化工原理课程设计答案参考模板管壳式换热器选型

1、、才、 亠 ,尤其在 :直接接 ,据统计, ,其中 一、前言 热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备 ,被广泛应用于各个工业部门 石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样 ,按照其工作原理可分为 触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类 ,其中间壁式换热器用量最大 这类换热器占总用量的 99 %。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类 管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性 ,在长期的操作过程中积累了丰富的经 验 ,其设计资料比较齐全 ,在许多国家都有了系列化标准。 近年来尽管管壳式换热器也受 到了新型换热器的挑战 ,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应

2、 用材料广等优点 ,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热 器 ,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。如何确定最佳的换热器,是换 热器优化的问题。本说明书对指定有机物进行冷却选择合适的换热器，并且合理安排 操作管路以及选择合适的离心泵作出详细的计算说明。 - 2 - 1) 2) 3) 4) 5) 班级： 姓名： 学号： 任课老师： 选择一个合适的换热器，冷却78dC的某液态有机物至60OC，此有机物的流量为82kg/s； 合理安排操作管路； 选择一台合适的离心泵； 有机物69(C的物理性质： 997kg/m3; 0.6mPa s; Cp 2.22kJ/kg C

3、; 0.16W/m C. 冷却水：进口温度 t1=20oC； 操作条件：换热器管壳两侧的压降皆不应超过 0.1MPa。 目录 六附录12 - 3 - 、八 前言 设计任务 计算明细表 1 管壳式换热器规格 2 离心泵的型号规格 3 计算数据结果记录 计算过程 1 选择合适的换热器 热力学数据的获取 1.2 计算热负荷Q和qm2 1.3 计算温差和估计传热系数 1.4 估算换热面积 1.5 计算管程压降和给热系数 1.6 计算壳程压降和给热系数 1.7 计算传热系数 1.8 校核传热面积 2 安排管路和选择合适的离心泵 2.1 管径初选 10 2.2 压头计算 符号说明 13 设计说明 15 参

4、考文献 15 -6 - 四、计算结果明细表 (1)管壳式换热器的规格 公称直径 公称压力 管程数 管子根数 中心排 管程流通 换热管长 管心距 换热面 DN/mm PN/ N n 管数 面积/m2 度 L/mm /mm 积/m2 MPa Nt 19 2mm 700 4 2 574 27 0.0507 4500 25 150.8 (2)离心泵的型号规格 型号 转速 n/(r/mi n) 流量 扬程 /m 效率 /% 功率 必需气蚀量 (NPSH r/m 质量(泵/ 底座)/kg m/h L/s 轴功 率 电机 功率 IS150- 1450 120 33.3 22.5 71 10.4 18.5 3

5、.0 758/158 125-250 200 55.6 20 81 13.5 3.0 240 66.7 17.5 78 14.7 3.5 (3)计算数据结果记录 项目 结果 单位 冷却剂出口温度 40 C 循环水定性温度 30 C 热负荷 3276.72 kW 冷却水质量流量 39.25 kg /s 并流对数平均温差 35.7 C 逆流对数平均温差 39.0 C 估算换热面积 147.4 m2 管程流动面积 0.0507 m2 管内冷却水流速 0.78 m/ s 管程给热系数 3969 W/ m2 C 摩擦系数 0.036 管程压降 12539.7 Pa 壳程流动面积 0.134 m2 壳程有

6、机物流速 0.61 m/ s 当量直径 0.0173 m 壳程给热系数 1315 W/ m2 C 壳程压降 5483.32 Pa 核算传热系数 693 W/ m2 C 校核传热面积 121.24 m2 冷却水流量 144 m3/h 总局部阻力系数 21.64 阻力损失 7.5 m 压头(扬程) 15.96 m 五、 计算过程 选择合适的换热器 1热力学数据的获取 冷却剂：河水，从 tm10C及防止水中盐类析出为原则，选选择出口温度：t2=40cC 循环水的定性温度: 入口温度为ti 20 C，出口温度为t2 40oC 循环水的定性温度为tm20 40 /2 30 C 两流体的温差Tm tm 6

