管壳式卧式换热器设计说明书

1 管壳式卧式换热器设计说明书 1 设计题目 管壳式卧式换热器设计 2 设计条件 某厂用循环冷却水甲苯从 80冷却到 50,甲苯年处理能力为 44500t/a，压力为 环冷却水的入口温度为 25，出口温度为 35，要求冷凝器允许压降不大于 500000设计一台管壳式卧式换热器完成该生产任务。每年按 330 天计算，每天 24 表 1 主要物性参数 流体 定性温度 / 密 度 kg/度 s 比 热 容 热导率 甲苯 70 866 91 K) m K) 循环冷却水 30 ) m ) 3 设计内容和要求 (1)标题页 (2) 目录 (3) 确定设计方案 (4) 传热面积计算 (5) 工艺结构尺寸计算 (6) 换热器校核 (7) 换热器主要结构参数和设计结果一览表 (8) 换热器工艺条件图 (9) 自设计使用该换热器的工艺流程图 (10)对本设计的评价 (11)参考文献 2 4 设计内容 择换热器的类型 本设计中循环冷却水甲苯选用带有折流挡板的固定管板式 换热器，这种换热器适用于下列情况：温差不大；温差较大但是壳程压力较小；壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。 采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。 动方向 本冷却器的管程走循环冷却水，壳程走甲苯。热空气和冷却水逆向流动换热。 算传热面积 甲苯的质量流 W=44500t/a=44500 103/(330 24)=kg/h 热流量为 Q=. 91 （ 80 60） =214633.8 kJ/h = = 22112211)( =38 3 初步设定设 K =200 W 估算的传热面积为 0 8 0 6 2 0 K 安全系数 A= 冷却水用量 33. 8)( 12 ）（h 体构件的工艺结构尺寸 程数和传热管数 选用 25 碳钢管 )； 5mm,0子根数： n=A 42 中心线或中心线附近管子根数 1 取管程数为 2，则 N=n+拉杆 +5=42+6+5=53 均传热温差校正 平均传热温差校正系数 1221 =2535 6080=2 1112 tT =6080 2535=度校正系数为 t 112)11(2)11(24 平均传热温差校正为 tm=t t m =38= ) 热管的排列 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。 体内径 取管间距： t 32 则 2( / 3 ) /2 2 ( / 8 )t D 得 D=取 09 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流 板圆缺高度为壳体内径的 25%，则 取折流板数 12，则折流板间隔： h= 1= 计算接口直径 流速 u=s 1214vq d u 13335 1 4 2 . 1 6 / 1 . 4 4 1 0 /3 6 0 0 3 6 0 0 9 9 4 . 3 /k g hq m sk g m 314 1 . 4 4 1 0 0 . 0 6 0 5 6 0 . 53 . 1 4 0 . 5d m m m 所以选用直径为 65 5 1 8 . 6 8 7 / 1 . 8 1 0 /3 6 0 0 3 6 0 0 8 6 6 /v W k g hq m sk g m 324 1 . 8 1 0 0 . 0 6 7 8 6 7 . 83 . 1 4 0 . 5d m m m 所以选用直径为 70 热器主要传热参数核算 量核算 (1)壳程对流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式 = (其中： 当水做冷却剂时，当量直径， 管子为正三角形排列时， 2234 ( )24 2234 ( 0 . 0 3 2 0 . 0 2 5 )243 . 1 4 0 . 0 2 5 m 壳程流通截面积 1 壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为 Gos 2224vq d u 6 0 0 2 6 0 0 0 4 5 5 =2696 普朗特准数 Pr =1 9 1 0 0 0 4 5 50 7 3 =因此，壳程水的传热膜系数 = ( ) (2)管程对流传热系数 其中： = (管程流通截面积 242id n =管程空气的流速及其雷诺数分别为 Gih s Re0 2 1 6 0 0 7 4 2=2234 ( )24 2234 ( 0 . 0 3 2 0 . 0 2 )243 . 1 4 0 . 0 2 =普兰特准数 Pr = 4 1 7 4 0 0 7 4 20 4 =此，管程空气的传热膜系数 0 . 5 5 1 / 30 . 6 2 40 . 3 6 5 8 3 3 . 4 4 . 9 6 1 . 00 . 0 2 9 =( ) (3)基于管内表面积的总传热系数 7 污垢系数： 管内侧 外侧 子材质金属的导热系数 1 1()s o o w w m i it d d h d d h d 1 ( 0 . 0 2 5 0 . 0 2 ) / 2 0 . 0 2 5 0 . 0 2 5 1 0 . 0 2 50 . 0 0 0 5 1 9 1 0 . 