化工原理 换热器 课程设计

PAGEPAGE15成绩华北科技学院环境工程系《化工原理》课程设计报告设计题目列管式换热器学生姓名卫星红学号200801034207指导老师李辰明专业班级化工B082班教师评语设计起止日期：2010年12月19日至2010年12月31日目录1、设计任务和操作条件………………32、确定设计方案………………………3⑴选择换热器的类型………………3⑵流体流入空间的选择……………33、确定物性数据……………………34.、估算传热面积……………………4⑴计算换热器的热负荷……………4⑵冷流体（柴油）用量………………4⑶传热平均温度差…………………4⑷初算传热面积……………………45、工艺结构尺寸……………………5⑴选管子规格……………………5⑵总管数和管程数…………………5⑶确定管子在管板上的排列方式…………………5⑷壳体内径的确定…………………5⑸初选浮头式换热器的主要参数…………………6⑹折流挡板……………………7⑺其他附件……………………7⑻接管……………………76、换热器校核……………………8⑴传热温度差的核正………………8⑵总传热系数K的计算……………8①管内传热膜系数………………8②管外传热膜系数…………………9③污垢热阻和管壁热阻…………9④总传热系数K……………………9⑶传热面积校核……………………10Ⅱ、壁温的计算……………………10Ⅲ、核算压力降……………………11⑴管程压力降……………………11⑵壳程压力降……………………117、终选浮头式换热器的主要参数………………12课程设计总结……………………13CAD附加图……………………161、设计任务和操作条件炼油厂用原油将柴油从175℃冷却到130℃。柴油流量为12500㎏/h；原油初温为70℃，经换热后升温到110℃，换热器的热损失可忽略。管、壳程阻力压降均不大于30kpa，污垢热阻力均取0.0003㎡·℃/W。2、确定设计方案⑴选择换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体（柴油）进口温度T1＝175℃,出口温度T2＝冷流体（原油）进口温度t1＝70℃，出口温度t2＝从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差大于50℃，同时为了便于清洁壳程污垢，初步确定选用浮头式列管换热器。⑵流体流入空间的选择该设计任务的热流体为柴油，冷流体为原油，柴油温度较高，走管程可以减少热损失，且原油黏度较大，当装有折流挡板时，走壳程可以在较低的Re下既能达到湍流，有利于提高壳程一侧的给热系数。3、确定物性数据柴油的定性温度：T＝EQ\F(175＋130,2)＝152.5℃原油的定性温度：t＝EQ\F(70＋110,2)＝90℃查得柴油、原油在各自定性温度下的各物性数据如下：物料ρ，kg/㎡Cp，j/kg·℃λ，w/（m·℃）μ，pa·s原油81522000.1280.003柴油71524800.1330.0644.、估算传热面积⑴计算换热器的热负荷（忽略热损失）Q＝qm，1Cp,1（T1－T2）＝12500×2.48×（175－130）＝1.40×106kJ·h-1＝0.39×106W⑵冷流体（柴油）用量（忽略热损失）qm,2=＝＝4.43kg/s⑶传热平均温度差 按逆流计算△tm＝＝＝62.5℃⑷初算传热面积查表可至有机溶剂和轻油间进行换热时的K值大致为120～400W·m-2·k-1,先取K值为230W·m-2·k-1，则估算传热面积为A估＝＝＝27.13㎡取实际面积为估算面积的1.15倍，则实际估算面积为：A实＝1.15×27.13＝31.20㎡5、工艺结构尺寸⑴选管子规格选用中φ25mm×2.5mm的无缝钢管，管长L=4.5m⑵总管数和管程数总管数n＝＝EQ\F(31.2,3.14×0.025×4.5)＝88.32根单程流速μ＝＝＝0.175m/s因单程流速较低，为提高传热效果考虑采用多管程。