7、9 3039 C 50 两流体在定性温度下的物性数据如下 性 流体、 温度 r 密度 kg/m3 粘度 mPa s 比热容 kJ/(kg -r) 导热系数 W/(m -r) 有机物 69 997 0.6 2.22 0.16 循环水 30 995.7 0.8012 4.174 0.6171 2计算热负荷Q和qm2 由热量衡算 QqmiCpi (TiT2) 82 2.22 (78 60)3276.72kW qm2 Cp2 (t2 Q _ t1) 3276.72 20) 4.174 (40 39.25kg / s 3计算温差 tm和估计传热系数 并流时，t1 78 2058 C t2 60 40 2

8、0 C tt1t2 tmt In丄 t2 58 20 盲 35.7 In 20 逆流时，ti 78 40 38 C t2 60 20 40 C tm逆 In t2 t2 tT 38 38 In 40 4039.0 C 根据管程走循环水, 壳程走有机物，总传热系数 K现暂取: 2 K 570W/m C 4估算换热面积 A估亠- 估 K tm 逆 3276-72 103147.4m2 570 39 1 公称直 径 DN/mm 公称压 力 PN/ MPa 管程数 N 管子根 数 n 中心排 管数 Nt 管程流 通面积 /m2 19 2mm 换热管 长度 L/mm 管心距 /mm 换热 面积 /m2

9、700 4 2 574 27 0.0507 4500 25 150.8 根据A估可以选择下述标准换热器（查附录得） :（排列方式：正三角形） 5计算管程压降t及给热系数i 根据标准换热器提供的参数管程流动面积 A 0.0507 m 2 -7 - 管内冷却水流速 qm2 3276.72 Ui Rei Cp2 (t2ti) qm2 dui 4.174 (40 20)39.25kg/s 39.25 995.7 0.0507 0.78m/s O.。15 O.78995.714500 0.8012 103 管程给热系数 o,023-Rei0.8 0.4 Cpii o.023145000.8 4.174

10、103 0.8012 10 3 0.6171 0.4 3969W / m2 C 取钢的管壁粗糙度为 0.1mm 0.23 e 0.1 - d 68 Rei 0.1 0.1 15 68 0.23 14500 0.036 管程压降 3 ftN 2 u i 2 4 5 0.03631.5 2 0.015 2 995.7 0.78 12539.7 Pa 0.1MPa 6计算壳程压降 s及给热系数0 挡板间距B取0.9m, A2 BD 1 do I 0,9 o.7 1 器 a152 U0 qm1 82 de Re。 Pr 4 0.15 997 0.55m/s d。 deu0 有 J322 0.0252

11、0.785 0.0192 2 3.14 0.019 0.0173m 0.0173 0.55 997 0.6 10 3 1.6 104 Cp 2.22 103 0.6 10 3 0.16 8.325 -17 - 壳程中有机物被冷却, 0.14 0.95 0.14 00.36 Re。55 Pr% de 0.360.16160000.55 8.32J3 0.95 0.0173 1315W/ m2 C 取折流挡板间距B 0.9m 管束中心线管数Ntc 27 壳程流动面积 Uo qm1 Re。 有A2 d 0u0 Ngd。0.9 0.7 27 0.019 0.17m2 82 0.48m/s 997 0.

