管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)說明書目錄前言 ···············································&#

2、183;2第一部分，甲苯冷凝器的設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)···········································4二、 設(shè)計(jì)要求·

3、83;········································ 4三、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸·······

4、3;·······························6（1） 管徑和管內(nèi)流速················

5、3;··············6（2） 管程數(shù)和傳熱管數(shù)·····························6（3） 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)·

6、3;···················6（4） 傳熱管的排列和分程數(shù)法·······················7（5） 殼體內(nèi)徑···

7、83;·································7四、 換熱器主要傳熱參數(shù)核算··············

8、···············8（1）計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)··························8（2）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)····&#

9、183;·····················8（3）確定污垢熱阻··························

10、3;·······9（4）總傳熱系數(shù)····································9第二部分，甲苯冷卻器的設(shè)計(jì)一、 試算并初選換熱器規(guī)格

11、3;······························11（1） 流體流動(dòng)途徑的確定·················&

12、#183;·········11（2） 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式···································

13、;··11二、 計(jì)算總傳熱系數(shù)···································· 11（1） 計(jì)算熱負(fù)荷········

14、;···························11（2） 冷卻水用量·····················

15、··············12（3） 計(jì)算平均傳熱溫度差···························12（4） 總傳熱系數(shù)K····

16、83;····························12（5） 估算換熱面積···················

17、83;·············12三、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸··································

18、3;····12（1） 管徑和管內(nèi)流速································12（2） 管程數(shù)和傳熱管數(shù)·········&

19、#183;····················12（3） 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)······················13（4） 傳熱管的排列和分程方法·&#

20、183;······················14（5） 殼體內(nèi)徑·························

21、3;············14四、 換熱器主要傳熱參數(shù)核算 ·····························15(1) 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) · ··&

22、#183;·························15(2) 管程對(duì)流傳熱系數(shù) · ····················

23、83;·······16(3) 基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù) · ··················16(4) 計(jì)算面積裕度· ·················

24、;···············17化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、 設(shè)計(jì)任務(wù)題目萬噸/年 甲苯精餾塔冷凝冷卻(水冷) 換熱系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)。二、 任務(wù)給定條件1. 熱流條件：流量為10500kg/h的甲苯蒸汽從120，0.14 MPa(絕壓)冷凝到120，0.14 MPa(絕壓) 甲苯液，再冷卻到30；120甲苯汽相熱焓 140 Kcal/Kg，液相焓53 Kcal/Kg，30甲苯液相焓13 Kcal/Kg ；定性溫度80時(shí)甲苯密度810Kg/m3 ,

25、比熱 0.446(Kcal/Kg. ) 絕對(duì)粘度0.32(cp) ，比熱0.104 (Kcal/(m.h. ) 。2. 冷流條件新鮮水初始溫度25，循環(huán)水初始溫度45，換熱后水溫升15。水的物性數(shù)據(jù)由化原上冊(cè)附錄查取。3. 管殼式換熱器類型提示設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，要求管程和殼程的壓降不大于30kPa，冷凝采用浮頭式，冷卻采用固定管板式管殼式換熱器。 三、 設(shè)計(jì)要求 每個(gè)設(shè)計(jì)者必須提交設(shè)計(jì)說明書和冷凝冷卻系統(tǒng)工藝流程圖(A3)。1設(shè)計(jì)說明書必須包括下述內(nèi)容：封面、目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表、設(shè)計(jì)自評(píng)和符號(hào)說明、參考文獻(xiàn)等。 2設(shè)計(jì)計(jì)算書應(yīng)包括的主要內(nèi)容和設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟: 1)

26、 計(jì)算熱負(fù)荷、收集物性常數(shù)。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)作冷凝冷卻系統(tǒng)熱衡算確定流體放熱速率或冷流體吸熱速率，和新鮮水、循環(huán)水流率?？紤]了熱損失后即可確定換熱器應(yīng)達(dá)到的傳熱能力Q；按定性溫度確定已知條件中未給出的物性常數(shù)。2) 根據(jù)換熱流體的特性和操作參數(shù)決定流體走向（哪個(gè)走管程、哪個(gè)走殼程）；計(jì)算平均溫差。 3) 初步估計(jì)一個(gè)總傳熱速率常數(shù)K估(查上冊(cè)附錄23) ，計(jì)算傳熱面積A估。 4) 根據(jù)A估初選標(biāo)準(zhǔn)換熱器（由換熱器手冊(cè)查取,初定型號(hào)及系列結(jié)構(gòu)參數(shù)）；5) 換熱面積的核算。分別選關(guān)聯(lián)式求出管內(nèi)、外傳熱膜系數(shù)，估計(jì)污垢熱阻，求出總傳熱速率常數(shù)K核，得出所需傳熱面積A需，將A需與A實(shí)際進(jìn)行比較，若A實(shí)際

