化工原理课程设计换热器冷却水循环器的设计

1、O03化工原理课程设计循环水冷去卩器的设计院：化学与化学工程学院级：化工103 名：李静辉号 : 2010012003设计目录1设计任务书概述物性参数的确定设计方案的确定1 选择换热器的类型2 流程安排估算传热面积1换热器的热负荷2 平均传热温差3 传热面积4 冷却水用量工程结构尺寸1 管径和管内的流速2 管程数和传热管数目录101010103 平均传热温差校正及壳程数104 传热管排列和分程方法115 管体内径116 折流板1227 其它附件1248 接管12七 换热器的核算121 传热能力的核算121）壳程传热膜系数12管程传热膜系数13污垢热阻和管壁热阻14总传热系数 K14传热面积裕度

2、152 换热器内流体的流动阻力15校核管程流体的阻力15壳程流体的阻力16八 换热器的主要工艺结构尺寸和计算结果表17九 设备参数的计算181 壳体壁厚182接管法兰183设备法兰184 封头管箱185 设备法兰用垫片196 管法兰用垫片197 管板198 支垫1959 设备参数总表20十 参考文献21学习体会与收获21十二 重要符号说明22、 设计任务书化工原理课程设计任务书专业：化学工程与工艺专业 班级：化工 103 班设计日期： 2013-6-08至 2013-6-21设计题目：循环水冷却器设计 设计条件：1设备处理量 70T/h。2. 循环水：入口温度55C，出口温度40C。3.冷却水

3、：入口温度20C，出口温度30C4.常压冷却，热损失 5%。5.两侧污垢热阻0.00017 m2 C/w。6.初设 K=900 w/m2 C设计要求1. 设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书。2.根据所选换热器画出设备装配图。指导教师：朱宪荣2013年 6月 18日二、概述传热过程是化工生产过程中存在的极其普遍的过程， 实现这一过 程的换热设备却种类繁多，形式多样。按换热设备的传热方式划分主要有直接接触式、 蓄热式和间壁式 三类。虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单， 制造容易等 特点， 但由于在换热过程中， 有高温流体和低温流体相互混合或部分 混合，使在应用上受到限制。 因此工业上

4、所有的换热设备工业上所有 的换热设备以间壁式换热器居多。管式换热器的类型也是多种多样 的，从其结够上大致可分为管式换热器和板式换热器。 管式换热器主 要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括板式、螺旋 板式、板壳式换热器。不同类型的换热器各有自己的优点和使用条件。1、固定管板式固定管板式换热器是用焊接的方式将连接管束的管板固定在壳 体两端。主要特点是制造方便，紧凑，造价较低。但由于管板和壳体 间的结构原因， 使得管外侧不能进行机械清洗。 另外当管壁温与壳体 壁温之差较大时，会产生较大的温差应力。严重时会毁坏换热器。由此可知，固定管板式换热器使用与壳程流体清洁，不易结垢。或者管外侧污垢

5、能用化学处理方法去掉的场合， 同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大，一般情况下，该温差不得大于50 C。若超过此值，应加温度补偿装置。通常是在壳体上加一膨胀节。2、浮头式换热器浮头式换热器是用法兰把管束一端的管板固定到壳体上， 另一端 管板可以在壳体内自由伸缩， 并子这端管板上加一顶盖成为 “浮头”。这类换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出， 便于清洗管间 和管内。管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生温差应力。但这种换 热器结构较为复杂，造价高，制造安装要求高。由以上特点可以看出浮头式换热器的应用范围很广， 能在较高的 压力下工作， 使用于壳体壁温与管壁温之差较大， 或壳程流体易结垢 的场合

6、。3、U型管式换热器这类换热器的管束是由弯曲成 U型的传热管组成。其特点是，管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，结构简单，造价比浮头式低， 管外容易清洗。 但管板上排列的管子较少， 另外由于管束中心一带存 在间隙，且各排管子回弯曲率不同， 长度不同，故物料分布不够均匀， 影响传热效果。U 型管式换热器适用于壳程流体易结垢，或是壳体壁温与管壁温 之差较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。4、填料函式换热器这类换热器具有浮头换热器的优点， 克服了固定管板式换热器的 缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易于检修清洗 。对于一些腐 蚀严重， 需要经常更换管束的场合常采用这种换热器。 但这种换热

