管殼式換熱器課程設(shè)計

1、目錄d第一部分，甲苯冷凝器的設(shè)計設(shè)計任 TOC o 1-5 h z 務(wù)4設(shè)計要求4三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸6管徑和管內(nèi)流 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 速6管程數(shù)和傳熱管 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 數(shù)6平均傳熱溫差校正及殼程 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 數(shù)6（4）傳熱管的排列和分程數(shù) TOC o 1-5 h z 法7（5）殼體內(nèi) HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 徑7四、換熱器主要

2、傳熱參數(shù)核算8（1）計算管程對流傳熱系 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 數(shù)8（2）計算殼程對流傳熱系 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 數(shù)8（3）確定污垢熱 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document 阻9（4）總傳熱系數(shù)9第二部分，甲苯冷卻器的設(shè)計一、試算并初選換熱器規(guī) TOC o 1-5 h z 格11流體流動途徑的確定11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11二、計算總傳熱系數(shù)11計算熱負荷11冷卻水用量12計算平均傳熱溫度

3、 HYPERLINK l bookmark154 o Current Document 差12總傳熱系數(shù) HYPERLINK l bookmark134 o Current Document K12估算換熱面 TOC o 1-5 h z 積12三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸12管 徑 和 管 內(nèi) 流速12管 程 數(shù) 和 傳 熱 管數(shù)12平均傳熱溫差校正及殼程 HYPERLINK l bookmark169 o Current Document 數(shù)13傳熱管的排列和分程方 HYPERLINK l bookmark173 o Current Document 法14殼體內(nèi)徑14四、換熱器主要傳熱參數(shù)核算15(1

4、)殼程對流傳熱系數(shù) 15管程對流傳熱系 TOC o 1-5 h z 數(shù) 16基于管內(nèi)表面積的總傳熱系 HYPERLINK l bookmark195 o Current Document 數(shù) 16計算面積裕 HYPERLINK l bookmark198 o Current Document 度17化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計任務(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。二、任務(wù)給定條件熱流條件：流量為10500kg/h的甲苯蒸汽從120C, 0.14 MPa(絕壓) 冷凝到120C, 0.14 MPa(絕壓)甲苯液，再冷卻到30C； 120C 甲苯汽相熱焓140 Kc

5、al/Kg,液相焓53 Kcal/Kg, 30C甲苯液 相焓13 Kcal/Kg ；定性溫度80C時甲苯密度810Kg/m3,比熱 0.446(Kcal/Kg. C)絕對粘度 0.32(cp),比熱 0.104 (Kcal/(m.h. C)。冷流條件新鮮水初始溫度25C,循環(huán)水初始溫度45C,換熱后水溫升15C。水的物性數(shù)據(jù)由化原上冊附錄查取。管殼式換熱器類型提示設(shè)計壓力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)計要求每個設(shè)計者必須提交設(shè)計說明書和冷凝冷卻系統(tǒng)工藝流程 圖（A3）。1 .設(shè)計說明書必須包括下述內(nèi)容：封面、目錄、設(shè)

6、計任務(wù)書、設(shè)計計算書、設(shè)計結(jié)果匯總表、 設(shè)計自評和符號說明、參考文獻等。2.設(shè)計計算書應(yīng)包括的主要內(nèi)容和設(shè)計計算的步驟：1）計算熱負荷、收集物性常數(shù)。根據(jù)設(shè)計任務(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（哪個走 管程、哪個走殼程）；計算平均溫差。3）初步估計一個總傳熱速率常數(shù)K估（查上冊附錄23）, 計算傳熱面積A估。4）根據(jù)A估初選標(biāo)準(zhǔn)換熱器（由換熱器手冊查取，初定型號 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)

7、式求出管內(nèi)、外傳熱膜系 數(shù)，估計污垢熱阻，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實際進行比較，若A實際比A需大15%-25%，則設(shè) 計成功；否則重新計算。6）管程和殼程壓力降的核算（計算經(jīng)驗公式在換熱器手冊 查取，若查不到，可使用課本提供的公式代替）。7）接管尺寸的計算。8）冷凝冷卻系統(tǒng)工藝流程圖說明。9）噸油操作費用和固定資產(chǎn)折舊費用評價（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%）,（評價比 較你的前、后學(xué)號計算結(jié)果）。3 .符號說明的格式：分為英文字母、希臘字母，要按字母排序，要寫出中文名 稱

