哈工大-化工原理课程设计-大作业-列管换热器的设计与选用-修正版

1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 化工原理 设计题目： 列管换热器的设计与选用 院 系： 化工与化学学院 班 级： 2333333 设 计 者： 吉安娜 学 号： 2333333333 指导教师： 徐衍岭 设计时间： 2016年11月11日 （仅供交流学习之用，请在下载后24h内删除）哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名：吉安娜 院 （系）：化工与化学学院 专 业：占卜学 班 号：23333333 任务起至日期： 2016年 11 月 01 日至 2016 年 11 月 17 日 课程设计题目： 列管换热器的设计与选用

2、已知技术参数和设计要求：1. 处理能力：10.125×104吨/年（年开工天数300天，每天开工24小时）2. 操作条件：温度：苯：入口温度：80  出口温度：40水：入口温度：25  出口温度：30（25+510）允许压力：不大于60KPa3. 设备型式：列管式换热器 工作量： 工作计划安排： 同组设计者及分工： 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）一、 设计条件4. 处理能力：10.125×104吨/年（年开工天数300天，每天开工24小时

3、）5. 操作条件：温度：苯：入口温度：80  出口温度：40水：入口温度：25  出口温度：30（25+510）允许压力：不大于60KPa6. 设备型式：列管式换热器二、 设计方案1. 估算传热面积，初选换热器型号1) 确定出口温度一般来说，设计时冷却水两端温度差可取为510。缺水地区选用较大的温度差，水资源丰富地区选用较小的温度差。哈尔滨地处北方，水资源相对缺乏，故选择冷却水较大的温度差10，即冷却水的出口温度为35。2) 基本物理性质数据冷却介质为循环水，取入口温度为：25，出口温度为：35苯的定性温度：Tm=80+402=60水的定性温度：tm=(25+35)2=30

4、两流体的温差：Tm-tm=60-30=30查表，知两流体在定性温度下的物性数据如下：表1. 苯和水在定性温度下的物性数据流体名称密度/m3比热KJ/(·)粘度 mPa·s导热系数W/(m·)苯836.61.8280.3810.151水996.354.1760.8520.6133) 计算热负荷（不计热损失） 苯的质量流量qm1=10.125×104×103300×24=14062.5Kgh 热负荷Q=qm1cp1T1-T2=14062.53600×1.828×103×80-40=2.86×105W

5、 冷却水消耗量qm2=Qcp2(t2-t1)=2.86×105×36004.176×103×35-25=2.47×104Kgh4) 确定流体的流径该设计任务的热流体是苯，冷流体为水，本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，为使苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，且水易结垢，令苯走壳程，水走管程。5) 计算平均温度差暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温差。苯 80 40 t1=T1-t2=80-35=45冷却水 35 25 t2=T2-t1=40-25=15t1t2=4515=3>2故 tm逆=t1-t2lnt1t2=T1-t

6、2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1=80-35-(40-25)ln80-3540-25=27.31计算R和PR=T1-T2t2-t1=80-4035-25=4 P=(t2-t1)(T1-t1)=(35-25)（80-25）=0.18由书本P147图4-25（a）查得温度校正系数=0.90，又>0.8，故单壳程、双管程可行，其平均温度差如下tm=tm逆=0.90×27.31=24.5796) 选取总传热系数，估算传热面积参考书本P152表4-7，选用总传热系数K估=500W/(m2K)，则A估=QK估tm=2.86×105500×24.579=23.2

7、7m27) 初选换热器型号由于两流体温差Tm-tm=60-30=30<50，且允许压强降不大于50kPa，故可选择固定管板式换热器。 流程的选定由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，选定循环水走管程；为了便于苯的散热，减少冷却剂用量，选定苯走壳程。 流体流速的选择由书上P174表4-9、表4-10可知：水为易结垢液体，且在定性温度下，水的粘度 w=0.852mPas<1mPas，故流速取值范围为1m/s2.4m/s，取流速为u1=1.8m/s 换热管规格和排列方式a) 管径的选取由于水易结垢，考虑管束的清洗方便，且为了避免管子堵塞，选定管径为25mm×2.5mm的热交换

8、用普通无缝钢管。其内径d1=0.025-2×0.0025=0.02m，外径d2=0.025mb) 管子根数的计算由冷却水的消耗量qm2=2.47×104Kgh，可知冷却水的体积流量为qv=qm=2.47×104996.35=24.79m3/h又qv=n'4d12u1=n'×4×0.022×1.8×3600=24.79m3/h可求得n'=13根c) 管长的计算由管子根数和估算的传热面积可求管长为L'=A估n'd2=23.27×13×0.025=23m若用4管程，则每管