7、器密封性能差，故壳程不宜处理易燃、易爆或有毒的气体。同时要求壳 程流体的压力不宜过高。目前所适用的填料函式换热器的直径一般在7000mn一下，很少采用大直径的填料函式换热器、计算物性参数1、确定物性参数对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故：(1)循环水的定性温度为:T匕竺出47.5 C2 2根据定性温度，查取有关物性参数如下:密度：h = 989.1 kg / m3定压比热容：Gh=4.714 KJ/(kg -C )导热系数：V0.6443 w/(m C )3粘度：=0.5734 X 10 Pa s(2)冷却水的定性温度为:t宁弩22.5 C根据定性温度，查取有关物性参

8、数如下:密度：c= 997.0 kg / m3定压比热容：CPc=4.179 KJ/(kgC)导热系数：Z0.6083 w/(m C)粘度：比=0.8937 X 10-3Pa s四、设计方案的确立1.选择换热器类型热流体循环水的进口温度为 55 C,出口温度为40C。冷流体冷却水的进口温度为 20C,出口温度为30C。15由以上数据可知壳体壁温与管子壁温之差小于 50 C,且冷却过程为常压冷却，因此可以选用固定管板式换热器。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，由 于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程易用于不易结垢和清洁的

9、流体。固定管板式换热器2.流程安排:由于是常温冷却，并且循环水相对比较洁净，所以选择循环水走管间,冷却水走管内，既有利于冷却水冷却效率，也可借助于外界温度加速循环水冷却。五、估算传热面积1、热负荷Q WhCp h(Ti T2) 95%70 103 4.174 (55 40) 95%4.164 1 06kJ/h1156.5kw2、选用逆流操作：循环水55 C 循环水40冷却水30 C 冷却水20 C1T1t2553025 Ct2T2402020 C因为12 ；2t 2t1t22520故X一22.5Ctm逆一平均传热温差传热面积3、因为初设K=900 w/m2c,则估算的传热面积为：A=d=氓K

10、tm 90022.5曲=57.11m2根据前述提供的经验范围，取实际传热面积为估算值的1.15倍,则实际传热面积为：A 1.15 57.1165.684、冷却水用量WCp c(t2 tl)4.164 1 0699641.1kg/h4.179 (30 20)六、工艺结构尺寸1、管径和管内流速选用少25mm< 2.5mm传热管（碳钢），取管内流速Ui=1.3m/s.2、管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数:Vsn di2ui499641.10.7；咒謬 1.3 68.01 68根按单程管计算，所需的传热管总长度为L 上6568 12.3mdon 3.14 0.025 68按单

11、程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L'6m，则该换热管管程数为：L 12 3np r V 2管程传热管总根数：N= 68X 2=136 （根）。3、平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：冷流体温升t2t13020P 两流体最初温度差=T1t155200.286热流体温降R 冷流体温升TL上亘上0 1.5t2 t13020按单壳程，双管程结构，查图表得:t = 0.94则平均传热温差：tmtm tm逆=0.94 22.5 =21.15 C由于t=0.940.8，且壳程流体流量较大，故取单壳程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

12、侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d 0,则t 1.25 25 31.25 32mm隔板中心到离其最近一排管中心距离为:s - 6 32 622(mm)2 2各程相邻管的管心距为22 X 2=44 ( mm。通过管束中心线的管数为nc=1.19/n=1.19 7136=13.8取整nc=14 (根)5、壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7 ,则壳体内径为:Dj 1.05tN 1.05 32 唐6 468mm故可取Di =600mm。6、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%则切去的圆缺高度为h'=0.25 600=150(mm)折流板间距 h: h 0.

13、3Di 0.3 600180(mm)故折流板间距可取h 200mm。折流板间距折流板数Nb为Nb J传热管长 -1=600-1=29(块)7、其它附件因为壳体直径为600mm查表可知拉杆直径为12mm拉杆数量不 得少于4个，课程入口处，应设置防冲挡板。&接管壳程流体进出口接管，取接管内流体 ui=2m/s,则接管内径为:% = J3.I4X 2 X 99 X 3600 = 613吕 m4 X IGOOOCJTTIX,管程流体进出口接管，取接管内流体U2=2m/s，则接管内径为:141/ ”4 X 70000所以取标准管：壳程接管规格：© 127mmx 4.5mm;管程接管规格

