浮头式换热器的设计

13页一．设计内容（1）设计计算列管式换热器的热负荷，传热面积，换热管，壳体，管板，隔板及等。（2）绘制列管式换热器的装配图。（3）编写课程设计说明书确定设计方案1.选择换热器类型两流体温度变化情况：热流体(混合物料）进口温度170.25℃，出口温度85℃；冷流体（冷水）进口温度35℃，出口温度43℃，该换热器用循环冷却水冷却，因两流体的温度之差较大，（>50℃）因此初步确定选用浮头式换热器。2.流程的安排为使混合物料通过壳壁面向空气散热，提高冷却效果，应使冷却水走管程，混合物料走壳程。确定物性数据定性温度：对于水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故管程冷水的定性温度为T=(T1+T2)/2=(35+43）/2=39(℃)温度（t）/℃密度（ρ）/㎏/m3比热容（cp×10-3）/J·㎏-1·k-1热导率（k×102）/W﹒m-1·k-1黏度（μ×106）/Pa·s39992.34.17463.367混合物料的定性温度T=(T1+T2)/2=(85.00+170.35）/2=127.68(℃)壳程混合物料在127.68℃下的有关物性数据如下甲苯乙苯邻二甲苯间二甲苯对二甲苯苯乙烯平均组成0.04570.02560.380.1570.2560.106密度（ρ）/㎏/m3866.9866.5880860861902847.25比热容（Cp)KJ/kg/℃2.172.342.12.012.113.022.13热导率（k）/W/m/℃0.1120.1130.1120.1120.1120.1080.108黏度μ*10^3（Pa·s)0.2450.2550.360.2560.270.3480.301密度ρo=847.25㎏/m3定压比热容cpo=2.13KJ/(㎏·℃)热导率ko=0.108W/(m·℃）黏度μo=0.301×10-3Pa·s估算换热面积1.热流量依据公式Q=Wh*Cph(T1-T2)计算可得：Wh=23.3943*(92.14*0.0457+106.17*0.0256+0.380+0.157+0.256)+104.14*0.106)=2390㎏/hQ=2390/3600*2.13*1000*(170.35-85.00)=1.207*10^5W2.平均传热温差先按纯逆流计算，依据下式得：△tm’=EQ\F(△t1-△t2,ln(△t1/△t2))=(127.35-50)/ln(127.35/50)=82.73℃计算R与PR=（T1-T2）/(t2-t1)=(170.35-85)/(43-35)=10.67P=(t2-t1)/(T1-t1)=(43-35)/(170.35-35)=0.059查表￠△t=0.83△tm=￠△t△tm’=0.83×82.73=68.67（℃）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.传热面积设K=450W/(m2·K)则估算的传热面积为AP=Q/(K△tm)=1.207*10^5/(450*68.67）=3.906(m2)5.冷却水用量依据下式得Wc=Q/Cpc(t2-t1）=1.207*10^5/(4174*(43-35))=3.61(kg/s)工艺结构尺寸管径和管内流速选用Φ25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=1m/s。管程数和传热管数通过下式可依据传热管内径和流速确定单程传热管数ns=EQ\F(qv,EQ\F(π,4)di2u)=3.61/992.3/(Π*0.25*0.02^2*1)=11.48≈12(根)按单程管计算，所需的传热管长度为L=EQ\F(AP,πdons)=3.906/(Π*0.025*12)=4.14(m)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=3m,则该换热器的管程数为NP=EQ\F(L,l)=4.14/3≈2(管程)传热管总根数NT=12×2=24根)3.传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。取管心距t=1.25do=,则t=1.25×25=31.25≈32(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离按下式计算s=EQ\F(t,2)+6=22(mm)各层相邻管的管心距为44mm每层各有传热管12根.4.壳体内径采用多管程结构，壳体内径按下式计算。取管板利用率η=0.7，则壳体内径为D=1.05tEQ\R(,NT/η)=1.05×32×(24/0.7)^0.5=196.7(mm)按卷制壳体的进级挡，可取D=200mm。5.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×200=50(mm)，故可取h=50mm。取折流板间距B=0.5D,则B=0.5×200=100(mm)，可取B为100mm。折流板数NBNB=EQ\F(传热管长,折流板间距)-1=2000/100-1=19(块）6.其它附件本换热器传热管外径为25mm,其拉杆直径为16mm，共有4根拉杆。换热器核算1.