27、比A需大15%-25%，則設(shè)計(jì)成功；否則重新計(jì)算。 6) 管程和殼程壓力降的核算(計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式在換熱器手冊(cè)查取，若查不到，可使用課本提供的公式代替)。 7) 接管尺寸的計(jì)算。8) 冷凝冷卻系統(tǒng)工藝流程圖說明。9) 噸油操作費(fèi)用和固定資產(chǎn)折舊費(fèi)用評(píng)價(jià)(新鮮水3.6元/噸，循環(huán)水 1.6元/噸，8000元/平方米傳熱面積，換熱器使用年限10年, 固定資產(chǎn)投資年利率16%),(評(píng)價(jià)比較你的前、后學(xué)號(hào)計(jì)算結(jié)果) 。3符號(hào)說明的格式：分為英文字母、希臘字母，要按字母排序，要寫出中文名稱和單位；4參考文獻(xiàn)的格式： 按GB7714-87的要求。完成起始時(shí)間 2013年3月3日至2013年3月10日發(fā)給學(xué)生：

28、 (簽名)指導(dǎo)教師：梁伯行冷凝器工藝設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)1 處理能力：把6000+500×9=10500Kg/h的120甲苯蒸汽冷凝成120甲苯液。2 設(shè)備形式：浮頭式換熱器。由于熱流體進(jìn)出口溫度都為120，冷流體進(jìn)口溫度45，出口溫度為60。冷熱流體溫度差異不大，殼程壓降較小，因此可以采用浮頭式換熱器。3已知條件：熱流體：入口溫度為120甲苯蒸汽：冷凝溫度120冷凝液于飽和溫度下離開冷凝器。冷卻介質(zhì)：循環(huán)水。入口溫度45，設(shè)定出口溫度60。允許壓降：液體10-30kPa,氣體1-10kPa。二、設(shè)計(jì)要求選擇適宜的浮頭式換熱器并進(jìn)行核算。1 浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)工藝計(jì)算書本設(shè)計(jì)的工藝計(jì)算

29、如下：此為一側(cè)流體恒溫的浮頭式換熱器設(shè)計(jì)2 確定立體流動(dòng)空間冷凝水走管程，甲苯蒸汽走殼程。由于蒸汽比較干凈不易結(jié)垢，甲苯蒸汽通過殼壁面向空氣中散熱，提高冷凝效果的同時(shí)可以及時(shí)排除冷凝液。原料液中可能含有雜質(zhì)、易結(jié)垢，所以原料液走管程便于清洗管子。因碳鋼管價(jià)格低強(qiáng)度好，預(yù)熱器中的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管。3計(jì)算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)循環(huán)水的定性溫度： 甲苯的定性溫度：根據(jù)定性溫度查得的物性參數(shù)為：名稱密度Kg/定壓比熱CpKJ/(Kg·)導(dǎo)熱系W/(m·)粘度Pa·s汽化熱rKJ/Kg120甲苯液體769.412.0390.3837354.6水98

30、6.854.1820.6465219.784 計(jì)算熱負(fù)荷W5冷卻水耗量6計(jì)算有效平均溫度差120甲苯蒸汽 T:120 120 循環(huán)水 t: 60 45 t 60 75 7選取經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù)K值根據(jù)管程走水，殼程走甲苯汽，總傳熱系數(shù)，現(xiàn)暫取。8估算換熱面積 三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用ø25×2.5mm較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 1m/s。2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)69（根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：=5.7（m）選定換熱器管長(zhǎng)l=3m，則管程數(shù)Np為：Np=，取管程N(yùn)p=2，則總管數(shù)為：m=2×69

31、=138根根據(jù)S=30.77m2,m=138根，Np=2，查表，選用固定管板式換熱器(JB/T4717-92)，其實(shí)際傳熱面積為44.9m2,有關(guān)參數(shù)如下：公稱直徑DN600mm公稱壓力PN1.6×106Pa傳熱面積S44.9管程數(shù)Np2管數(shù)m198管長(zhǎng)l3m管子規(guī)格管心距32mm管子排列方式：正三角形換熱器的實(shí)際換熱面積該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P63，公式3-13a和3-13b，平均傳熱溫差校正系數(shù) 平均傳熱溫差校正為tm=×tm =27.05×0.91=24.62( )由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8

32、，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適4、傳熱管的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)采用正方形排列。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點(diǎn)為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查熱交換器原理與設(shè)計(jì)P46，表2-3 管間距，取管間距：t 32 mm 。由化工原理上冊(cè)P278，公式4-123，得橫過管束中心線的管數(shù)為由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P67，公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+3=32/2+3=19 mm取各程相鄰管的管心距為38mm。5、殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利

