管式换热器课程设计

1、热工原理课程设计PAGE PAGE 12一设计任务和设计条件 TC 设计任务和设计条件 f C l 1 某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流患热后，用循环冷却水将其从90进一步冷却至30之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。循环水的入口温度为30，出口温度为50 ，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。物性特征：煤油在60下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =2.22kj/kg 热导率 =0.14w/m粘度 循环水在40 下的物性数据： 密度=992.2/m3定压比热容=4.174kj/kg 热导率 =0.64w/m粘度 确定设计方案 TC 确定设

2、计方案 f C l 1 选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度90 出口温度30；冷流体进口温度30，出口温度为50，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。确定物性数据 TC 确定物性数据 f C l 1 1定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取煤油进出口温度的平

3、均值。故壳程煤油的定性温度为 T= =60 管程流体的定性温度为t=2物性数据根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对煤油来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出煤油的物性数据。 煤油在60下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =2.22kj/kg 热导率 =0.14w/m粘度 =8.6610-4Pas循环水在40 下的物性数据： 密度=992.2/m3 定压比热容=4.174kj/kg 热导率 =0.64w/m粘度 =0.65310-3Pas估算传热面积 TC 估算传热面积 f

4、C l 1 热流量 TC 热流量 f C l 2 Q1=18939.42.22(90-30)/3.4 =700757.43kw2.平均传热温差 TC 平均传热温差 f C l 2 先按照纯逆流计算，得 =3.传热面积 TC 传热面积 f C l 2 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(k)则估算的传热面积为 Ap=4.冷却水用量 TC 冷却水用量 f C l 2 m=工艺结构尺寸 TC 工艺结构尺寸 f C l 1 1管径和管内流速 TC 管径和管内流速 f C l 2 选用252.5较高级冷拔传热 管（碳钢），取管内流速u1=1m/s。2管程数和传热管数 TC 管

5、程数和传热管数 f C l 2 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数下 Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为 L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为 Np=传热管总根数 Nt=295=1453.平均传热温差校正及壳程数 TC 平均传热温差校正及壳程数 f C l 2 平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b）有 R= P=按单壳程，双管程结构，查图3-9得 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4.传热管排列和分程方法 TC 传热管排列和分程方法

6、 f C l 2 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。见图3-13。 取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。管数的分成方法，每程各有传热管27根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。5壳体内径 TC 壳体内径 f C l 2 采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.7 ，则壳体内径为 D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=500mm6折流板 TC 折流板 f C l 2 采用弓形

7、折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 H=0.25500=125m，故可取h=150mm取折流板间距B=0.4D，则 B=0.4500=200mm，可取B为200mm。折流板数目NB=折流板圆缺面水平装配，见图3-15。7其他附件 TC 其他附件 f C l 2 拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为12拉杆数量不得少于10。壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。8接管 TC 接管 f C l 2 壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为300mm。管程流体进出口接管：取接

8、管内液体流速u2=1.5m/s，则接管内径为圆整后去管内径为80mm换热器核算 TC 换热器核算 f C l 1 热流量核算 TC 热流量核算 f C l 2 （1）壳程表面传热系数 TC （1）壳程表面传热系数 f C l 3 用克恩法计算，见式（3-22） 当量直径，依式（3-23b）得 =壳程流通截面积，依式3-25 得 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数 TC （2）管内表面传热系数 f C l 3 按式3-32和式3-33有 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 TC （3）污垢热阻和管壁热阻 f C l 3 按表3

9、-10，可取管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻管壁热阻按式3-34计算，依表3-14，碳钢在该条件下的热导率为50w/(mK)。所以（4） 传热系数 TC （4） 传热系数 f C l 3 依式3-21有 传热面积裕度 TC （5）传热面积裕度 f C l 3 依式3-35可得所计算传热面积Ac为该换热器的实际传热面积为Ap该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。壁温计算 TC 壁温计算 f C l 2 因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为30，出口温度为

10、50计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按式4-42有 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 0.450+0.630=24.6 (90+30)/2=60 4698w/k 687.93w/k传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85。壳体壁温和传热管壁温之差为 。 该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。3换热器内

11、流体的流动阻力 TC 换热器内流体的流动阻力 f C l 2 （1）管程流体阻力 TC （1）管程流体阻力 f C l 3 , , 由Re=28565.64，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图得，流速u=0.94m/s,所以， 管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力 TC （2）壳程阻力 f C l 3 按式计算 , , .15流体流经管束的阻力 F=0.5 0.50.70113.25(29+1)=4883.31Pa流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.5mPa总阻力4883.31+2716.32=7599.4Pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较

12、适宜。（3）换热器主要结构尺寸和计算结果 TC （3）换热器主要结构尺寸和计算结果 f C l 3 见下表：参数管程（水）壳程（煤油）流率898560227301进/出口温度/30/5090/60压力/MPa0.46.9物性定性温度/4060密度/（kg/m3）992.2825定压比热容/kj/（kgk）4.1742.22粘度/（Pas）0.6538.66热导率（W/mk） 0.6240.14普朗特数4.2513.6设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/500台数1管径/252.5管心距/44管长/6000管子排列管数目/根145折流板数/个29传热面积/68.295折流板间距/200管程数

13、5材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.940.29表面传热系数/W/（k）4698687.93污垢热阻/（k/W）0.000340.00034阻力/ Pa6203.324883.31热流量/KW700.757传热温差/K36.41传热系数/W/（K）400.7裕度/%21.15%工艺设计主要符号说明1.英文字母折流板间距，系数，无量纲管径，换热器外壳内径，摩擦系数系数圆缺高度，总传热系数，管长，程数指数；管数；程数管数；程数折流板数努塞尔特准数压力，；因数普兰特准数热通量，传热速率， 半径，热阻，雷诺准数传热面积，冷流体温度，；管心距，平均传热温差，流速，质量流量，2.下标冷流体热流体管内平均管外污垢3.希腊字母对流传热系数， 有限差值导热系数，粘度，密度，校正系数参考文献 TC 七