化工原理设计多管程列管式换热器的设计

1、南京工程学院南京工程学院化工原理课程设计报告书课 程 名 称： 化工原理课程设计B 课 题 名 称： 多管程列管式换热器的设计 院（系、部）： 环境工程系 专 业： 环境工程 班 级： 环境111 姓 名： 王志远 学 号： 216110127 起 止 日 期： 2013-12-2 2013-12-13 指 导 教 师： 李乾军 16目录前言1一、符号说明：21、物理量（英文字母）22、物理量（希腊字母）2二、设计目的3三、参数与条件设置31、 已知参数32、设计条件3四、设计计算41、确定设计方案4、选择换热器的类型4、流动空间及流速的确定42、确定物性数据53、计算总传热系数5（1）、热流

2、量5（3）、冷却水用量6（4）、总传热系数K64、设计传热面积7五、工艺结构尺寸71、管径和管内尺寸72、壳程数和传热壳数73、平均传热温差校正系数84、传热管排列和分程方法85、壳体内径86、折流板97、接管9六、换热器核算101、热量核算10（1）壳程对流传热系数，10（2）管程对流传热系数11（4）、传热面积122、换热器内流体的流动阻力12（1）、管程流动阻力12（2）、壳程阻力13（3）、总阻力13七、设计总结15八、参考文献16前言换热器是一种实现物料之间的热量传递的设备，广泛应用与化工，冶金，电力，食品等行业。它不仅可以单独作为加热器，冷却器等使用，而且是化工单元操作的重要附属设

3、备。在化工装置中换热设备占设备数量的40%左右，占总投资的35%46%。目前在换热设备中，使用量最大的是列管式换热器，尤其在高温高压和大型换热设备中占有绝对优势。一般来说，列管式换热器有易于加工制造，成本低，可靠性高，而且能适应高温高压的特点。随着新型高效传热管的不断出现，使得列管式换热器的应用范围得以不断夸大。列管式换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器，蒸发器，再沸器及冷凝器使用。固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体，因此它具有结构简单和造价低廉的优点。但由于管板和壳体间结构的原因，使得管外侧不能进行机械清洗，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当管壁于壳壁温

4、度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生很大的温差应力，以至于管子扭曲或使管子从管板上松脱，以致毁坏整个换热器，因此，一般管壁和壳体的温度相差50以上时，换热器应有温度补偿装置。一、符号说明：1、物理量（英文字母） B 折流板间间距 m Cp 定压比热容 kJ/(kg·) d 管径 m D 换热器内径 m f 摩擦因数 F 系数 G 重力加速度 m/s2 P 压力 pa n 指数 N 管数 S 传热面积 t 管心距 m u 流速 m/s2、物理量（希腊字母） 有限差值 导热系数 W/(·) 密度 kg/m3 粘度 Pa·s 对流传热系数 W/(·) 下标

5、 O 管外 m 平均二、设计目的 通过课题设计进一步巩固课程所学内容，培养学生运用理论知识进行化工单元过程设计的能力，使学生能够系统的运用知识。通过本次设计，学生应该了解设计的内容，方法和步骤，使学生具有调研技术资料，自行确定设计方案，独自设计计算，准确绘制图样，编写设计说明。三、参数与条件设置1、 已知参数 (1) 热流体（油）： T1=130 T2=50 Wh=6000kg/h (2) 冷流体（水）： t1=30 t2=40 压力 0.4MPa2、设计条件管程数：2压力降：p<10100kPa (液体) 110 kPa（气体）雷诺数：Re<500020000（液体） 10000

6、100000（气体）流动空间管材尺寸：25mm×2.5mm管内流速：0.50m/s传热管排列方式：正三角形排列传热面积裕量S：20%传热管长L：3折流挡板切口高度与直径之比：0.30管壁内外污垢热阻：自选四、设计计算 1、确定设计方案 、选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体（油品）进口温度130，出口温度50，冷流体（水品）进口温度30，出口温度40。该换热器用循环水冷却，冬季操作时进口温度会减低，考虑这一因素，估计该换热器的的管壁温和壳体壁温和壳体之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 、流动空间及流速的确定 油品走壳程，水品走管程。选25mm×2

7、.5mm的碳钢管，管内流速取0.50m/s。壳程流速0.3m/s2、确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 油的定性温度为 T=(130+50)2=90 水的定性温度为 T=(30+40)/2=35 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 油在90下的有关物性数据如下： 密度 o=825 kg/m3 定压比热容 Co=2.22Kj/(kg·) 导热系数 o=0.140 W/(m·)粘度 o=0.715×10-3 Pa·s水在35下的物性数据：密度 i=994 kg/m3 定压比热容 Ci=4.08KJ/(kg·) 导热

