課程設計,列管式換熱器設計

1、設 計（論 文）列管式換熱器的設計363 校核平均溫度差 t m及殼程數(shù) 32設計任務及操作條件33列管式換熱器的工藝設計.33.1換熱器設計方案的確疋33.2物性數(shù)據(jù)的確疋43.3平均溫差的計43.4傳熱總系數(shù)K的確疋43.5傳熱面積A的確疋63.6主要工藝尺寸的確疋63.6.1 管子的選用63.6.2 管子總數(shù)n和管程數(shù)Np的確疋Ns 7364傳熱管排列和分程方法7365 殼體內徑73.6.6 折流板73.7核算換熱器傳熱能力及流體阻力. 73.7.1 熱量核算73.7.2換熱器壓降校核94列管式換熱器機械設計104.1殼體壁厚的計104.2換熱器封頭選擇104.3其他部件 115課程設計

2、評 價 115.1可靠性評價 115.2個人感想 116參考文獻 11附表換熱器主要結構尺寸和計算結果 12換熱器（英語翻譯：heat exchange）,是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的 設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通 用設備，在生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷 凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱 量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。列管式換熱器工業(yè)上使用最廣泛的一種換熱設備。其優(yōu)點是單位體積的傳熱面 積、處理能力和操作彈性大，適應能力強，尤其在高溫、高壓

3、和大型裝置中采用更 為普遍。列管式換熱器主要有以下幾個類型：固定管板式換熱器、浮頭式換熱 器、U形管式換熱器等。設計一個比較完善的列管式換熱器，除了能滿足傳熱方面的要求外，還應該滿 足傳熱效率高、體積小、重量輕、消耗材料少、制造成本低、清洗維護方便和操作 安全等要求。列管式換熱器的設計，首先應根據(jù)化工生產工藝條件的要求，通過化工工藝計 算，確定換熱器的傳熱面積，同時選擇管徑、管長，確定管數(shù)、管程數(shù)和殼程數(shù)， 然后進行機械設計。2設計任務及操作條件2.1設計題目：用水冷卻甲苯的列管式換熱器設計2.2設計任務及操作條件某生產過程中，用循環(huán)冷卻水冷卻柴油1甲苯入口溫度：80 C,出口溫度： 50 C

4、2、 甲苯流量：33125 kg/h，壓力：0.40.6 MPa3、 循環(huán)冷卻水壓力：0.40.6 MPa,入口溫度： 30 C,出口溫度:40 C已知甲苯的有關物性數(shù)據(jù)：密度p i=867kg/m3;定壓熱比容cp,i=1.85kJ/(kgC );熱導率入 i=0.126W/(mC )；黏度卩 i=3.75X 10-4 Pa - s3列管式換熱器的工藝設計3.1換熱器設計方案的確定甲苯入口溫度80C，出口溫度50C，冷卻水入口溫度30C，出口溫度40C。 殼體和管束壁溫差較大，且考慮到冷卻水易結垢，需要清洗，故選用浮頭式換熱 器。冷卻水走管程，甲苯走殼程。因逆流時的平均溫度差最小，傳熱推動力

5、大，可 節(jié)省冷卻介質的用量，操作無特殊要求，故流動方式選逆流。選用© 25X 2的碳鋼管，管內流速設為ui=1.5m/s。3.2物性數(shù)據(jù)的確定定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。殼程甲苯的定性溫度：T 遼旦 65 C2管程冷卻水的定性溫度：T 30 40 35 C2殼程甲苯65 C物性數(shù)據(jù)：密度p 1=867kg/m3;定壓熱比容 cp，1=1.85kJ/(kgC)；熱導率入 1=0.126W/(mC)；黏度卩 1=3.75X 10-4Pa - s管程冷卻水35 C時物性數(shù)據(jù)：查化工原理附表可知 密度p 2=994.3kg/m3;定壓熱比容 cp，2=4.174kJ/(kg -C )

