换热器课程设计--列管式换热器设计

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课程设计课程名称化工原理课程设计题目名称列管式换热器设计专业班级学生姓名学号成绩2013年6月23日 目录1.课程设计任务书…………………………………………………………………12.课程设计设计说明书………………………………………………………………32.1确定设计方案………………………………………………………………32.1.1选择换热器的类型……………………………………………………32.1.2流动空间及流速的确定…………………………………………………32.2确定物性数据………………………………………………………………33.1计算传热系数…………………………………………………………………43.1.1热流量……………………………………………………………………43.1.2平均传热温度差…………………………………………………………43.1.3循环冷却水用量…………………………………………………………43.1.4总传热系数K………………………………………………………………44.1计算传热面积…………………………………………………………………55.1工艺结构尺寸………………………………………………………………55.1.1管径和管内流速…………………………………………………………55.1.2管程数和传热管数………………………………………………………55.1.3平均传热温差校正及壳程数……………………………………………65.1.4传热管排列和分程方法…………………………………………………65.1.5壳体内径…………………………………………………………………65.1.6折流板……………………………………………………………………65.1.7接管………………………………………………………………………76.1换热器核算…………………………………………………………………76.1.1热量核算…………………………………………………………………76.1.2换热器内流体的流动阻力……………………………………………107.1换热器主要结构参数及附图…………………………………………………113参考文献………………………………………………………………………12-13- 《化工原理课程设计》任务书一、设计题目列管式换热器设计二、设计任务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换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃，之后进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为5×104㎏/h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29℃，出口温度为39℃，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。三、设计原始资料（技术参数）混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度恒压比热容=3.297kJ/(kg.℃)导热系数=0.0279w/(m.℃)粘度循环水在34℃下的物性数据：密度=994.3㎏/m3恒压比热容=4.174kJ/(kg℃)导热系数=0.624w/(m℃)粘度四、工作计划-13- 1、领取设计任务书，查阅相关资料（1天）；2、确定设计方案，进行相关的设计计算（2天）；3、校核验算，获取最终的设计结果（1天）；4、编写课程设计说明书（论文），绘制草图等（1天）。五、设计成果要求1、通过查阅资料、设计计算等最终提供课程设计说明书（论文）电子稿及打印稿1份，并附简单的设备草图。2、课程设计结束时，将按以下顺序装订的设计成果材料装订后交给指导教师：（1）封面（具体格式见附件1）（2）目录（3）课程设计任务书（4）课程设计说明书（论文）（具体格式见附件2）（5）参考文献（6）课程设计图纸（程序）六、几点说明1、本设计任务适用班级：2011生物工程（本）1班其中：学号1-11号，M=1.2；学号12-22号，M=3.0；学号23-33号，M=5.0。2、课程设计说明书（论文）格式也可参阅《蚌埠学院本科生毕业设计（论文）成果撰写规范》中的相关内容。-13- 课程设计说明书㈠确定设计方案1.选择换热器的类型两流体温度变化：热流体进口温度110℃，出口温度60℃；冷流体（循环水）进口温度29℃，出口温度39℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定板管式换热器。2.流动空间及流速的确定由于循环冷却水极易结垢，为便于水垢清洗；被冷却的流体宜走壳程，便于利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果，综合考虑，使循环水走管程，热空气走壳程。热空气和冷却水逆向流动换热。㈡确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程热空气的定性温度为管程流体的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。热空气在6.9MPa，85℃下的有关物性数据如下：密度ρi=90kg/m³定压比热容cpi=3.297kJ/(kg·℃)导热系数λi=2.79×10-2W/(m·℃）黏度μi=1.5×10-5Pa·s循环水在0.4MPa，34℃下的有关物性数据如下：密度ρo=994.3kg/m³定压比热容cpo=4.174kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.624W/(m·℃）黏度μ0=74.2×10-5Pa·s-13- ㈢计算传热系数1.热流量Qi=miCpi(T1－T2)=50000/3600×3.297×103×（110-60）=2289.58×(w)2．平均传热温度差3．