8、系数 i=0.626 W/(m·) 粘度 i=0.725×10-3 Pa·s 3、计算总传热系数 （1）、热流量 QO=wOcpOtO=6000×2.22×(13050)=1065600 kJ/h =296000Kw/h （2）、平均传热温差 tm=(t1+t2)/(lnt1/t2)=(1340)+(3050)/1.5=47 （3）、冷却水用量 Wi=QO/(cpiti)=1065600/(4030)×4.08)=26118 kg/h （4）、总传热系数K .管程传热系数 Re=diuii/i=0.02×0.5×9

9、94/0.0007=13170 i=0.023i/di(diuii/i)0.8(cpi/i)0.4 =0.023×(0.626/0.02)(Re)0.8(pr)0.4 =2733w/(·) .壳程传热系数 w/(·)污垢热阻 ·/w ·/w管壁的导热系数=45 w/(·)换热器列管的平均直径 4、设计传热面积S=Q/(Kt)=296000/(311.43×4.7)=21考虑20%的面积裕面S=1.20×S=21×1.20=25.2五、工艺结构尺寸1、管径和管内尺寸选用25mm×2.5mm的碳钢管

10、，管内流速取0.50m/s2、壳程数和传热壳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按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L=3m，换热器管程数位2，则则每层的管道数n=111÷2=56根管内流速3、平均传热温差校正系数根据R=8，P=0.1，按单壳程，双管程结构，温差校正系数查有关图表，得4、传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正三角形排列。取管心距t=1.25dO，则t=1.25×25=31.25=32mm横过管束中心线的管数5、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为圆整可取

11、D=450mm6、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20%，则切去的圆缺高度为h=0.2×450=90mm，故取h=90mm取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×450=135mm折流板数 折流板圆缺水平装配7、接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速u=1.0 m/s，则接管内径为 取标准管径为50mm管程流体进出口接管：取接管内水流速u=1.5 m/s，则接管内径为 取标准管径为80mm六、换热器核算1、热量核算（1）壳程对流传热系数，对圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径，由正三角形排列得壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特准数粘度校

12、正（2）管程对流传热系数管程流通截面积管程流体流速普朗特准数 （3）、传热系数（4）、传热面积该传热器的实际传热面积该换热器的面积裕度为该换热器的面积裕度合适，能完成生产任务2、换热器内流体的流动阻力（1）、管程流动阻力 由传热管相对粗糙0.1/0.2=0,005，Re=12887，查莫狄图得又因 所以所以管程流动阻力在允许范围内（2）、壳程阻力 流体流经管束的阻力因为是三角形。所以F=0.5 又因Re>500,所以所以流体流过折流板缺口的阻力（3）、总阻力壳程流动阻力比较适宜换热器主要结构尺寸和计算结果，换热器主要结构尺寸和计算结果见表1-1表1-1换热器主要结构尺寸和计算结果换热器模

13、式：固定管板式管口表换热面积25.2管口尺寸连接形式用途工艺参数AD80平面油品入口名称管程壳程BD80平面油品出口物料名称水油CD50凹凸面水品入口操作压力MPa0.4DD50凹凸面水品出口操作温度30/40130/50ED20凹凸面排气口流量m/s261186000FD20凹凸面放净口传热量kw2960029600总传热系数2733对流传热系数6012600污垢系数0.0003440.000172阻力降3.022.04程数21直径25*2.5mm450mm长度3000管子规格111根，管间距32mm，正三角排列折流挡板规格20块，单弓形，立式，间距135mm，切口高度30%七、设计总结通过

14、这次的课程设计，我学到了很多，虽然比较累，但是很开心，感觉这两周的课程设计比上了十几周的课还要充实，从白天一直算到晚上，有时候为了能把一个图画好赖在教室里很晚才走。当然在这其中我发现把学到的知识运用到实际操作中有很大的不同，要综合考虑很多其他方面的事,现在就来说说我设计的换热器吧。首先课程设计任务书里给了一些数据，然后我要根据所学的知识去设计一个符合要求的换热器。在正式写之前要试算，了解自己的数据在哪个范围内。还有那庞大的计算量，如果有一步算错了，后面的全错，要重新算，当然，我在这里也犯错了，把污垢系数弄反了，导致我算了两遍，不过最后还是算好了。画图也是个麻烦事，由于CAD是大一学的，现在基本忘完了，我不得不把书拿出来边看边画。还有一点不得不说，同学之间的帮助也很重要，在这个过程中，有些不懂的问题通过问同学也