6、； 熱導率入 2=0.62W/(m -C )；黏度卩 2=7.43X 10-4 Pa - s3.3平均溫差的計算1、對于逆流換熱過程，其平均溫差可按式(3- 1)進行計算：tmtlt2Int2(31)式中， tl>A t2分別為大端溫差與小端溫差。當 tl/ t2<2時，可用算術平均值: tl =80-40=40rA t2=50-30=20°CA ti/ A t2=23.4傳熱總系數(shù)K的確定用式(3 2)進行K值核算。(3 2)式中：給熱系數(shù)，W/m2 C；R 污垢熱阻，m2C/W;管壁厚度，mm ；入一管壁導熱系數(shù)，W/m C；下標1、 o、m分別表示管內、管外和平均2

7、 2 2At)= do =25 =490.63mm44Ai = di =>2o2=314.16mm244AmAi Ao2490.63 314.1622402.40 mm查化工原理附表可知Rsi=5.16X 10-4 m2 C /WRso=1.72X 10-4 m2 C /W入=50 W/m C管程 Re= = 0.02_I.5_994.3 =40146.6卩0.000743管程傳熱系數(shù)i可由公式(3 3)計算(33)i=0.023 Re0( J"di冷卻水被加熱，取n=0.40.62 /,c/i,cr08/ 4.17 0.000743、04 ,em” / 2 、 i=0.023

8、X40146.&.8><() 0.4=412.6W/ (m2 C)0.02 0.62假設取殼程傳熱系數(shù)為600W/ (m2 C)用公式(34)對K計算+ Ro +生+ R蟲+空 dmdiidi(34)式中：一給熱系數(shù)，W/m2C；R污垢熱阻，m2.C/W;管壁厚度，mm ；入一管壁導熱系數(shù)，W/m. C；下標1、o、m分別表示管內、管外和平均=179.5W/m2 C3.5傳熱面積A的確定換熱器的傳熱量 Q=WhCph(Ti-T2)=33125 *85 花0-50)=1.84X 106kJ/h=511kwQK tm511000179.5 28.8598.68 m2考慮 15%

9、的面積裕度，A=1.15X 98.68=113.48mi3.6主要工藝尺寸的確定3.6.1管子的選用選用© 2X 2.5傳熱管（碳鋼），取管內流速 Ui=1.5m/s3.6.2管子總數(shù)n和管程數(shù)Np的確定先按單管程計算單程傳熱管數(shù)ns,由式（3 5）進行計算(3 5)4Vsns2di u式中Vs管程流體體積流量，m3/s；di 管子內徑，m；u管內適宜流速，m/s。冷卻水用量 Wc -Q184000044125kg/hCpA ti4.17 （40 30）按單程管計算，所需的傳熱管長度管長I過長則采用多管程，此時管長一般多選6m （ L=6m）該換熱器管程數(shù)為傳熱管總根數(shù)n=nsX N

10、p=27X 9=243（根）3.6.3校核平均溫度差tm及殼程數(shù)Ns40 30P=80 300.2503080R=40按單殼程多管程（Np）查圖得=0.93 ,0.8符合要求tm t tm=0.93 送8.85=26.83°C3.6.4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 1.25do，則t=1.25 25=31.25mm 32mm橫過管束中心線的管數(shù)nc=1.19 .24318.619（根）3.6.5殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率0.7，則殼體內徑圓整可取D 700mm3.6.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺

11、高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為取折流板間距B 0.4D，則取 B=300mm折流板圓缺水平裝配。3.7核算換熱器傳熱能力及流體阻力3.7.1熱量核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采取克恩公式 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0.14=1.035W(2)管程傳熱系數(shù)管程 Re=d = 0.°25 994.3 =40146.7 卩0.000743管程傳熱系數(shù)i可由公式(3 6)計算/ cp 、i=0.023 Re0.8)ndi(36)冷卻水被加熱，取n=0.4i=0.0230.620.02X40146.70.8

