管殼式換熱器課程設(shè)計[]

1、目錄化工原理課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計概述試算并初選換熱器規(guī)格 1. 流體流動途徑的確定2. 物性參數(shù)及其選型3. 計算熱負荷及冷卻水流量4. 計算兩流體的平均溫度差 5. 初選換熱器的規(guī)格工藝計算1. 核算總傳熱系數(shù) I HIHBIIBaiHHIHiai H I 111 « I HH 111 HH I H H HI! IHI I I BH I I H HIHHiaHI IlBIII ! I I2。核算壓強降經(jīng)驗公式設(shè)備及工藝流程圖設(shè)計結(jié)果一覽表設(shè)計評述參考文獻化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目：設(shè)計一臺換熱器二、操作條件：1、苯：入口溫度80C，出口溫度40C。2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水,入口溫

2、度35C .3、允許壓強降：不大于 50kPa。4、每年按 300天計，每天 24小時連續(xù)運行 .三、設(shè)備型式 ：管殼式換熱器四、處理能力：99000噸/ 年苯五、設(shè)計要求：1 、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。2、管殼式換熱器的工藝計算和主要的工藝尺寸的設(shè)計3、設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計結(jié)果一覽表。4、設(shè)備簡圖。 （ 要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）5、對本設(shè)計的評述及有關(guān)問題的討論 .1。設(shè)計概述1.1 熱量傳遞的概念與意義1. 熱量傳遞的概念熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界 中凡是有溫差存在時， 熱就必然從高溫處傳遞到低溫處 , 因此傳熱是自然界和工

3、程技術(shù)領(lǐng)域中極普 遍的一種傳遞現(xiàn)象。2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切 . 這是因為化工生產(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進行加熱 和冷卻 ,例如 :化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進行 ,為了達到并保持一定溫度， 就需要向反應(yīng)器輸入 或輸出熱量 ; 又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化 工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可 見; 傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用。總之，無論是在能源，宇航，化 工，動力 ,冶金，機械，建筑等工業(yè)部門 , 還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)

4、傳熱的問 題。應(yīng)予指出 , 熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機理和傳熱的快 慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)變成另一個平衡狀態(tài)所需的總能量；而 傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率 , 因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴展。3。傳熱的基本方式根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式：（ 1）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等 微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。（ 2）熱對流（簡稱對流 ） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。 熱對流僅發(fā)生在流體中， 產(chǎn)生原因有

5、二： 一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別 , 使流體質(zhì) 點產(chǎn)生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點強制運動的強制對流。此外，流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。（3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點是：不僅 有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。1.2換熱器的概念及意義在化工生產(chǎn)中為了實現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。 在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和 冷凝。換熱器就是用來進行這些熱

6、傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動力，原子能和其他許多工業(yè)部 門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要換熱器在化工生產(chǎn)中，有時作為一個單獨的化工設(shè)備，有時作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換 熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在生產(chǎn)中都占 有主導(dǎo)地位?！颈怼繐Q熱器設(shè)計要求序 號特別要求1對事故工況的校核2對管箱隔板強度的校核3各部件吊耳安裝位置的校核4浮頭式和U形管束固定管板外徑延伸，使管板兼作試壓法蘭時的強度校核5管板的剛度校核6風(fēng)載荷

7、和地震載荷的校核7進出口接管承受管線載荷的校核8疊裝換熱器中，底下那臺換熱器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的檢測11封頭熱壓成形時，終壓溫度的檢測12殼體直線度的檢測13氫工況的判別及材料要求3 、管殼式換熱器的簡介管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器它包括：固定管板式換熱器、U型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由 管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決 定換熱器的熱力性能。另一個對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能

8、力及操作運行的安全可靠性。1）工作原理：管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時，溫 度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進而實現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。N1-折淤樣板、4管隸;3-盍體;4封頭;5-按管；F板圖-弘固定管板式換熱器2）主要技術(shù)特性：一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性:1、耐高溫高壓，堅固可靠耐用 ；2、制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟;3、選材廣泛，適用范圍大。二試