12、17 0.019 0.48 9971 5 忖 0.6 10 3 因Re 500, f0 5Re 0.22851.5 104 0.228c Lc 0.56 管子排列为三角形, |_ B 挡板数：Nb F=0.5, I竺 0.9 fs=1.15 壳程压降 sFf0NTC Nb Nb 3.5 2B D 2 U0 s 2 0.5 0.56 274 3.5 2 0.7 091.15 997 Q48- 2 5483.32 Pa 0.1M Pa 7计算传热系数K计 污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 0.000176m2 OC/W 管内侧污垢热阻R内 0.00021m2 C/W 取钢管壁厚2 10 3m，热

13、导率 45.4W m 1 K 1 2 10 3 45.4 K计tm逆 3276.72 103 693 39 1 121.24m2 所选换热器：A 150.8m2 1 . 0.0001760.00021 39691315 2 O 693W/(m C) 8校核传热面积 遡 1.24 121.24 所以 选择的换热器符合要求。 安排管路和选择合适的离心泵 1管径初选 qm2 39.25 kg/s I41.9m/hr qv - S 3600 O.。394 初取水经济流速 u 1.5 m/s A亚 1U 39.25 995.7 1.5 2 0.026m2 A-dl2 4 di J4 0.026 182m

14、m 由于182mn不是标准管径，因此确定 d|150mm 39.25 u 2.23m/s d995.7 0.152 4 符合经济流速范围 故确定：dl 150mm,u2.23m/s 2压头He 在水槽液面及压力表处列柏努利方程 Pa 2 Hf 2g 0.15mm, Id 0.001, Re dl u/0.15 995.7 2.23/0.8012 10 34.2 105 查图得 0.021 流出换热器 0.5 1 A2/A0.5 1 0.152 / 0.720.48 8.5 0.75 3 9.5 0.91 0.4821.64 局部阻力: 底阀1个 标准90弯头3个 球心阀1个 8.5 0.75

15、3 9.5 流入换热器 1 A/A221 0.152 / 0.72 2 0.91 换热器压降 12539.7 Pa Hf 2g 0.02121.64 0.15 2 2.23 2 9.81 He P2Pa u2 20000 2g 2.232 Hf 12539.7 995.7 9.817.5m 995.7 9.81 2 9.81 7.515.96m u 2.23m/s qv uA|2.23 4 o.152 33 0.04m /s 144m /h 根据qv和He以及IS型离心泵系列特性曲线可以选择 型号为IS150-125-250的离心泵。 六、附录 (1)物理性质 物性 温度 密度 粘度 比热容

16、导热系数 流体 kg/m3 mPa s kJ/(kgC) W/(m -C ) 有机物 69 997 0.6 2.22 0.16 循环水 30 995.7 0.8012 4.174 0.6171 管外侧污垢热阻 R外 0.000176m2 C/W 管内侧污垢热阻 R内 0.00021m2 C/W 钢管热导率 45.4W m 1 K 1 符号说明 主要符号说明 符号 意义 计量单位 A 面积 m2 Cp 定压比热容 kJ/(kg K) d 管径 m g 重力加速度 m/s2 Hf 单位重量流体的机械能 损失 m l 管路长度 m m 质量 kg 虚拟压强 Pa P 流体压强 Pa pa 大气压 P

17、a B 挡板间距 m T 周期时间 s t 时间 s t 温度 r u 流速 m/s qv 体积流量 m3/s qm 质量流量 Kg/s 绝对粗糙度 mm 局部阻力系数 摩擦系数 动力黏度 Pa s 密度 Kg/m3 He 有效压头 m D 换热器壳径 m f 校正系数 fo 壳程流体摩擦系数 K 传热系数 W/(m2 K) Nt 管子总数 Q 热流量 W 或 J/S 给热系数 W/(m2 K) 热导率 W/(m K) Gr 数群 + 1 3 2 格拉私霍夫数 g : Nu 努塞尔数_L Pr 普朗特数Cp Re 雷诺数du 下标 g 气体的 m 平均 w 壁面的 s 壳程的 t 管程的 有 有机物的 八、设计说明 (1) (2) (3) 1 需要冷却的有机物走壳程，冷却剂走管程； 有机物可以采取逆流的方式； 换热器说明： 采用光滑管 光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能不足。为了提高换热器的 传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，