33、用率=0.7，由流體力學(xué)與傳熱P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為Di =1.05t=1.05×32×=471.77 mm , 查閱化工原理（上），附錄二十三：熱交換器，取Di =600mm。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(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×600=150 mm ，故可取h=110 mm。取折流板間距B=0.6Di，則B=0.6×600=360 mm。取板間距B350mm，則：折流板數(shù) NB=1=1=8 塊 折流板圓缺面水平裝配。四、核算總傳熱系數(shù)（1）計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)（湍流）（2）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系

34、數(shù)殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 AA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(zhǔn)數(shù) 粘度校正 （3）確定污垢熱阻（4）總傳熱系數(shù)所選換熱器的安全系數(shù)為表明該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。求換熱器的臺(tái)數(shù)根據(jù)總傳熱系數(shù)，確定傳熱面積：求所需換熱管數(shù)：S流通=3.14×0.025×3=0.2355所需換熱器臺(tái)數(shù)：預(yù)留25%的預(yù)備管量以及預(yù)留多1臺(tái)做備用，故選取換熱器臺(tái)數(shù)為2臺(tái)。所以，根據(jù)題目要求所需，總共需要2臺(tái)浮頭式換熱器并聯(lián)對(duì)甲苯蒸汽進(jìn)行冷凝。換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見表參數(shù)管 程殼 程物料名稱循環(huán)水甲苯流率/（

35、kg/h）59354.3810500進(jìn)/出溫度/45/60120/120換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)換熱器類型浮頭式換熱器殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)2管徑/mm25×2.5管心距/mm32管長(zhǎng)/mm3000管子排列正三角形管數(shù)目/根198管程2傳熱面積/m244.9傳熱系數(shù)554.6污垢阻力/（w/m2·K）0.0001740.000172熱流量/W1034250傳熱溫差/67.5安全系數(shù)/%13.3甲苯的冷卻一、 試算并初選換熱器規(guī)格1.流體流動(dòng)途徑的確定本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且均不易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇水走換熱器的管程，甲苯走殼程。2.確定流體的定性

36、溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式冷卻介質(zhì)為新鮮水，取入口溫度為：25 ，出口溫度為：（2515） 甲苯的定性溫度： 水的定性溫度： 兩流體的溫差： 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)。 甲苯在75下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)冷卻水在32.5下的物性數(shù)據(jù)密度o=810 kg/m3密度i=994.9 kg/m3定壓比熱容cpo=1.888 kJ/(kg·)定壓比熱容cpi=4.127 kJ/(kg·)導(dǎo)熱系數(shù)o=0.124W/(m·)導(dǎo)熱系數(shù)i=0.6218W/(m·)粘度o=0.000383 Pa·s粘度i=0.000763Pa

37、3;s由于兩流體溫差不大于50，故選用固定管板式管殼式換熱器。二、計(jì)算總傳熱系數(shù)1.計(jì)算熱負(fù)荷2. 冷卻水用量?jī)闪黧w的溫差，不需要熱補(bǔ)償。3.計(jì)算平均傳熱溫度差4、總傳熱系數(shù)K（1）管程傳熱系數(shù)（湍流）（2）選取經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù)K值根據(jù)管程走水，殼程走甲苯，總傳熱系數(shù)，現(xiàn)暫取。5.估算換熱面積 三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用ø25×2.5mm較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 0.5m/s。2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)52（根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：=7.5（m）選定換熱器管長(zhǎng)l=4.5m，則管程數(shù)Np為：Np=，取管

38、程N(yùn)p=2，則總管數(shù)為：m=2×52=104根根據(jù)S=30.54m2,m=104根，Np=2，查表，選用固定管板式換熱器，其實(shí)際傳熱面積為28.8m2,有關(guān)參數(shù)如下：公稱直徑DN450mm公稱壓力PN2.5×106Pa傳熱面積S43.5管程數(shù)Np2管數(shù)m126管長(zhǎng)l4.5m管子規(guī)格管心距32mm管子排列方式：正三角形換熱器的實(shí)際換熱面積該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P63，公式3-13a和3-13b，平均傳熱溫差校正系數(shù) 平均傳熱溫差校正為tm=×tm =27.05×0.91=24.62( )由于平均傳

39、熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適4、傳熱管的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)采用正方形排列。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點(diǎn)為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查熱交換器原理與設(shè)計(jì)P46，表2-3 管間距，取管間距：t 32 mm 。由化工原理上冊(cè)P278，公式4-123，得橫過管束中心線的管數(shù)為由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P67，公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22 mm取各程相鄰管的管心距為44mm。5、殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，由流體力學(xué)與傳熱P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為Di =1.05t=1.05×32×=409.6 mm , 查閱化工原理（上），附錄二十三：熱交換器，取Di =450mm。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(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×450=112.5 mm ，故可取h=110 mm。取折流板間距B=0.6Di，則B=0.5×450=270 mm。取板間距B250mm，則：折流板數(shù) NB=1=1=17 塊折流板圓缺面水平裝配。四、換熱器主要傳熱參數(shù)核算1