8、和單位；參考文獻的格式：按GB7714-87的要求。完成起始時間2013年3月3日至2013年3月10日發(fā)給學(xué)生：（簽名）指導(dǎo)教師：梁伯行冷凝器工藝設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)1處理能力：把6000+500X9=10500Kg/h的120c甲苯蒸汽冷凝成120：匚 甲苯液。2設(shè)備形式：浮頭式換熱器。由于熱流體進出口溫度都為120C,冷流體 進口溫度45匚，出口溫度為60匚。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 C甲苯蒸汽：冷凝溫度120 C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45L，設(shè)定出口溫度60，匚。允許壓降：液體1

9、0-30kPa，氣體1-10kPa。二、設(shè)計要求選擇適宜的浮頭式換熱器并進行核算。1浮頭式換熱器的設(shè)計工藝計算書本設(shè)計的工藝計算如下：此為一側(cè)流體恒溫的浮頭式換熱器設(shè)計2確定立體流動空間冷凝水走管程，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 時可以及時排除冷凝液。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。因碳鋼管價格低強度好，預(yù)熱 器中的流體沒有腐蝕性，所以選用碳鋼管。3計算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)循環(huán)水的定性溫度：t = W =竺60 = 52.5。22C甲苯的定性溫度：T = L_L = 120 C2根據(jù)定性

10、溫度查得的物性參數(shù)為：名稱密度PKg/逐定壓比熱CpKJ/(Kg -C)導(dǎo)熱系 入W/(m -C)粘度口Pa - s汽化熱rKJ/Kg120C甲苯液體769.412.0390.38372.28 x10 -4354.6水986.854.1820.64655. 247 x 10-4219.784計算熱負荷Qh = w甲 - r = 105003600 - 354.6 x 103 =1034250 W5冷卻水耗量-hC 1 At10342504.182 x (60 45)=59354.38Kg / h6計算有效平均溫度差120C甲苯蒸汽T:1209120C循環(huán)水 t: 60 C45C60 C75C干

11、=67.22 C 1 75 ln一60肉-肉75-60 廣Z 一ln 2Z17選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值根據(jù)管程走水，殼程走甲苯汽，總傳熱系數(shù)K = 290 1160W/m2 - C，現(xiàn)暫取 K = 500W/m2 - C。8 估算換熱面積S = - = 1034250 = 30.77m2KAt 逆 500 x 67.22三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用0 25 X 2.5mm較高級冷拔傳熱管（碳鋼10）,取管內(nèi)流 速 u = 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)N - qv - 59354.38/（769.41 x3600）69 （根）廣京廠坎5 X頃2 X按單

12、程管計算，所需的傳熱管長度為：工二_冬=5.7 (m)兀 d n3.14 x 0.025 x 69選定換熱器管長l=3m,則管程數(shù)Np為：Np= 539 = 1.9，取管程.二2,則總管數(shù)為：m=2X69=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PN1.6X106Pa傳熱面積S44.9管程數(shù)Np2管數(shù)m198管長l3m管子規(guī)格25 x 2.5mm管心距32mm管子排列方式：正三角形換熱器的實際換熱面積S = n兀d0（L - 0.1）= 138 x

13、3.14 x 0.025（3 - 0.1）= 31.42m2該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)1034250 =489.69W/m2 - C31.42 x 67.223、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P63，公式3-13a和3-13b,平均傳熱溫差校正系數(shù)R =匚=嘗=6 t2-t140-25P = 土L = 40-25 = 0.16T -11120-25平均傳熱溫差校正為t 二甲 XAf 二27.05X0.91=24.62( C)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8,同時殼程流體流量較 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)

14、 采用正方形排列。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點為管 板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而 對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查熱13 / 33交換器原理與設(shè)計P46，表2-3管間距，取管間距:t =32 mm。由化工原理上冊P278，公式4-123，得橫過管束中心 線的管數(shù)為n = 1.1( N = 1.1(138 = 13(根) c由化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計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)，取管板利用率n=0.7，由流體力學(xué)與 傳熱P

15、206,公式4-115,得殼體內(nèi)徑為Di =1.05t =1.05X32/138 /0.7=471.77 mm ,查閱化工原理（上）,附錄二十三:熱交換器，取D =600mm。i6、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=0.25X 600=150 mm ,故可取h=110 mm。取折流板間距 B=0.6D.，則 B=0.6X600=360 mm。取板間距B = 350mm，則:折流板數(shù)N二傳熱管長1 = 30 1=8塊B折流板間距350折流板圓缺面水平裝配。四、核算總傳熱系數(shù)Ko（1）計算管程對流傳熱系數(shù)ai59354.38=0.017m3/si

16、 3600 x 986.850.0170.022(3.14/4) x (138/2) x 0.0202=0.77m/s=0.022m2Rei0.020 x 0.77 x 986.850.0005247=28964.15 20000（湍流）=3.394.182 x 103 x 0.00052470.6465a = 0.023土Re 0.8 Pr 0-4 = 0.023 x 0.6465 x(28964.15).8 G.39) = 4496.09W./(m2 C)i d i i0.020（2）計算殼程對流傳熱系數(shù)ao殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采用凱恩公式a = 0.36 4 Re 0-55