柴油的黏度小于1mpa·s,为低黏油，查得管内流速范围为0.8~1.8m·s-1，因管长可能较大（管程数较多），所以管程数为m＝＝EQ\F(0.8,0.175)＝4.5因此取四管程⑶确定管子在管板上的排列方式由于选用的是多程换热器，且选用浮头式换热器，故采用正方形错列排列法。管子与管板采用焊接结构。管心距取a＝1.25do＝1.25×25＝31.25≈32mm，隔板两侧相邻管心距ac＝44mm⑷壳体内径的确定采用多管程结构，壳体内径可按式D＝1.05a估算。取管板利用率η=0.8，则壳体内径为：D＝1.05a＝1.05×32×＝415mm按壳体标准圆整取D＝500mm按换热器长经比EQ\F(L,D)＝EQ\F(4.5,0.5)＝9，在推荐范围内，可卧式放置。⑸初选浮头式换热器的主要参数（JB/T4715-92）项目数据项目数据壳径D（DN）500mm管尺寸φ25mm×2.5mm壳径数NP(N)4管长l4.5m管数n116管排列方式正方形斜转45°中心排管数nc9管心距a32mm（与固定管板式相同）管程流通面积Si0.0091m传热面积A40.1m计算换热面积按光管及公称压力2.5MPa的管板厚度确定注：对上表查得的数据初步核算如下：①每程的管数n1＝n/np＝116／4＝29，管程流通面积si＝(π/4)×0.022×29＝0.009106㎡与查得的0.0091㎡恰好符合②传热面积A＝πdoLn＝3.14×0.025×4.5×116＝40.977㎡，与查得的40.1㎡也很好符合。应以查得的A＝40.1㎡为准。③中心排管数nc，查得的nc＝9似乎太小，按正方形斜转45°排列，nc＝9时n最多为90，故应以第（3）条所述，中心排管数为14时，排列管子总数为116，与查得的数据相符。查表，取管板厚度为40mm，公称压力2.5MPa，设管子与管板焊接时伸出管板长度为3mm，所以换热器的实际传热面积A＝nπd0（L－2×0.04－2×0.003）＝116×3.14×0.025×(4.5－2×0.04－2×0.003)＝40.2㎡管程实际流速μi＝＝=0.533m/s⑹折流挡板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去圆缺高度为：h＝0.25×500＝125㎜因壳程为单相清洁流体，所以折流板水平上下布置，缺口向上的折流板底部开一90°小缺口，以便停车时排净器内残液。取折流板间距B＝200㎜(0.2D＜B＜D﹚折流板数NB＝－1＝－1＝21(块)⑺其他附件查表选拉杆直径为12mm，拉杆数量为4根。⑻接管①管程流体进出口接管，取管内流速μ＝1.8m/s则接管内径d1＝＝＝0.0586m按管子标准圆整，取管程流体进出口接管规格为68mm×3mm无缝钢管。壳程流体进出口接管，取管内流速μ＝1.8m/s则接管内径d2＝＝＝0.052m按管子标准圆整，取管程流体进出口接管规格为63.5mm3mm6、换热器校核Ⅰ、⑴传热温度差的核正按逆流计算的平均温差△tm应乘以校正系数，选换热器的流动类型符合单壳程，偶数管程,计算P和RP＝＝＝0.381R＝＝＝1.125根据P,R值，查温差核正系数图，＝0.91，符合＞0.9的要求，得到＝0.91×62.5＝56.9℃⑵总传热系数K的计算①管内传热膜系数Re＝＝＝11909Pr＝＝＝11.93流体被冷却，因此取n=0.3W/（㎡·℃）②管外传热膜系数＝0.36EQ\F(λ,de)Re0.55Pr1/3()0.14管子按正三角形排列，则传热当量直径为de=m壳程流通截面积S=BD(1－)＝0.200×0.500×(1－)＝0.0219㎡壳程流体流速u＝＝＝0.248m/sRe＝＝＝1347.5Pr＝EQ\F(cpμ,λ)＝＝51.56壳程中流体被加热，取（）0.14＝1.05α0＝0.36××1347.50.55×51.561/3×1.05＝473.2W/（㎡·℃）③污垢热阻和管壁热阻查表，管内、外侧热阻分别取Ri＝R0＝0.0003㎡·℃/w，已知管壁厚度δ＝0.0025m，取钢导热系数λ＝45.4W/（m·℃）④总传热系数KK===200.55⑶传热面积校核A‘＝EQ\F(Q,KΔTm)＝＝34.2㎡前已算出换热器的实际传热面积A=40.1㎡则说明该传热器有17％的面积裕度，在10％~25％范围内，能够完成生产任务。