管內流速及管長85.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)85.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)95.4傳熱管排列和分程方法95.5殼體內徑105.6折流板105.7接管106換熱器核算116.1熱量核算116.

2、2換熱器內流體的壓力降13三、設計結果一覽15任務書1、 設計題目： 熱水冷卻器的設計二、設計目的： 通過對熱水冷卻的列管式換熱器設計，達到讓學生了解該換熱器的結構 特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當?shù)念愋停瑫r還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力。3、 設計任務及操作條件 ：1.處理量噸/年熱水2.設備型式列管換熱器 3. 操作條件 ：（1） 熱水：入口溫度 80 ，出口溫度 60 （2） 冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度 25 ，出口溫度 35 （3） 允許壓降：10Pa （4） 水在定性溫度70下的物性數(shù)據(jù)： （5）水在定性溫度70下的物性數(shù)據(jù)： （

3、4）每年按300天計，每天24小時連續(xù)運行。 4.建廠地址：大連地區(qū) 4、 設計內容 ： （1）設計計算列管換熱器的熱負荷、傳熱面積、換熱管、殼體、管板、封頭、隔板及接管等。） （2）繪制列管式換熱器的裝配圖。 （3）編寫課程設計說明書。五、課程設計說明書的內容 設計說明書中應包括所有論述、原始數(shù)據(jù)、計算、表格等，編排順序如下： （1） 標題頁； （2）設計任務書； （3）目錄； （2） 設計方案 1.選擇換熱器的類型 2.管程安排 （5）確定物性數(shù)據(jù) （6）主要工藝參數(shù)計算（熱負荷，平均溫差、總換熱系數(shù)、換熱面積等）； （7）壓降計算； （8）設計結果概要或設計一覽表 （9）附圖（工藝流程簡

4、圖、主體設備工藝條件圖）（10）參考文獻四、參考書目：1.陳敏恒等，化工原理. 上下冊. 北京：化學工業(yè)出版社，2002.2.賈紹義，柴誠敬等，化工原理課程設計，天津大學出版社，1994. 3.匡國柱，史啟才等化工單元過程及設備課程設計，化學工業(yè)出版社，2002. 前 言 換熱器是化學，石油化學及石油煉制工業(yè)以及其它一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設備。 它不僅可以單獨作為加熱器，冷凝器使用而且是一些化工單元操作的重要附屬設備。 因此在化工生產中占有重要的地位。 在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接

5、管處流出，這稱為殼程 。主要的換熱器有： 1 固定管板式換熱器： 2 浮頭式換熱器： 3 U型管式換熱器： 4. 填料函式換熱器： 這次的化工原理課程設計，熱水冷卻器的設計。通過對熱水冷卻的列管式換熱器設計，了解該換熱器的結構特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當?shù)念愋?，同時還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積以及計算流體阻力。 通過這次課程設計，養(yǎng)成科學探索精神，細心鉆研，自己動手設計，理論聯(lián)系實際，并進一步熟練相關的軟件，Microsoft office，ChemBioOffice，Origin85，AutoCAD2008等。1、 設計方案簡介：1.1換熱器的選擇：

6、 列管式換熱器是目前化工上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質 ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。 列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結構來分，主要有以下幾種：1 固定管板式換熱器： 這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束

7、的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結構。2 浮頭式換熱器： 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，

8、但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產生溫差應力。其缺點為結構復雜，造價高。3 U型管式換熱器： U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結構簡單，質量輕，適用于高溫高壓條件。4. 填料函式換熱器： 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也

9、比浮頭式低。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。 熱流體進口溫度80，出口溫度60；冷流體進口溫度25，出口溫度35。 本任務給定列管式換熱器。一、方案簡介本設計任務是利用循環(huán)水給熱水降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，制成換熱器，以供生產需要。下圖（圖1）是工業(yè)生產中用到的列管式換熱器.選擇換熱器時,要遵循經濟,傳熱效果優(yōu),方便清洗,復合實際需要等原則。換熱器分為幾大類：夾套式換熱器，沉浸式蛇管換熱器，噴淋式換熱器，套管式換熱器，螺旋板式換熱器，板翅式換熱器，熱管式換熱器，列管式換熱器等。不同的換熱器適用于不同的場合。而列管式換熱器在生產中被廣泛利用。它的