循环冷却水用量mo==2289.58×103/[4.174×103×(39-29)]=54.85(kg/s)4.总传热系数K管程传热系数壳程传热系数假设壳程的传热系数λ0=390W/(m2·℃)污垢热阻热空气侧的热阻Rsi＝0.m2·℃/W冷却水侧的热阻Rso＝0.m2·℃/W钢的导热系数λ＝45W/(m·℃)-13- =281.1W/(m·℃)(四)计算传热面积考虑15％的面积裕度，S=×1.15=195.2（）(五)工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用φ25×2.5mm的传热管(碳钢管)，可设管内冷却水流速ui＝1m/s。2.管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数按单程管计算，所需的传热管长度为按单管程设计，传热管过长,宜采用多管程结构。现取传热管长l=6m，则该换热器管程数为Np=L/l=17.7/6≈4(管程）传热管总根数N=176×4=704（根）3.平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R==P==按单壳程、四管程结构，温差校正系数查教材图可得=0.95-13- 平均传热温差=(℃)4.传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25，则：t=1.25×25≈31.25＝32（mm）横过管束中心线的管数：5.壳体内径采用单管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为：圆整可取D=1100mm6.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×1100=275mm，故可取h=2750mm.取折流板间距B=0.3D，则：B=0.3×1100=330（mm）为了便于制造和维修，减小阻力，取B为300mm。折流板数折流板圆缺面水平装配。7.接管壳程流体进出口接管：取接管内热空气流速为u=20m/s，则接管内径为取标准管径为108mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为-13- 取标准管径为245mm。(六）换热器核算1.热量核算⑴壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用Kern公式：①水做冷却剂时，粘度校正为②当量直径，管子为正三角形排列时de＝＝＝0.020（m）③壳程流通截面积So=BD(1－)=0.3×1.1×（1－0.25/0.38）＝0.0722（）④壳程热空气的流速及其雷诺数分别为⑤普朗特准数-13- 因此，壳程水的传热膜系数为(2)管程对流传热系数①管程流通截面积②管程循环水的流速及其雷诺数分别为③普朗特准数因此，管程循环水的传热膜系数(3)总传热系数Kil冷却水侧的热阻Rso＝0.m2·℃/Wl热空气侧的热阻Rsi＝0.m2·℃/Wl钢的导热系数λ＝45W/(m-·℃)根据-13- =350.7W/(m2·℃)此计算值与前面的初设值Ki‘=156.3W/(m2·℃)的关系：满足换热器设计所要求的Ko/Ki‘=1.248(1.15,1.25)，初选的换热器合适。(4)传热面积Si＝Qi/(△tm)＝2289.58×103/（350.7×48）＝136.0(m2)该换热器的实际传热面积SpSp==3.14×0.02×(6-0.06)×（704-32）=250.7(m2)面积裕度为=（250.7-136.0）/136.0=84.3％由于所用管程数取值与所求相差大，故换热器裕度较大。2.换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力总压降：∑△pi＝（△p1+△p2）FtNsNpNs=1Np=4Ft=1.4①直管部分的压降△p1=由管内流体：Re=13373,传热管相对粗糙度e/d=0.1/20=0.005查莫狄摩擦系数图，得：λi=0.028-13- ②弯管回路中的压降因此总压降为∑△pi＝（△p1+△p2）FtNsNp=（1039.8+371.4）×1.4×4×1=7902.7Pa<100kPa管程流动阻力在允许范围之类。（2）壳程阻力总压降：∑△po＝（△，p1＋△’p2）FsNsNs=1Fs=1.0①流体横过管束的压降△’p1=Ffonc(NB+1)其中：F=0.5fo=5.0×(）-0.228=0.292nc=32NB=19uo=2.138m/s△’p1=0.5×0.292×9×(19+1)×(90×2.1382)/2＝600.6（Pa）②流体流过折流板缺口的阻力△’p2＝NB（3.5－）B=0.30mD=1.10m因此总阻力∑△po=(100.6+9415.3）×1×1=10015.9Pa<100kPa壳程流动阻力也比较适宜。-13- （3）换热器主要结构尺寸、计算结果及附图如下表所示表换热器主要结构参数、计算结果及附图换热器型式：固定管板式管口表参数换热面积/m2:250.7管号尺寸用途连接型式工艺参数aDN245循环水入口平面名称管程壳程bDN245循环水出口平面物料名称循环水混合空气cDN108热气体入口凹凸面操作压力/MPa0.46.9dDN108热气体出口凹凸面操作温度（进/出）/℃29/39110/60附图流量/(kg/s)54.8513.89流体密度/(kg/m3)994.390流速/(m/s)0.4992．138传热量/kW2289.58总传热系数/[W/(m2·K)]350.7对流传热系数/[W/(m2·K)]2734578污垢热阻/[m2·K/W]0.0.阻力降/KPa7.90310.016程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格管数48管长/mm6000Ф25×2.5管间距/mm排列方式正三角形32折流板型式间距/mm300切口高度25％上下壳体内径/mm110084.3-13- 传热面积裕度/%参考文献-13- -14-