循环水冷却器

目录1.设计题目：循环水冷却器设计2.任务及操作条件：(1)处理能力：74000kg/h(2)设备型式：列管式换热器〔固定管板式换热器〕(3)操作条件：1〕循环水：入口：55℃，出口：2〕冷却水：入口：10℃，出口：3〕热损失：5%4〕管程和壳程的压强降不大于3.选择适宜的换热器，并进行核算4.画出主体设备图〔1号图〕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，样式多样。其中以列管式换热器应用的更为广泛。本实验设计的是列管式换热器。内含工艺流程方案及换热器类型的选择，换热器物料及热量的衡算，传热动力学和换热气器流动的阻力核算，进而确定设备的主要的工艺尺寸。列管式换热器的类型是多种多样。列管式换热器可以分为固定管板式、U形管式和浮头式等。在这次实验设计中我们选择的是固定管板式换热器。它单位体积的传热面积极大，结构简单，加工制造比拟容易，结构巩固，性能可靠，适应面广。在现代的化工生产中应用最为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上比拟成熟。本设计是一列管换热器的设计。该换热器应具备的功能可以将循环水由55℃冷却至40℃。换热器所用的冷却介质是不初始温度为10℃根据所给的任务，我们综合考虑。首先确定了流体流径。我们选择冷却水通入管内，而循环水通入管间。其次，我们确定两流体的定性温度，由于温度引起的热效应不大，可以选择固定管板式换热器。考虑到换热器所涉及的压强不大，腐蚀性不高，因此我们选用碳钢换热管。为防止流体在管子中发生滞流流动，选用规格为的换热管。初算时利用暂定的总传热系数和算出的热负荷，初算换热器的换热面积，换热器的根数和长度，确定管程数。进而我们可以查阅相关资料。在?固定管板换热器系列标准中?，我们初步选择最接近计算值最符合的换热器，然后进行校核验算是否符合要求。有了初步的换热器后，我们便要对其设备参数进行校核，对其附件进行选择和匹配。包括换热器壳体、封头、管箱、管板、法兰的选用，折流板、隔板、支座形式的选用等。在选择这些附件的同时，不仅应当使其与所选换热器能够很好的匹配，并要兼顾经济的要求，使换热器既造价低廉又巩固耐用。在定性温度下：t定冷=(10+35)/2=℃t定循=(55+40)/2=℃表3-1物性参数表物性壳程(循环水)管程(冷却水)符号数据符号数据密度kg/m3ρhρc比热容kJ/kg·℃CphCpcμh570.7510-6μc949.2510-6导热系数W/m·℃λh640.2510-3λc607.510-3进口温度℃T155t110出口温度℃T240t235(1)两种流体的变化情况：热流体〔循环水〕进口温度55°C，出口温度40°C；冷流体〔冷却水〕进口温度10°C，出口温度35°C；冷水定性温度：热的循环水的定性温度：由于两流体温差小于50°C，不必考虑热补偿。因此初步确定选择用固定管板式换热器。(2)流程安排由于该换热器是具有冷却水冷凝的换热器，应使循环水走壳程，以便于排除冷却水。(1)热负荷的计算W热负荷×106W(2)冷却水流量的计算==kg/h=1kg/s(1)平均传热温差Δ〔按逆流计算〕其中℃；°C；由P、R值查阅?化工原理?〔高等教育出版社〕〔上册〕图5-11可得：=0.88，那么有=0.88×25=22℃(2)确定管程数由于，故此换热器应选用单壳程(1)初选换热器的规格假设K=900w/(m².°C)那么估算的传热面积为：A=；(2)管径和管内流速选用的碳钢传热器〔Gb81632-87〕取管内流速为(3)估算管程数和传热管数由得由可知冷却水流量m=1kg/s那么m3/s根据列管式换热器传统标准，此数据可选取按单程算，所需的单程热管长程度m取传热管长l=6m那么该换热器的管程数为(根)传热管总根数(4)实际传热面积：m2那么要求过程的总传热系数为k。=w/(m2.℃)该换热器的根本结构参数如下：表4-1换热器的根本结构参数公称直径：500mm总管数：=168根管间距：t=32mm管数：84管程数：m=2管长：公称面积：80管子排列方式：正三角形排列A=故可应用贝尔特关联式计算换热器列管之中心距t=32mm那么液体通过管间最大截面积为：A=hD〔1-〕其中：h——折流板间距，取为150mmD——壳体公称直径，取为500mm——管子外径，为25mmt——管子中心距，可取32mmA=hD〔1-换热管呈三角形排列，那么当量直径：；；由于，可以应用壳程流体的对流传热系数关联式计算，即壳程中的循环水被冷却，取代入数据得：其中：——壳程、管程对流传热系数——换热管外径、内径和内外径平均值mm——管内侧、外侧污垢热阻b——换热管壁厚，取——碳钢导热系数，取4管壁热阻碳钢在该条件下计算平安系数核算说明该换热器可以完成任务。其中：对于的管子取1.4是管程数，取2(1)对于的计算：管程流通截面=2由此可知设管壁粗糙度由?化工原理?