10、結構簡單、堅固、制造較容易、處理能力大、適應性大、操作彈性較大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。所以首選列管式換熱器作為設計基礎。二、方案設計需將熱水液體從80冷卻到60。處理能力為2.5105噸/年。冷卻介質采用循環(huán)水，入口溫度25，出口溫度35。要求換熱器的管程和殼程的壓降不大于105Pa。試設計能完成上述任務的列管式換熱器。（每年按300天，每天24小時連續(xù)運行）1確定設計方案 （1）選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度80，出口溫度60冷流體。冷流體進口溫度25，出口溫度35。從兩流體溫度來看，估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會很大，因此初步確定選用固定管板

11、式換熱器。（2）流動空間及流速的確定 由于循環(huán)冷卻水較易結水垢，應使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用252.0 的不銹鋼管2、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 殼程熱水的定性溫度為：管程循環(huán)水的定性溫度為： 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 水在定性溫度70下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 h=997.8 kg/m3定壓比熱容 cph=4.187kJ/(kg)導熱系數(shù) h=0.6676 W/(m)粘度 h=4.06110-4 Pas水在定性溫度30下的物性數(shù)據(jù)： 密度 c=995.7kg/m3定壓比熱容 cpc=4.147 kJ/(kg)導熱系數(shù) c=0.617

12、6 W/(m)粘度 c=8.00710-4 Pas 3初選換熱器規(guī)格按照殼層熱水計算熱負荷（1）熱流量 Wh=2.510510003002434722.222kg/hQh=Whcphth=34722.2224.187(80-60)=2907638.703 kJ/h=807.7 kW(1 kW=1000W3600s=3600kJ)(2)冷卻水用量(3) 平均傳熱面積 (4)計算傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=950則估算的傳熱面積為 Ao=實際面積為估算面積的1.2（1.15-1.25）倍，則實際傳熱面積為：Ao =1.2Ao=1.1521.30=24.58 m25

13、.工藝結構尺寸5.1管徑和管內流速及管長 選用252.5傳熱管(碳鋼)，取管內流速ui=1.2m/s，選用管長為3m5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計算其流速為按單管程設計，流速過小，宜采用多管程結構。則該換熱器管程數(shù)為 (管程)傳熱管總根數(shù) N=104(根)5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)按單殼程，兩管程結構，溫差校正系數(shù)應查有關圖表?？傻闷骄鶄鳠釡夭?.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，則 t=1.2525=31.2532(mm)橫過管束中心線的管數(shù)得到各程之間可排列11支

14、管，即正六邊形可排6層。則實際排管數(shù)設為110根，其中4根拉桿，則實際換熱器為106根.5.5殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率0.7，則殼體內徑為 圓整可取D400 mm 5.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25，則切去的圓缺高度為h0.25400100mm，故可取h100 mm。 取折流板間距B0.5D，則B0.5400200mm，可取B為200。 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=3000/200-1=14(塊)折流板圓缺面水平裝配。5.7接管殼程流體進出口接管：取接管內水流速為 u1.0 m/s，則接管內徑為 取標準管徑為108 mm11mm。 管程流

15、體進出口接管：取接管內冷卻水流速 u1.5 m/s，則接管內徑為 取89mm3.5mm無縫鋼管。6換熱器核算6.1熱量核算6.1.1殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用凱恩公式 當量直徑，由正三角形排列得 殼程流通截面積 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準數(shù) 粘度校正 6.1.2管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速 普蘭特準數(shù)6.1.3傳熱系數(shù)K (1)污垢熱阻和管壁熱阻： 管外側污垢熱阻 管內側污垢熱阻 管壁熱阻：查得碳鋼在該條件下的熱導率為45.4w/(m)。 （2） 傳熱系數(shù)有：6.1.4傳熱面積S該換熱器的實際傳熱面積Sp該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠

16、完成生產任務6.2換熱器內流體的壓力降6.2.1管程流體阻力Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5由Re27126.3，傳熱管相對粗糙度0.2/200.001，查莫狄圖得i0.028W/m， 流速ui0.864m/s，995.7kg/m3，所以 管程壓力降在允許范圍之內。6.2.2殼程壓力降流體流經管束的阻力流體流過折流板缺口的阻力 殼程壓力降也比較適宜。三、設計結果一覽換熱器形式：固定管板式換熱器換熱面積（m2）:20.1名稱管程殼程物料名稱冷卻水熱水操作壓力，Pa未知未知操作溫度，25/3580/60流量，kg/h70114.26834722.22流體密度，kg/m3995.7997.8流速，m/s0.8640.376傳熱量，kW807.7總傳熱系數(shù)，W/m2K806.57傳熱系