14、：© 146mmx 4.5mm。七、换热器核算1、传热能力核算(1) 壳程流体传热膜系数用克恩法计算,依据0.3汕10.55 c 3 / 0.14o Pr ()w当量直径为:4岛2de dodo24"0.032 220.025 240.0250.020( m)壳程流体截面积为:Ao hD(1 do) 0.2 t0.6 (1 匹D 0.0263m2)0.032壳程流体流速为:Whuo Ao700003600 989.1 0.026374" m' S)雷诺数为0.020.747989.10.573410 325771.1普兰特准数为Pr I4.174 103

15、0.5734 103-3.7150.6443黏度校正(一f14w0.57340.89370.94综上可得:0.36Reof)。14de0.36 064430.02025771.10.5513.7153 0.94 4504.0(w/(m2 C)(2) 管内传热膜系数1i 0.023-Re0.8Pr0.4di管程流体流通截面积为Ai d2 N 0.7850.02420.0214( m2)管程流体流速为99641.1u i 3600997.00.02141.297(m / S)雷诺数为Re0.021.297997.00.893710 328938普兰特数为PrCpc c彳179 103 O.8937

16、 10 36.140.6083综上可得i。皿严计4o.。23 翳 28938.8 E 5361w/(m2 C)(3) 污垢热阻和管壁热阻2 2Rsi=0.00017(m -C )/w; Rso=0.00017(m -C )/w,因碳钢在该条件下的导热系数为 50w/(m2 C),故 Rw 000255 10 5(m2 C)/w(4) 总传热系数K 101a bdo_ dodoodmd ii di14504.00.0250.0250.0250.00017 0.000050.000170.02250.025361 0.0221119.5w/(m C)由上述结果可知K11195 1.24，因为 1.

17、15<1.24<1.25,900所以此换热器合适。(5) 传热面积裕度所需要的换热面积为:A 亠 I1565 48.84(m2)K tm 1119.5 21.1518该换热器实际传热面积为:AodoL' Nt Nc 3.14 0.025 6 136 14 57.46m2)则该换热器的面积裕度为:Ao An 57.46 48.84177%An48.84.%因为15%<17.7%<25%，所以该换热器能够完成生产任务。由工 55402030由于22.52 22、换热器内流体的流动阻力50，故不需要考虑温度补偿。管程流体阻力P ( p1p2)Ft NsFt=1.4,

18、Ns=1, Np=2当Re=28938时，由柏拉修斯公式0.3164cccc'Re0.2 得: ' 0.0243则：p1o.0243 0022"笃.2976113.3( pa)p2UL 3 997.O T2 22523.5( pa)故:p (6113.3 2523.5) 1.41 224183( pa)24管程流体阻力在允许范围之内。壳程流体阻力p。( P1' P2') Fs NsFs=1.15,Ns=1。流体流经管束的阻力损失为:FfOnC(NB 1) 2U o225771.1 0.2280.4931; NB=29，式中：F=0.5； fo 5.0R

19、eo 0.2285.0Uo=0.747m/s ; nic 1.19N0.51.19(136 14故 P1 ' Ffonc(N B 1)22UoJ 989 1 0 7470.5 0.4931 1.19/136 12 (29 1) 26829p£)流体流过折流板缺口阻力损失:p2' Nb(3.5 空)亠Di2式中：B=0.2m,D=0.5m故 p2' Nb(3.52B)uo2Di)229 (3.5屮 907470.6C总阻力损失为:Po22829 22675 1.15 1 56930( pa)壳程流动阻力在允许范围之内。八、换热器主要结构尺寸和计算结果表计算结果表

20、管程壳程质量流速Kg/h99641.170000温度进/出c20/3055/40物 性定性温度C2547.5密度Kg/m3997.0989.1比热容KJ/Kg C4.1794.174粘度mPa S0.89370.5734导热系数W/m- C0.60830.6443普兰特数6.143.715设 备 结 构 参 数型号固定管板式台数1壳体内径mm600壳程数1管径mm 25 X 2.5管心距mm32管长mm6000管子排列 方式正三角 形管根数（根）136折流挡板 数29传热面积rf57.46折流板距mm200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速m/s1.2970.747传热膜系数W/ rf