12、>< 4.17 0.000743)0.4=412.57W/ (m2C)0.62管程流體流通截面積:Sid：丄=空 0.025 0.025 竺 0.01325 m24 Np 49(3)傳熱面積校核 計算傳熱面積A': A實際傳熱面積A: A=98.68m2K tm(n nc) doL =105.5m2A/A: =05.5/98.68=1.07 換熱器設計合理3.7.2換熱器壓降校核(1)管程阻力傳熱管相對粗糙度0010.005查莫狄圖得i 0.036W/(mC)，流速20ui 0.931m/ s,994kg/m3，所以管程流動阻力在允許范圍之內(2)殼程阻力流體流經管束的阻力

13、流體流過折流板缺口的阻力 總阻力殼程流動阻力也比較合適。4列管式換熱器機械設計4.1殼體壁厚的計算以公式(4 1)計算壁厚(4 1)PD2p式中P設計壓力(表壓),MPa；D殼體內徑，mm；©一焊縫系數(shù)；2 殼體材質在設計溫度時的許用應力，MPa。取 P=0.101MPa D=700mm采用雙面焊的對接接頭局部無損檢測，©=0.85按標準GB 912選材用Q235-B碳素鋼，100C時，查化工原理下冊附錄9,取/13 MPa查化工原理下冊P97表4-9取Ci=0.25mm C2=2mmC=C 什C2=2.25mm圓整后取 =3.0mm，符合材料的最小厚度。4.2換熱器封頭選

14、擇根據(jù)標準JB/T 4746-2002,選擇標準橢圓封頭。圭寸頭厚度為C06 251.9 1.98mm20.5P2 113 0.85 0.5 0.6取圓整值2.0mm。4.3其他部件為固定折流板，需要設拉桿和定距管。換熱器殼體直徑為700mm時，拉桿數(shù)可取4，其直徑是10mm。定距管直徑一般與換熱器尺寸相同，即 700mm。5課程設計評價可靠性評價此次課程設計按照設計任務書、指導書、技術條件的要求進行。同學之間相互 聯(lián)系，討論，整體設計基本滿足使用要求，但是在設計指導過程中也發(fā)現(xiàn)一些問 題。理論的數(shù)據(jù)計算不難，困難就在于實際選材，附件選擇等實際問題。這些方面 都應在以后的學習中得以加強與改進。

15、個人感想第一次做課程設計，剛開始我腦袋里都是大問號，不知從何下手，如何動手。還記得老師宣布課程設計做換熱器時，同學們面面相覷的表情。是啊，都沒見過實 體，剛學了理論就直接上戰(zhàn)場了。還好有老師的悉心指導和同學的熱情幫助，我們 按課程設計步驟一步步做了起來。前三天，我拿著計算器在寢室里算數(shù)據(jù)，從吃完 早餐開始，到快晚查房了結束。一遍遍的核查、重設數(shù)字、運算，直到最終修正出 一個范圍內合理的結果。接著，用之前算出的數(shù)據(jù)，準備畫圖了。按課程設計要 求，圖得作在標準繪圖紙上。這時，大家都犯難了，由于CAD是大二學的，經過1年的洗禮，基本都把CAD忘光了！現(xiàn)在我們都是大學生了，自學能力多少都有些 吧。先在

16、網(wǎng)上下了個CAD開始摸所起來。經過幾天的拼湊，終于把 CADS定!從這次的課程設計中我學習了很多，發(fā)現(xiàn)學校學的東西都是基礎，我們以后還 要在這些基礎上不斷前進！6參考文獻1 夏清，陳常貴.化工原理.天津：天津大學岀版社，2007.2 刁玉瑋，王立業(yè)，喻健良.化工設備機械基礎.大連：大連理工大學岀版社，2006.3 孫培先.畫法幾何與工程制圖.北京：機械工業(yè)岀版社，2004.參數(shù)管程殼程流量 /(kg/h)6743.733125進(出)口溫度/°c30 (40)80 (50)壓力/MPa0.40.60.40.6物性定性溫度/C3565密度 /(kg/m3)994.3867定壓比熱容/kJ/(kg C 4.1741.85黏度/Pa s7.43X 10-43.75X 10-4熱導率/W/(m C 0.620.126設備結構參數(shù)型式浮頭式列