0 0 0 3 4 4 0 . 0 0 4 83 2 9 . 6 1 1 6 . 3 ( 0 . 0 2 5 0 . 0 2 ) / 2 0 . 0 2 1 5 4 8 . 6 4 0 . 0 2 =得：208W/ ( ) 此计算值与前面的初设值 =200 W/ ( )的关系： 该换热器的传热系数裕度为 2 0 8 2 0 0 4 . 1 7 %200满足换热器设计所要求的 5%之内的范围，初选的换热器合适。 (4) 传热面积 换热器的实际传热面积 = ( 1)on d l =42 换热器的面积裕度为 %1 0 0 A 9 . 5 6 8 . 0 8 7 100%8 . 0 8 7 =18 % 满足要求的 30%以下的范围，该换热器符合实际生产要求。 温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，该换热器用自来水作为冷却水，设定冷却水进口温度为25，出口温度为 35来计算传热管壁温度。 传热管平均壁温 3 2 9 . 6( ) 3 0 ( 7 0 3 0 )( / ) 1 5 4 8 . 6 4 ( 0 . 0 2 / 0 . 0 2 5 ) 3 2 9 . 6ow c h ci i o t T th d d h = 39 查的在该温度下甲苯的粘度 30 . 5 4 1 0w P a s ，水的粘度 30 . 6 6 8 1 0w P a s 8 对管侧 0 . 1 40 . 1 4 0 . 0 0 0 7 4 2( ) 1 . 0 10 . 0 0 0 6 6 8w对壳侧 0 . 1 40 . 1 4 0 . 0 0 0 4 5 5( ) 0 . 9 7 60 . 0 0 0 5 4w热器内流体的流动阻力 (压降 ) (1)管程流动阻力 管内流体在 的摩擦阻力系数管部分的压降： 2 284 l n 4 0 . 0 1 1 7 7 9 1 1 5 . 2 3 22 2 1 . 2 7 1 0t i =kg/=311管回路中的压降： 2 284 4 7 7 9 1 1 5 . 2 22 2 1 . 2 7 1 0 9 9 4 . 3 =57.7(kg/a 总压降： （ 311+ 2)壳程阻力： 用概算法： 282 1 8 6 2 5 . 9 6 31 0 . 4 1 0 . 41 . 2 7 1 0 8 6 6 =kg/ 管侧，壳侧的压力损失均满足要求，该设计可行 9 5 计算结果总汇 表 2 设计结果一览表 换热器形式： 管壳卧式 换热面积 / 艺参数 名称 物料名称 操作压力 /作温度 / 流量 /（ kg/h） 管程 循环水 5 程 甲苯 0 体密度 /（ kg/ 66 流速 /(m/s) 热量 /传热系数 / )/( 2 208 208 传热系数 / )/( 2 垢系数 / )/( 2 力降 数 2 1 推荐使用材料 碳钢 碳钢 管子规格 25 数 38 管长 3000间距 /2 排列方式 正三角形 折流板形式 上下 间距 230体内径 /09 切口高度 10 设计感想 此次化工原理课程设计题目是“空气压缩机后冷却器设计”，因为上学期彭老师对传热与换热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，加上这学期正好学习了过程设备设计。另外，从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。 一 数据计算 这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设 计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。我在确定传热面积的时候，因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍，可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。 二 查资料 以前有个错误的认识：查资料嘛，按部就班就可以了，简单！但是这次课程设计却完全改变了我的认识。其实查资料是很讲究技巧的，也是相对比较灵活的。另外，我这次用到的参考资料有将近 10 种之多，这在之前是难以想象的。 三 图 这是第一次尝试用专业绘图软件 行绘图。这个软件我们很熟悉也很陌生，熟悉是因为大一学工程制图时有接触到这个软件，陌生是因为正真会用或用得好的同学是凤毛麟角。但是，没有压力哪来动力，在下定决心之后，马上借来几 习的资料，重温各种操作工具及技巧等。在准备了几天之后才开始正式画图，不断修改，差漏补缺，知道最后完成整个设计图。 四 完成设计说明书 这是最后总结性的阶段。需要对前面的数据进行整理归纳，需要一定的耐心。 耐心、细心、决心 是本次课程设计最大的感受。 最 后，再次感谢柯老师在整个设计过程中给予的悉心指导！ 11 参考文献 【 1】钟理 , 伍钦，马四朋 . 化工原理（上） . 北京，化学工业出版社， 【 2】材料与零部件（上） . 上海科学技术出版社 . 【 3】 钱颂文 . 换热器设计手册，北京，化学工业出版社， 4】 匡国柱 . 化工单元过程及设备课程设计 . 北京，化学工业出版社， 2002 【 5】 陈锦昌 . 计算机工程制图 . 广州，华南理工大学出版社， 【 6】郑津洋，董