17、Pri/3（ ）0.14o d o 日當(dāng)量直徑，由正三角形排列得AA3 兀3兀4（工 12-d 2） 4（工 X 0.0322-_ 0.0252）d =4= 0.020me-d3.14 X 0.025o殼程流通截面積S = BD （1 -do） = 0.35X0.6X（1-0025） = 0.046m ot0.032殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為u = 10500/（3600）= 0.08m/so 0.046X 769.41Re = .02 X 0.8X769.41 = 5399.39o 0.000228普蘭特準(zhǔn)數(shù)2.039x103x0.000228 4 Pr = 1.210.3837粘度校正（

18、工）0.14 = 0.95Pw TOC o 1-5 h z 03837,a = 0.36 xx 5399.390.55 x 1.211/3 x 0.95 = 789.54W (m2 C)o0.02確定污垢熱阻R = 1.74 x 10-4 m2 .C/W , R = 1.7197 x 10-4 m2 OC/W總傳熱系數(shù)KK = L.-4 + +R 土 +怛 +R +_!a d1 dXdso a_1 11 mO1=0。25+0.000174 蛭+0.0025x 0。25+0.0001719弁二449609x 0.0200.02045x 0.022578954=5546W (m2 .C)所選換熱器

19、的安全系數(shù)為554.6 - 489劇x 100 , =13.3 a489.69000 0表明該換熱器的傳熱面積裕度符合要求。求換熱器的臺數(shù) 根據(jù)總傳熱系數(shù)，確定傳熱面積:Q 1034250s = 27.74m 2K 0 M554.6 x 67.22求所需換熱管數(shù):S 流通=3.14 X 0.025 X 3=0.2355n =二=27.74 = 118(根)總 s 0.2355流通所需換熱器臺數(shù):n118198=1（臺）預(yù)留25%的預(yù)備管量以及預(yù)留多1臺做備用，故選取換熱器臺 數(shù)為2臺。所以，根據(jù)題目要求所需，總共需要2臺浮頭式換熱器并 聯(lián)對甲苯蒸汽進行冷凝。換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表參

20、數(shù)管 程冗 程物料名稱循環(huán)水甲苯流率/ (kg/h)59354.3810500進/出溫度/C45/60120/120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/mm中25X2.5管心距/mm32管長/mm3000管子排列正三角 形管數(shù)目/根198管程2傳熱面枳/m244.9傳熱系數(shù)W / m2 C554.6污垢阻力/ (w/m2 K)0.0001740.000172熱流量/W1034250傳熱溫差/c67.5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，故選擇水走

21、換熱 器的管程，甲苯走殼程。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)為新鮮水，取入口溫度為：25 C,出口溫度為：（25+ 15） C甲苯的定性溫度：T =+ 30 = 75 Cm 2水的定性溫度：t = 25 + 40 =32.5C m 2兩流體的溫差： T -1 = 75 - 32.5 = 42.5 C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75C下的有關(guān)物性數(shù) 據(jù)冷卻水在32.5C下的物性數(shù)據(jù)密度p =810 kg/m3密度p =994.9 kg/m3定壓比cp =1.888定壓比cp=4.127熱容kJ/(kg C)熱容kJ/(kg C)導(dǎo)熱系

22、數(shù)入 o=0.124W/(m C)導(dǎo)熱系 數(shù)入i=0.6218W/(m C)粘度H 0=0.000383 Pa - s粘度H i=0.000763Pa s由于兩流體溫差不大于50C,故選用固定管板式管殼式換熱器。二、計算總傳熱系數(shù)計算熱負荷Q0 = m 0 Cp、T= 1050 x 1.888 乂 何，(-3)- 3600 = 495600W冷卻水用量m = - = 495600 X 3600= 28820.94奴 / hi c (t2 -ti) 4.127x 1000 x (40-25)兩流體的溫差T -1 = 75 - 32.5 = 42.5。C 10000(湍流)i 日0.000763i

23、p _ 七尸, _ 4.127 x 103 x 0.000763 _ 5 06 % p 0.6218.i以=0.023 土 Re 0.8Pr0.4 = 0.023 x 0.6218 x(13039.32X(5.06*4 = 2680.48W./(m2 .C) i d i i0.020(2)選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值根據(jù)管程走水，殼程走甲苯，總傳熱系數(shù)K = 430 850W/m2 - C，現(xiàn)暫取 K = 600W/m2 C。估算換熱面積S = - = 495600 = 30.54m 2KAt 逆 600 x 27.05三、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用0 25 X 2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳

24、鋼10),取管內(nèi)流 速 u= 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)N = 次 =28820.94/(994.9x3600)急52 (根)s 一兀 八 0.785 x 0.022 x 0.5 d 2 u30.54按單程管計算，所需的傳熱管長度為：L =工=3024=7.5 (m) 兀 d 0 n3.14 x 0.025 x 52選定換熱器管長l=4.5m,則管程數(shù)Np為：N = 75 = 1.7，取管程N =2，則總管數(shù)為：m=2X52=104根 p 4.5p根據(jù)S=30.54m2,m=104根，Np=2，查表，選用固定管板式換熱器，其實際傳熱面積為28.8m2

25、，有關(guān)參數(shù)如下：公稱直徑DN450mm公稱壓力PN2.5X106Pa傳熱面積S43.5管程數(shù)Np2管數(shù)m126管長l4.5m管子規(guī)格25 x 2.5mm管心距32mm管子排列方式：正三角形換熱器的實際換熱面積S = n兀d0(L - 0.1)= 104 x 3.14 x 0.025(4.5 - 0.1)= 35.92m2該換熱器所要求的總傳熱系數(shù)Q一 =495600 = 510.07W/m2 - CS 2 逆 35.92 x 27.053、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P63，公式3-13a和3-13b,平均傳熱溫差校正系數(shù)R = H = 6t2 -ti40-25P =

26、土L = 40-25 = 0.16T - ti 120-25平均傳熱溫差校正為t 二甲 XAf 二27.05X0.91=24.62( C)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8,同時殼程流體流量較大，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)點為管 板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(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P46，表2-3管間距，取管間距:t =32 mm。由化工原理上冊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

27、及設(shè)備課程設(shè)計P67，公式n = .：t N = 1.1、： 104 = 12（根） c隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22 mm3-16,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n=0.7，由流體力學(xué)與 傳熱P206,公式4-115,得殼體內(nèi)徑為Di =1.05七麗=1.05X32/104 /0.7=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=0.25X450=112.5 mm，故可取 h=110 mm。

28、取折流板間距 B=0.6D.,則 B=0.5X450=270 mm。取板間距B = 250mm，則:折流板數(shù)N 二傳熱管長1 = 450 1=17塊B折流板間距250折流板圓缺面水平裝配。四、換熱器主要傳熱參數(shù)核算1、熱量核算(1)殼程對流傳熱系數(shù)對于圓缺形折流板，可采用克恩公式。由流體力學(xué)與傳 熱，公式4-60、4-61,得a = 0.36-oReo.55 Pri/3（，）0.14ew其中:當(dāng)水做冷卻劑時，粘度校正為& )0.14 =1.05Mw當(dāng)量直徑，管子為正三角形排列時，依化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計，公式3-22得4(里312 -nd 2)d =24 oe n do4(1! X 0.0

29、322-_ X 0.0252)二4=0.0202 m3.14 x 0.025殼程流通截面積，由流體力學(xué)與傳熱P164,公式4-62,S = BD(1 do )=0.25X0.45X(1 21225)=ot0.0320.0246 m2殼程甲苯的流速及其雷諾數(shù)分別為u =匕=10500/(3600 x810) =0.i46m/so S0.0246Re =p u d = 0.0202x0.146x810 =6237 21 TOC o 1-5 h z o疽0.000383.普朗特準(zhǔn)數(shù)（傳熱傳質(zhì)過程設(shè)備設(shè)計P26,公式1-43）p _ J。匕 _ 1.888 x 103 x 0.000383 _ 5 8

30、3 r 一氣 0.124.o因此，殼程甲苯的傳熱膜系數(shù)a 為一 0.124 一一 ，一、0.02a = 0.36xx6237.210.55 x5.831/3 x 1.05 = 515.65W/(m2 -C)(2)管程對流傳熱系數(shù)由流體力學(xué)與傳熱，公式4-52a、4-52b，得a.二 0.023Re0.8Pr0.3，i其中:程流通截面積S =哇 n =0.022 X 104 X 314 =0.0163 m2.4224程冷卻水的流速及其雷諾數(shù)分別為U =匕=28820.94/(3600 x994.9) =0.494m/s.S0.0163iRe =P = 0.22x.494x994.9 =13011.68. p .0.000763普蘭特準(zhǔn)數(shù)p _ 七尸._ 4.127 x 103 x 0.000763 _ 5 06 r 一 % 0.6218.i因此，管程冷卻水的傳熱膜系數(shù)a.為a =0 . 023 X 13011.680.8 X 5.060.3 X 0.6218.0.02=2