〔高等教育出版社，上〕第50页关系图查得代入计算式(2)对于的计算(3)的计算那么：由此可知，管程流体阻力在允许范围之内。其中：；是壳程数，为1。(1)对于的计算取折流板间距为150mm；；壳程的流通面积：可见故可应用下式计算(2)对于的计算(3)对于的计算计算说明：管程压强降为；；综上可知，管程和壳程压强降均能满足题设要求。所选换热器的代号为G-500-此代号根据工艺计算反列管式固定管板式换热器系列标准对G系列列管式固定管板换热器的规定。查化学化工出版社?化工工艺设计手册?〔上〕第120页表3-10?列管式固定管板换热器标准图号和设备型号?得到壳体内径，公称压强，管根数及排列要求而确定。公式：其中：t——管中心距，m对管，t取32mm——横过管束中心线的管数，用计算——管束中心线上2管的中心至壳体内壁的距离，取计算：(1)换热器采用mm的无缝钢管，材质选用可焊性好的10号钢，管长6m，共168根管。(2)排列方式及管中心距确实定1〕可该换热器列管采用三角形排列；2〕管子与管板采用焊接，故可取。根据?化工设备设计手册.材料与部件?〔上海〕第102页压力容器用碳素钢及普通低合金厚钢板〔选用钢板加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开坡口。冷冲压力热冲压性能好，使用温度-20~475℃，可以作中低压设备，所以筒体材质选用钢板，钢板标准GB3274(1)公式：其中：——钢板在不考虑加工裕量时的厚度，mm；——计算厚度，mm；——钢板负偏差，mm；——腐蚀裕量，mm；——圆整值。式中，为设计厚度，可用下式计算其中：——壳体内径，mm——设计温度下材料的许用应力，——焊缝系数(2)查算：依据?化工设备机械根底?〔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力?可得，依表14-4?焊缝系数?可得，依表14-6?腐蚀裕量?的依?化工设备机械根底?〔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?得故可根据JB/708-65选用厚度为8mm的钢板材质(3)水压试验强度校核：水压试验应力为式中：将有关数据代入原式可得查阅?化工设备机械根底?〔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力?可得A3F钢制容器在常温水压试验时的许用应力从而有由于所以壳体壁厚满足水压试验的强度要求。(1)公式：其中：由于用整块钢板冲压成型，此时(2)计算：(3)选择适宜厚度，并确定封头型式规格根据?化工设备手册材料与零部件?〔上册〕第327页椭圆封头JB1154-73，应选封头JB/T4737-45，且根据其选用一椭圆封头尺寸如下：坯料直径：666mm坯料质量:容积v:2质量:20kg表5-1封头JB/T4737-45型式公称直径曲面高度直边高度内外表积椭圆形500mm125mm25mm2所选封头的结构示意图如下：图5-1封头的结构示意图采用甲型平焊容器法兰。换热器的公称压力为PN=1.6Mpa，公称直径500mm。查阅?压力容器与化工设备实用手册?中3-1-1，?压力容器法兰分类?，宜采用甲型平焊容器法兰。法兰材料为板材Q235-B，工作温度>-20℃~200℃的最大允许工作压力为1.05Mpa，小于公称压力,故甲型平焊容器法兰最大允许工作压力满足要求。查阅?压力容器与化工设备实用手册?第467页，表3-1-2〔A〕?甲型平焊法兰尺寸?和表3-1-2〔B〕?甲型平焊法兰质量?可得法兰相关尺寸如下表：表5-2甲型平焊容器法兰平面凸面凹面法兰质量〔kg〕衬环质量〔kg〕公称直径DN法兰螺栓DD1D2D3D4d规格数量5006305905555455424423μ2028选用甲型平焊容器法兰〔凹凸密封面〕为宜标记为：法兰—AT500-1.6JB/T4701-2000结构如图图5-2法兰取接热流体的流速。那么接管内径为：可选取接管：，长150mm两个取接冷流体的流速。接管内径为：c。可选取接管,长150mm，两个表5-3钢制管法兰(HGJ45-91)公称直径DN管子外径A连接尺寸螺栓柱法兰内径B法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数n螺栓长度螺柱长度法兰厚度C100108220180186658518110125133250210186709020135根据公式直径与公称压力选用板式平焊钢制管法兰。HG20593-97SO150—2.5RF16图5-3管法兰查阅?化工设备标准图册?，选择封头管箱，材料为钢，其简图如下所示：图5-4封头管箱查阅?换热器原理及计算?根据换热器的要求，选用厚度为5mm的圆缺形档板，其参数如下：两板间距离：h=D(0.2~1)=150mm折流板高度：h’=500(1-25%)=375mm折流档板个数：NB=L/h-1=6/0.15-1=39折流档板厚度：=5mm图5-5折流板及管子的排列查阅?