9、程的管长选用l=6000mm。d) 管子的排列方法考虑管外清洗方便，且传热效果较好，选用正方形错列，即将管束斜转45°安装。管中心距t=32mm。 折流挡板的选定折流挡板间距取 h=300mm，故折流挡板数NB=lh-1=60.30-1=19块。 初选换热器型号由换热器系列标准初选固定管板式换热器的管总数N=76根，故每管程的管数n=76/4=14根。传热面积 A选=35m2。其主要参数如下表2. 初选固定管板式换热器的主要参数壳径DN/400管子尺寸/25×2.5管程数4管长/m6管子总数/根76管子排列方法正方形错列每管程的管数/根14折流挡板间距/mm300管中心距/

10、mm32折流挡板数/块19三、 工艺核算1. 核算压强1) 管程压强降Pi=（P1+P2）FtNpNsFs：结垢校正系数，无因次，25x2.5mm的换热管取1.4；Np：管程数=4；Ns：壳程数=1管程流通面积: Ai=4d12nNP=4×0.022×764=0.0060m2管程流速: ui=qVAi=24.790.0060×3600=1.15m/s 管内雷诺数: Rei=d1ui=0.02×1.15×996.350.852×10-3=2.69×104>104 (湍流)取管壁粗糙度=0.1mm，d1=0.120=0.0

11、05，由关系图中查得=0.036，所以P1=Ld1ui22=0.036×60.02×996.35×1.1522=7.12PaP2=3ui22=3×996.35×1.1522=1.98Pa管程压强降：Pi=（P1+P2）FtNpNs=7.12+1.98×1.4×4×1=50.96Pa<60KPa故管程压强降50.96Pa<60KPa，符合工艺要求。2) 壳程压强降P0=（P1+P2）FtNsFt为结垢校正系数，无因次。对液体Ft=1.15，对气体Ft=1.0，故本设计中Ft=1.15；Ns=1 流经管束的

12、阻力P1=Ff0nc(NB+1)u022a) 因为管子为正方形斜转45°排列，故b) 取折流挡板间距h=0.30m，故NB=Lh-1=60.30-1=19块c) nc=1.1n=1.17610d) 流速u根据流体流过的最大截面积Smax计算：壳程流通面积：A0=0.30*0.4(1-0.0250.032)=0.026m2壳程流速：u0=qVA0=qm1A0=14062.53600×836.6×0.026=0.180m/s当量直径： =0.027m壳内雷诺数：Re0=d2u0=0.027 ×0.180×836.60.381×10-3=1

13、0671.59>2000（湍流）故壳程流体摩擦因数：f0=5.0×Re0-0.228=5.0×10671.59-0.228=0.603所以P1=Ff0ncNB+1u022=0.4×0.603×10×19+1×836.6×0.18022=653.79Pa 流体流经折流板口的阻力P2=NB3.5-2hDu022=19×3.5-2×0.30.4×836.6×0.18022=515.01Pa 壳程压强降：P0=P1+P2FtNs=653.79+515.01×1.15×

14、1=1344.12Pa<60KPa故壳程压强降1344.12Pa<60KPa，符合工艺要求。计算表明，管程和壳程的压强降都能满足设计的要求。2. 核算换热器总传热系数1) 管程对流传热系数已算出Rei=2.69×104故Pri=Cp=4.176×103×0.852×10-30.613=5.804i=0.023dRei0.8Pri0.4=0.023×0.6130.02×(2.69×104）0.8×5.8040.4=4982.54Wm-2K-12) 壳程对流传热系数0=0.36dRei0.55Pri13(w

15、)0.14已算出Re0=10671.59故Pr0=Cp=1.828×103×0.381×10-30.151=4.61 粘度校正 ()1故0=0.36deRei0.55Pri13(w)0.14=0.36×0.1510.027×10671.590.55×4.611/3×10.14=550.40Wm-2K-13) 参考教材附录，管内、外侧污垢热阻分别取为：Rsi=0.26×10-3m2KW-1 Rs0=0.176×10-3m2KW-14) 总传热系数忽略管壁热阻时，总传热系数如下：Ke=110+Rs0+Rsid

16、0di+d0idi=11550.40+0.176×10-3+0.26×10-30.0250.02+0.0254982.54×0.02=389.30(Wm-2K-1)由前面的计算知，在规定的流动条件下，计算出的Ke=398.90(Wm-2K-1)，而所选用换热器的总传热系数为K=QA选tm=2.86×10535×24.579=332.46(Wm-2K-1)，故所选择的换热器是合适的。其安全系数为389.30-332.46332.46×100%=17.10%（满足要求，在范围之内：10%25%）3. 核算换热器传热面积A=QKtm=2.8

17、6×105389.30×24.579=29.89m2与原估值基本相符，且A选A=3529.89=1.17，即与所选换热器的面积A选=35m2相比较，有17%的裕量。满足要求，在范围之内：10%25%。综上计算表明，所选换热器的规格可用。四、 设计结果一览表换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程（冷却水）壳程（苯）流量/(kg/h)2.47×1041.41×104进/出口温度/25/3540/80压强降MPa60kPa物性定性温度/3060密度/（kg/m3）996.35836.6定压比热容/kJ/（kg）4.1761.828黏度/（Pas）0.852×0.381×导热系数/（