9、算并初選換熱器規(guī)格1。流體流動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，故選擇苯走換熱器的管程，循環(huán)水走殼程。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冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，取入口溫度為：25 C,出口溫度為：（25 + 510） C苯的定性溫度：8040Tm260 C水的定性溫度：tm25 3027.5 C2兩流體的溫差：Tmtm 6027.532.5 C由于兩流體溫差不大于 50 C，故選用固定管板式列管換熱器 查化學(xué)工程手冊一一化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化學(xué)工業(yè)出版社P265 圖 4 21 表 4 33 可有：苯=0。381 cp=0。381m

10、Pa s水=0.825 cp=0。825mPa- sP238 圖 4 15 表 4 16 可有：Cp苯=0=1。828KJ/(°C)Cp 水=4.176KJ/(C)P274圖4 28 (2)液體導(dǎo)熱系數(shù)可有：苯=0。151W/ ( m- oC)。亠、水=0.613W/ ( m- C)查化工手冊上卷山東科學(xué)技術(shù)出版社兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下物性流體、密度kg /m3比熱KJ/oC)粘度mPas導(dǎo)熱系W/(m- oC)苯836.61。8280.3810。151水996.354.1760。8520。6133 計算熱負荷和冷卻水流量QCp(t2 t1)322000 36004.176

11、 103(30 25)15.4kg /h1.14108QWh C ph T11T21.828300244 計算兩流體的平均溫度差暫按單殼程、多管程進行計算，逆流時平均溫度差為:3510(8040)/36003.22 10 WtmIn丄80 3040 25,80 30 In(40 25)29.07 Ct2t1T2Ti30250.0918025TiT2t2 t180 4030 25由化工原理上冊P232頁查圖4 19可得:t 0.82所以tmt tm0.96 29.07 27.9 C又因為0。96> 0.8，故可選用單殼程的列管換熱器。P355）有K值的范圍:5. 試算和初選換熱器的規(guī)格根據(jù)

12、低溫流體為水，高溫流體為有機物（參見化工原理430850W/(m2 oc),假設(shè) K 400W/ m2 C又因為苯走管程且初選19 2.mm, L= 4.5m的列管，所以設(shè)ui0.9m/s28根2由V ui di nj可求得：4單管程的管子根數(shù)：ni W 丁 d：4115369 4300 24 3600 0.0152 3.14 0.9S。Q 3.22 105 K0 tm 400 27.928.85m2LiS0106.6dm 3.14 0.025 39管程數(shù)：Np匚“826pL6所以n Np nj 4 28108根將這些管子進行排列有圖如下殼 徑D600伽管子尺寸 19X 2mm管程數(shù)Np4管長

13、L4。5 m管子總數(shù)n108管子排列方法正三角形據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為:實際傳熱面積 S n d L 108 3.14 0.015 4.522.89m2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：Qsim3.22 10522.89 32.5433W/(m2 ?C)三工藝計算1O核算總傳熱系數(shù)1）計算管程對流傳熱系數(shù)Ai4 d'1080.01524 40.00477 m2UiVs1140000000.925msA 0.00477 300 24 3600 996.325（與假設(shè)相一致合0.015 0.925 996.3250.852 101.6225 104 湍流

14、63;4.176 1030.852 10 35.80.613150 100500 100G S00QI 000.0'OJO10tm圖殼程摩擦系數(shù)f 0與Re0的關(guān)系所以i 0.023Re0'8 Pri0.3（苯被加熱）di0.6134、0.80.023（1.6225 10 ）5.80.01524432W / m C2）計算殼程對流傳熱系數(shù)°換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：AhD 1 d0 t0.15 0.410.0190.0320.0244m2式中h折流擋板間距，取 300 mm；t管中心距，對25 2.5mm, t32mm.因為Wc15.4kg /h所以U0V

15、s1140000000.22m/sA0 3600300 24 863.60.0244由正三角形排列得:4(det24d0)432 3.1424 (0.03220.0192)-40.05m3.14 0.019Re0d。0.05 0.22 836.60.38110 3241543因為Re。在2 101106范圍內(nèi)，故可用下式計算P.生倔8 103 °381 100.1513-4.60.55一00.36 Re0Pr0 3de殼程中水被加熱，取1.05 ,所以0.360.1510.0510 55Q(24154) . (4.6)3 1.052484 W / m C3）確定污垢熱阻 管內(nèi)、外側(cè)污