化工设备设计手册材料与零部件?第625页，选用A3F表5-4鞍式支座Dg500AJB1167-73公称直径DN每个支座允许负荷tb1LBbm50016046012033090200图5-6鞍式支座查阅?化工过程和设备设计?第15页表可知：表5-5拉杆拉杆直径数量拉杆螺纹公称直径LaLbb124162060拉杆与折流板和档板的连接形式如下列图所示：图5-7拉杆由?化工设备机械根底?查得，管板选用的材料为16Mn，管板厚度为20mm，质量为。图5-8整体管板根据?压力容器与化工设备实用手册?第491页，密封垫片选用非金属软垫片，JB4704—92.厚度30mm，该垫片为法兰用垫片，其尺寸为：外径：内径：PN=1.6MpaDN=500mm图5-9设备法兰用垫片材料：耐油橡胶石棉板S20—0056—3.厚度3mm表6-1数据汇总表管程壳程质量流速Kg/h7400074000温度进/出℃10/3555/40物性定性温度℃密度Kg/m3比热容KJ/Kg·℃粘度μPa·S949.25导热系数W/m·℃6075×10-3640.25×10-3普兰特数设备结构参数型号固定管板式台数1壳体内径mm500壳程数1管径mm管心距mm32管长mm6000管子排列方式正三角形管根数〔根〕168折流挡板数39传热面积㎡折流板距mm150管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速m/s传热膜系数W/㎡·.℃6043.66污垢热阻㎡·℃/W1.8×10-41.8×10-4阻力损失MPa39热负荷Kw1225传热温差℃25传热系数W/m2·℃8[1]天津大学，?化工原理?，天津，天津科学技术出版社，1990.[2]魏崇关，郑晓梅，?化工工程制图?，北京，化学工业出版社，1992.[3]?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.[4]柴诚敬，刘国维，李阿娜，?化工原理课程设计?，天津，天津科学技术出版社，1994.[5]Perry化学工程手册.[6]华南理工大学，?化工过程及设备设计?，广州，华南理工大学出版社，1986.[7]刁玉玮，王立业编，?化工设备机械根底?，大连，大连理工大学出版社，1989.[8]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，巩固件?〔1991-12〕化学工业出版社.[9]?钢制列管式固定管板式换热器结构设计手册?199.[10]?化工设备设计手册材料与零部件?上海人民出版社.[11]姚玉英主编?化工原理?〔上〕天津大学出版社.[12]大连理工大学教研室编，?化工原理课程设计?大连理工大学出版社，1994，7.[13]夏清主编?化工原理?〔上〕天津大学出版社2005，1.[14]齐齐哈尔大学化工原理教研室编，?化工原理课程设计?.[15]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.英文字母S0——传热面积，m2；Ao——换热器的实际传热面积，m2；CP1——循环水比热容，KJ/Kg·℃；CP2——柴油比热容，KJ/Kg·℃；deo——壳程当量直径，m；di——管子内径，mm；do——管子外径，mm；D——换热器内径，m；h——折流挡板间距，m；K——传热系数，W/m2·℃；Ko——总传热系数，W/m2·℃；L——管长，m；l——单程管长，m；ns——单程管子数目；NB——折流板数；Np——单壳程的管程数；Ns——壳程数；P,R——因数；Pri——管程普兰特准数；Pro——壳程普兰特准数；Q——热负荷，w；Rei——管程雷诺准数；Reo——壳程雷诺准数；A——壳程流通面积，m2；t——管心距，m；t1——冷流体进口温度，℃；t2——冷流体出口温度，℃；T1——热流体进口温度，℃；T2——热流体出口温度，℃；ui——管内流体流速，m/s；uo——壳程流速，m/s；W1——循环水质量流量，Kg/h；W2——冷却水质量流量，Kg/h；希腊字母αi——管程对流传热系数，W/m2·℃；αo——壳程对流传热系数，W/m2·℃；ΔP1′——流体流过折流板缺口阻力，Pa；ΔP2——回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；ΔPsV程阻力损失，Pa；ΔPt——管程阻力，Pa；Δtm——平均传热温差，℃；Δt1,Δt2——温差，℃；Δtm′——未校正前的算术温差，℃；——温差校正系数；λi——管程导热系数，W/m2·℃；λo——壳程导热系数，W/m2·℃；Rsi——管程污垢导热，W/m2·℃；Rso——壳程污垢导热，W/m2·℃μ1——循环水黏度，Pa·S；μ2——冷却水黏度，Pa·S；ρ1——循环水密度，Kg/m3；ρ2——冷却水密度附表1管式换热器中K值的经验数据管程壳程传热系数K值W/m2·℃水有机溶剂气体