热流量核算（1）壳程表面传热系数用克恩法计算，见下式ho=0.36EQ\F(λ1,d1)Reo0.55pr1/3(EQ\F(η,ηw))0.14当量直径，依式得de=EQ\F(4(EQ\F(EQ\R(,3),2)t2-EQ\F(π,4)do2),πdo)=EQ\F(4(EQ\F(EQ\R(,3),2)0.0322-EQ\F(π,4)×0.0252),3.14×0.025)=0.020（m）壳程流通截面积，根据下式计算得：SO=BD(1-EQ\F(do,t))=0.1×0.2×（1-EQ\F(0.025,0.032)）=4.375×10-3（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为uo=2390/(3600*847.25)/(4.375*10^-3)=0.179(m/s)Reo=0.02*0.179*847.25/(0.301*10^-3)=10077(>500)普朗特数Pr=2.13*10^3*0.301*10^-3/0.108=5.94h0=0.36*0.108/0.02*10077^0.55*5.94^(1/3)*(0.301/0.67)^0.14=500.96[W/(m2·K)］(2)管内表面传热系数hi=0.023EQ\F(λi,di)Re0.8pr0.4管程流体流通截面积Si=0.25*Π×0.022×24/2=3.77×10^-3m2管程流体流速ui=3.61/992.3/(3.77*10^-3)=0.965(m/s)Re=0.02*0.965*992.3/(0.67*10^-3)=28584普特常数Pr=4.174*10^3*0.67*10^-3/0.633=4.42hi=0.023×0.633/0.02×28584^0.8*4.42^0.4=4844［W/(m2·K)］污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻R0=1.7197×10-4m2·K/W管内侧污垢热阻Ri=3.4394×10-4m2·K/W管壁热阻碳钢在该条件下的热导率为50.58W/(m2·K)。所以RW=0.0025/50.58=4.50*10^-5(m2·K/W)(4)传热系数Kc依式有Kc=1/(EQ\F(1,h0)+R0+EQ\F(Rwd0,dm)+EQ\F(Rid0,di)+EQ\F(d0,hidi))=1/(1/500.96+1.7197×10-4+0.000045×EQ\F(25,22.5)+3.4394×10-4×EQ\F(25,20)+1/4844×EQ\F(25,20))=344.1［W/(m2·K)］(5)传热面积裕度根据下式可得计算传热面积Ac为Ac=1.207*10^5/(344.1*68.67)=5.11（m2）该换热器的实际传热面积AA=πd0LNT=Π×0.025×2×24=3.77（m2）该换热器的面积裕度按下式计算为H=EQ\F(A-Ac,Ac)×100%=(5.11-3.77)/3.77*100%=35.54%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力依据下式可得△pt=(△pi+△pr)NsNpFtNs=1Np=2Ft=1.4△pi=λiEQ\F(l,di)×EQ\F(ρu2,2)由Re=28584，传热管相对粗糙度0.1/20=0.005，查图得λi=0.031，流速u=0.965m/s,ρ=992.3kg/m3,所以△pi=0.031×2/0.02×992.3*0.965^2/2=1432.28（Pa）△pr=ξEQ\F(ρu2,2)=3×992.3*0.965^2/2=1386.08（Pa）△pt=(1432.28+1386.08)×2×1.4=7891Pa<15000Pa管流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力按式计算△ps=(△p0+△pi)NsFsNs=1,Fs=1.15流体流经管束的阻力△p0=Ff0NTC(NB+1)EQ\F(ρu02,2)F=0.5f0=5.0×10077^(-0.228)=0.6112NTC=1.1NT0.5=1.1×240.5=5.39NB=19,u0=0.179m/s△p0=0.5×0.6112×5.39×(19+1)×847.25*0.179^2/2=447.16（Pa）流体流过折流板缺口的阻力△pi=NB（3.5-EQ\F(2B,D)）EQ\F(ρu02,2),B=0.1m，D=0.2m△pi=19×（3.5-2*0.1/0.2）×847.25*0.179^2/2=644.74（Pa）总阻力△ps=(447.16+644.74)*1.15*1=1256Pa<15000Pa壳程流体的阻力也比较适宜。换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程流率(Kg/h)129962390进/出口温度/℃35/43170.35/85.00物性定性温度/℃38127.68密度/（kg/m3）992.3847.25定压比热容/[kj/（kg•K）]4.1742.13粘度/（Pa•s）67×10-630.1×10-6热导率（W/m•K）63.3×10-210.80×10-2普朗特数4.425.94设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/㎜150台数1管径/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管长/㎜2000管子排列正三角形排列管数目/根24折流板数/个19传热面积/㎡5.11折流板间距/㎜100管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.9650.179表面传热系数/[W/（㎡•K）]4844500.96污垢热阻/（㎡•K/W）1.7197×10-43.4394×10-4阻力/Pa78911256传热温差/K68.67传热系数/[W/（㎡•K）]344.1裕度/%35.54%参考文献[1]陈裕清.化工原理[M].上海:上海交通大学出版社,2008[2]李志勇,喻健良,刘志军.过程机械[M].北京:化学工业出版社,2008.1.[3]冷士良,宋志轩.化工单元操作设备[M].北京:化学工业出版社,2007.7.[4]匡照忠.化工机器与设备[M].北京:化学工业出版社,2006.4.[5]喻健良.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版,2009.7.[6]/