21、-ZC53614504.0污垢热阻rf C /W0.000170.00017阻力损失/kw0.00240.057热负荷Kw1156.5传热温差C21.2传热系数W/m2 C1119.5裕度/%17.7九、设备参数的计算1.壳体壁厚C1 C2其中:P 钢板在不考虑加工裕量时的厚度， mm;计算厚度，mm;Cl钢板负偏差，mm;C2腐蚀裕量，mm ；圆整值。式中C2d，为设计厚度，可用下式计算PC DiQ 14tC22 巳其中:PC设计压力，取1.6MPDi 壳体内径，mmt 设计温度下材料的许用应力，Mp焊缝系数依据化工设备机械基础（华东理工大学出版社）表14-3,钢制压力容器中使用的钢板许用应

22、力 可得r 113MP，依表14-4焊缝系数可得 0.85，依表14-6腐蚀裕量的C2 2mm1.6 500d 22 113 0.85 1.6依化工设备机械基础6.2mm（华东理工大学出版社）表14-5,钢板厚度常用规格及其负偏差得G 0.6mm,1.2mm故 P d G 156.20.6 1.28.0mm可根据JB/708-65选用厚度为10mm的钢板材质.4.封头管箱2.接管法兰Dg管子平焊法兰螺栓焊缝dHSDD1D2fbd重量（kg）数 量直径KH1251334235200178310181.988M16561501594.5260225202312182.628M16563.设备法兰封

23、头：以外径为公称直径的椭圆形封头公称直径Dg曲面咼度h1直边高度h2内表面积F（m2）容积V (m3)600150400.4640.3965.设备法兰垫片（橡胶石棉板）公称直径Dg垫片内径d公称压力F（m2）垫片外径D600615166556.管法兰用垫片法兰公称压力Mpa介质温度密封面型式垫片名称材料冷却水< 1.6< 60光滑橡胶垫片橡胶板循环水< 1.6< 60光滑橡胶垫片橡胶板7.管板管板厚度30,长度666，材料为16MnR。8.支垫（鞍式支座）公称直径Dg每个支 座允许 负荷tb1LBlK1bm重量(kg)60036.81805501202604209022

24、026.39、设备参数总表序 号图号标准名称数量材料单重（kg）总量（kg）1LNQ-001-3前瑞管箱1组合件84.52HG20592法兰P L100-1.0 RF2Q235-B2.625.243GB8163-87接管108X5 L=1602Q235-B4LNQ-001-2折流板29Q235-A7.5217.55筒体DN127X4.51Q235-B2786LNQ-001-2拉杆4Q235-B4.216.87GB/T6170螺母M1684级0.040.328LNQ-001-3法兰120II879垫片642/00S=34石棉橡胶 板0.310JB/T4701-2000法兰-FM600-1.01Q

25、235-B40.811筒体DN600X8L=1401Q235-B16.812JB/T4746-2002封头EHA600X51Q235-B1713GB/T14976换热管 25X2.5,L=60001560Cr18Ni93.4530.414JB/T4712-92支座500-S2Q235-A/Q235-B26.315JB/4701-2000法兰-FM500-1.01Q235-B29.516SYJ11-65垫片2橡胶板0.150.317LNQ-001-3防松吊耳2Q235-B0.080.1618LNQ-001-2管板116MnR6519GB/T6170螺母M201286级0.0648.220JB/T

26、4707螺栓M20X150-A626.8级0.3320.4621SYJ11-65垫片1橡胶板0.3十、参考文献123天津大学，化工原理，天津，天津科学技术出版社，1990.魏崇关，郑晓梅，化工工程制图，北京，化学工业出版社，1992.化工设备结构图册编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版社，1978.社， 1994.5谭蔚主编，化工设备设计基础 ，天津大学出版社6刁玉玮，王立业编， 化工设备机械基础 ，大连理工大学出版社， 1989.7中华人民共和国化学工业部工程建设标准钢制管法兰，垫片，坚固件1991-12）化学工业出版社 .8钢制列管式固定管板式换热器结构设计手册 1994.11.7.9化工设备设计手册材料与零部件 ，上海人民出版社 .10谭天恩，麦本熙，丁惠华：化工原理 （上册），第 2 版，北京，化学工业出版 社，1990，6.11大连理工大学教研室编， 化工原理课程设计 ，1994，7.12夏清主编化工原理 （上）天津大学出版社 2005，1.13齐齐哈尔大学化工原理教研室编， 化工原理课程设计 .一、学习体会与收获两