16、垢熱阻分別取為 ：0.00017m2 C/W (井水)4)總傳熱系Rs 0.0002m2 C/W（有機液體）， 艮。數(shù)K0因為苯為有機物，管子材料選用不銹鋼， 取其導(dǎo)熱系數(shù)為 W16.5W / （m oC），總傳熱系數(shù)Ko為:1K00 丄 R R d0 d0RsoRsi0dii d i1191.7 10 42.0 10 419484154432 15360W/ m2 C由前面計算可知，選用該型號換熱器時，要求過程的總傳熱系數(shù)為443W / m2 C，在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下，計算出的K0為526W/ m2 C，其安全系數(shù)為:443 360 100% 20.2%360故所選擇的換熱器是合適的

17、。2。核算壓強降1）計算管程壓強降PiP2 RNpNs前面已算出：50.925ms， Rei 1.6225 104 （湍流）取不銹鋼管壁粗糙度0.1mm 則 &01 0.0067，由化工原理上冊第一章P5415所以對于Re關(guān)系圖中查得:丄電di 2P2192mm的管子R 43220.03384.5°.°33 耐996325 °92524322Pa2盹325 a9255115Pa4， Ns=15115 1.4 4 152847Pa2）計算殼程壓強降PoP2 FsNs其中 Fs1.15, Ns1,Ff°nc Nb2Uo_2管子為正三角形排列,F=0.

18、4取折流擋板間距折流擋板數(shù)：Nb殼程流通面積所以P1,P2ncU01.19 n1.1.10812Re。0.4NbP07710 13340.15m4.5VsA0.15ncd。290.150.411400000012 0.0190.025m23600 300 24 836.60.019 0.2 836.60.381 10 35.0Re00.643.51.150.2285.0 8344 0.2281229836.6 0.222h0.2m/s0.0258344 > 5000.647710Pa2U022910401Pa3.5書2836.60.21334Pa由上面計算可知，該換熱器管程與殼程的壓強均

19、滿足題目要求，故所選換熱器合適。四.設(shè)計結(jié)果一覽表項目殼程（循環(huán)水）管程（苯）流量，kg /s15。49.25溫度,C（進/出）25/3080/40物性定性溫度，C27.560密度，kk /m3996。 325:836。6比熱，kJ/ kgC4。1761.828粘度，Pa-s0.825 X 10-30.318 X 103導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/mC0.6130。151普蘭特數(shù)5。295。27結(jié)構(gòu)參數(shù)殼體外徑，mm600臺數(shù)1管徑，mm 19X2殼程數(shù)1管長，m管心距,mm32管數(shù)108管子排列正三角形排列傳熱面積，卅108。4折流板數(shù)29管程數(shù)4折流板距，m0。3材質(zhì)不銹鋼主要計算結(jié)果殼程管程流速，m

20、/s0。9250。22污垢熱阻，（卅C） /W2。0X 10 41.7 X 10 4傳熱系數(shù)，W/（卅C）104014432五.經(jīng)驗公式0.80.30.023 Re Pridi1。管程對流傳熱系數(shù)i，可用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式2。殼程對流傳熱系數(shù)°，可用關(guān)聯(lián)式計算0.55-0 0.36Re0Pr。3de3 。管程壓強降可用：P PP2RNpNs4。殼程壓強降可用埃索法：iPoPP2 FsN六. 設(shè)備及工藝流程圖七設(shè)計評述通過本次課程設(shè)計，我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解，同時，在設(shè)計過 程中，我也掌握了一定的工藝計算方法。換熱器是化工廠中重要的化工設(shè)備之一，而且種類繁多，特點不一

21、，因此，選擇合 適的換熱器是相當(dāng)重要的。在本次設(shè)計中 ,我發(fā)現(xiàn)進行換熱器的選擇和設(shè)計是要通過反復(fù) 計算，對各項結(jié)果進行比較后，從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設(shè)計，為此，設(shè)計時應(yīng) 考慮很多方面的因素 .首先要滿足傳熱的要求 ,本次設(shè)計時， 由于初選總傳熱系數(shù)不合適， 使規(guī)定條件下的 計算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi)，因此，經(jīng)過多次計算，才選擇到合適的 K 值 為 443W /m2 C ，計算結(jié)果為 360W /m2 C ，安全系數(shù)為 16。 8，滿足要求 .其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類型， 通過分析操作要求及計算， 本次設(shè)計選用換熱器為上述計算結(jié)果。再次，從壓強降來看，管程約為10401PQ殼程約為4432Pa都低于要