换热器课程设计

化工原理课程设计纯苯液体冷却器前言化工原理是在研究化学工业共性的基础上发展起来的。本课程属于技术基础课程，主要研究化工生产中的物理加工过程，按其操作原理的共性归纳成若干个“单元操作” ，研究对象由过程和设备两部分组成。化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中可培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。本课程是化工原理课程教学的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。换热器按照结构形式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器；U 形管换热器；填料函式换热器。固定管板式换热器由两端管板和壳体构成。由于其结构简单，运用比较广泛,是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的 30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。编 者于太原工业学院目录第一章 化工原理课程设计任务书一、设计题目：纯苯液体冷却器二、设计条件：1、处理能力：14000kg/h2、设备形式：列管式换热器3、操作条件 流体 名称 入口温度 出口温度物料 苯（液） 80 60加热冷却介质 循环水 29 39允许压力将 0.02Mpa 热损失：按传热量的 10%计算三、设计内容1、前言2、确定设计方案（设备选型、冷却剂选择、换热器材质及载体流入空间的选择）3、工艺设计初估换热面积，并确定换热器基本尺寸（包括管径、管长、程数、每管程数、管子排列、壁厚、换热器直径、流体进出管管径等计算）4、换热器核算、（1）核算总传热系数（传热面积）（2）换热器内流体的流动阻力校核（计算降压）5、机械结构选用（1）管板选用、管子在管板上的固定、管板与壳体连接结构（2）封头类型选用（3）温度补偿装置的选用（4）管法兰选用（5）管、壳程接管6、换热器主要结构尺寸和计算结果表7、结束语（包括对设计的自我评价及有关问题的分析讨论）8、换热器结构和尺寸（1 #图纸）9、参考资料目录第二章 固定管板式换热器简述固定管板式换热器概述固定管板式换热器由两端管板和壳体构成。由于其结构简单，运用比较广泛。固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的 30%-45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节） 。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。特点：固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。优点：1、旁路渗流较小；2、锻件使用较少，造价低；3、无内漏；4、传热面积比浮头式换热器大 20%30%。缺点：1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差 t50,当 t50时必须在壳体上设置膨胀节；2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3、壳程无法机械清洗；4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。第三章 纯苯液体冷却器设计内容3.1 确定设计方案确定设计方案的原则：满足工艺和操作上的要求，确保安全生产，做到经济、技术上的合理，及尽量节省设备和操作费用。（1）选择换热器的类型1）两流体的温度变化情况：苯（热流体）入口温度为 80，出口温度为 60；水（冷流体）入口温度为 29，出口温度为 39。从冷热流体的温度来看，换热器的壳体温度和管壁温度二者的温度差并不太大，初步确定选用固定管板式换热器。2）冷热流体井口温度差80-29 =5150选用的固定管板式有膨胀节的固定管板式换热器。 （3）管程安排查阅资料可知，不洁净或易结垢的流体宜走便于清洁的管程，黏度大或者流量小流体的流体宜走壳程，温度较高的流体应在易散热的流体宜走壳程。根据本设计的实际情况，水在操作温度下平均黏度较大，循环水易结垢，并且如果流速低的境况下，将会加快结垢增长速度，使换热器的热流量下降，而苯为热流体，大于苯在操作温度下平均黏度故总体考虑，应使水走管程，苯走壳程。（4）流体参数 1） 定性温度：对于低粘度的流体，其定性温度可取流体进、出温度的平均值，所以苯和水的定性温度如下：苯的定性温度：T= =702608水的定性温度：T= =34392）苯在定性温度下的物性参数：密度 830.0kg/m，比热容 pc1.90kJ/(kg) ，导热系数 0.335W/(m ） ，黏度 0.13610 -3 Pas。3）水在定性温度下的物性参数：密度 994.3kg/m，比热容 pc4.17kJ/(kg)，导热系数 0.624W/(m ） ，黏度 0.73710 -3 Pas。3.2 估算传热面积（1）计算热负荷= (T1-T2)= 1.90103 （80-60）=1.47810 5WQpmcq3604（2）冷却水用量= = =3.19kg/s=11482 kg/h 2m)(%9012tCP29307.4%185（3）传热平均温度差 = = = 36mt2t268（4）平均传热温差校正及壳程数平均温度校正系数的计算R = = 2 93608P = = 0.196 29803按单壳程，双管程结构查表可知 = 0.965 t平均传热温差 = = 0.96536= 34.74 mtt由于平均传热温度校正大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故选取单壳程较为合适。 （5）初算换热面积参照传热系数 K 的大致范围为 300K-800K，所以假设 K = 600W/(）则估算传热面积 A 估 = = =6.38mQt%9074.369018.52m3.3 工艺结构尺寸 （1）管径和馆内流速 选用 25mm2mm 的无缝钢管（碳钢） ，取管内流速 1.1m/s。（2）总管数和管程数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为取标准管长 L 标 =3 m，所以传热管程数 m=2传热总管数 N = m =142 = 28 根所以总管数 n=28+4=32 根，即数据圆整为 n=36 根（3）传热管排列和分程方法管程是双程，所以采用组合排列法，每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。管子与管板采用焊接结构。管心距取 PT= 1.25 = 1.2525= 32 mm0d（4）壳体直径 采用多管程结构，管板利用率 = 0.8 则壳体内径为：D = 1.05 =1.0532 = 225.39mmnPt按壳体标准圆整数据取 D =273mm隔板中心到离其最近一排管中心距离（6）折流挡板采用弓形折流挡板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去圆缺高度为：h = 0.25273=68.25mm取折流板间距 B = 150mm折流板数 3.4 换热器计算校核总传热系数核算管程传热系数 nreii PRd