Ⅱ、壁温的计算换热器管壁温可由下式估算tw＝已知α1＝α0＝367.4W/(㎡·℃)α2＝αi＝3699W/(㎡·℃)Tm＝0.4T1+0.6T2＝0.4×175＋0.6×130＝148tm＝0.4t2+0.6t1＝0.4×110＋0.6×70＝86换热管平均壁温为tw＝EQ\F(367.4×148＋3699×86,367.4＋3699)＝91.6℃壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即TW＝148℃壳体壁温与传热管壁温之差为Δt＝148－91.6＝56.4由于该温差大于50℃，但由于浮头式换热器管束有一端能自由伸缩的特点，完全消除了温差Ⅲ、核算压力降⑴管程压力降∑ΔPi＝（Δp1＋Δp2）FtNSNP已知Ft＝1.4；NS＝1；NP＝4；μi＝0.175m/s；Rei＝11909(湍流)。对钢管，取管壁粗糙度ε＝0.1EQ\F(ε,di)＝EQ\F(0.1,20)＝0.005由λ—e/d关系图中查得λ＝0.036ΔP1＝＝＝88.7PaΔP2＝＝＝32.8PaΣΔPi＝（88.7+32.8）×1.4×1×4＝680.4pa＜30kPa⑵壳程压力降已知FS＝1.15；NS＝1，有ΣΔP0＝（Δp1＇+Δp2＇）FSNSΔP1＇＝Ff0b(NB+1)管子按正三角形排列F＝0.5，b＝1.1＝1.1＝11.8折流挡板间距B=0折流挡板数NB＝21壳程流通截面积S＇＝B（D－bd0）＝0.2×(0.50－11.8×0.025)＝0.041㎡壳程流速μ0＝＝EQ\F(4.43/815,0.041)＝0.132m/sReo＝＝＝896.5＞500f0＝5.0Reo-0.228＝5.0×896.5-0.228＝1.061所以Δp1‘＝0.5×1.061×11.8×（21+1）×＝978PaΔp2·＝NB（3.5－EQ\F(2B,D)）＝21×（3.5－EQEQ\F(2×0.2,0.50)）×＝403PaΣΔp0＝（978＋403）×1.15×1＝1588Pa＜30Pa计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。7、终选浮头式换热器的主要参数：项目数据项目数据壳径D（DN）500mm管尺寸φ25mm×2.5mm管程数4管长L4.5m管数n116管排列方式正方形错列中心排管数nc9管心距a32mm折流挡板形式弓形壳程数1管程流通面积Si0.0091m传热面积A40.1m列管式换热器课程设计总结“化工原理”是我们化学工程与工艺专业的核心课程之一，仅仅通过课堂教学理论知识是远远不够的，通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我按照任务书一设计了一套换热器设备设计原理和设计图，但是由于目前掌握的知识的局限性，要用于工业生产的话还需加以改造与强化。在设计过程中，我遇到了很多难题，但是通过我坚持不懈的努力与探索都得到了很好的解决。从设计结果可以看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多，壳径也越大，这主要是因为柴油出口温度升高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K。因此换热尺寸增大，金属材料消耗相应增大，通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要，这就需要我们反复进行选择再核算，确定最佳参数。作图时刚开始由于自己完全按照实际尺寸来画的，结果跟其他同学的图一比较，好像比例上搭配的没有那么好看，在较小的图纸上打印出比较清晰的效果要反复修改好多遍才行，但是我一直坚持自己的想法，坚持独立完成，最后终于完成了自己比较满意的作品，虽然不是最好，但是我非常