化工原理课程设计--列管式换热器设计任务书.docx

列管式换热器设计任务书目录一、设计题目1二、设计条件1三、相关物性数据1四、设备形式2五、流动空间安排及流向的选择2六、设计计算31 .热力设计32 .初选换热器规格43 .总传热系数的核算44 .污垢热阻65 .计算总传热系数66 .传热面积裕度67 .壁温计算68 .核算压强降7七、辅助设备的计算及选型9八、设计结果一览表11九、附录12任务书一、设计题目用水冷却25%甘油的列管式换热器设计二、设计条件1 .甘油处理量：夕ZWO=4.5805xlYgz进口温度：T1=I(X)oC出口温度：=40oC压强降：PVIOL3枕。2 .冷却水进口温度：=20出口温度：弓=30压强降：p<03kPa三、相关物性数据1.计算定性温度壳程甘油定性温度：T=MjI=*40。C=70。C22管程循环水定性温度：，="2=空/=25222 .根据定性温度查询相关物性数据如下：(1)甘油70下的物性数据：密度：P=1048kgn3定压比热容：Cp=2651kJ(kgK)热导率：4=0.570W(nK)粘度：A=0.7255×103Pa5(2)循环冷却水在25下的物性数据：密度：p=997.0Ug/疗定压比热容：C=4.119kJ(kgK)热导率：4=0.609W(mK)粘度：=0.90275×104Pas循环冷却水在7。°C下的比热容：C=461kJ/(kg-K)根据C=G7+O(l-7)，其中C是水溶液的比热，G为无水甘油的比热，CB为水的比热，7为溶液中甘油的质量分数，则25%甘油的定压比热容为：CF=Cpi×25%+C1×75%=2.651X0.25+4.67X0.75=3.788ZJ/(ZgK)3 .每年按356天计，每天24小时连续运行。四、设备形式浮头式换热器管束膨胀不受壳体约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。而且在清洗和检修时，仅需将管束从壳体中抽出即可，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。由于该过程温差较大，所以综合各个换热器的特点，确定选用浮头式换热器。五、流动空间安排及流向的选择因被冷却的流体走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。再加上廿油水溶液属于粘度较大的液体，在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，可以提高对流传热系数。另一方面，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降，所以从总体考虑，25%甘油走壳程，循环冷却水走管程。当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。故在此过程中采用逆流。H.n.ryBMA。等.测定皂角甘油中油脂含量的快速方法J.日用化学工业译丛.1998,4(1):40-40六、设计计算1、热力设计（1）传热速率（热负荷）Q已知液体的质量流量夕痴=4.5805xl09gzz,传热的冷、热流体均没有相变化，且忽略热损失，则：Q=qmhCp.（7-7；）=4.5805×104×3.788×（100-40）=1041056Q4。/h（2）冷却水用量10410560 .44.179x10249116 kg!h 91 r1In-Lr2100-40 r=o30-20p 30-20 100-20= 0.125（3）平均温度差与暂按单壳程、多管程，且纯逆流计算，此时:=39.91 (100-30)-(40-20)1100-30In40-20平均传热温差校正系数:因R与P存在°"=（P,R）,按单壳程双管程结构，查有关图表判断流动形式。以1/H代替R,PR代替尸,查同一图线得e4=0.95。由于火,0.8,故应选用逆流传热。表1对数平均温差校正系数为壳侧1程，管侧2程或2程,疗整数0.K0.60.5£、assIss=;二S部.二sw.2,初选换热器规格根据25%甘油的粘度，参照管壳式换热器用作冷却器时，可以将25%甘油看做中有机物，其传热系数K的大致范围290698W(m2K),所以初取K=30W(m2K)f估算传热面积：10410560.4310x39.91x3.6=233.737An2壳径D(mm)1000管子尺寸(mm)025x2.5管长L(m)6管程数Np2管子排列方法正方形45°排列管子总数606中心排管数NC19管程流通面积Cm2)0.0952据此，由换热器系列标准中选定换热器，有关参数见下表:3.总传热系数的核算管程传热系数：水的质量流速：q,=249116kg/h管程流通截面积：c乃42%九八2606八AnS2S=-di=×0.02×=0.0952m4'N,42循环水流速:qv249116÷997.04,八,U=2624.5/nIh=0.7290m/s,则：S0.0952Rei4up_0.02X2624.5÷3600997.040.90275×104161037>10000故该流动属于圆直管内湍流，根据流体无相变时的对流体传热系数表，有陈敏恒，丛德滋，方图南，齐明斋：化工原理(上册)第三版，化学工业出版社2013年版，第299页及203页。马江权，冷一欣：化工原理课程设计第二版，中国石化出版社2014年版，第65页。二().0234(3°SY产di=0.023×0.609z0.02×2624.5÷3600×997.04x08X(7)0.020.90275×W4z3.788×103×0.90275×10'°4×()0.609=3241W(mK)壳程传热系数管心距/=三-=50M+119+1由板间距一般为壳体内径的0.21.0倍，则选择板间距为500mm,流体通过的横截面面积为：A=BZXl）=0.50×LOX（I-2二二）=0.25n2I0.050流速：M0为=458O5±36OO=o.o486ms0.25×1048因为采用正方形45°排列，管间距为50mm时，管群的当量直径:de4«浮)?oJl、4(0.0502一一×0.0252)4=0.102/71×0.025_deu0pl_0.102×0.0486×10480.7255×10-3=7160.8Cplx3.788×103×0.7255×W31=4.8210.570壳程中甘油被冷却,=0.95,则J_ J_KaiAv13241+ 0.00034+1423.61+ 0.00017+0.02517.4八(4D°55n0.33Z"、%=。.36子.60P()deJUw=0.36××716O.8055×4.821033X0.950.102=423.6IWOK)4 .污垢热阻查阅资料得管侧、壳侧的污垢热阻分别取：ri=0.00034m2°CWF=0.00017m2°CW不锈钢管：Av=17.4W/(m)5 .计算总传热系数1M+-+%=4.616×10-3(m2oC)W故.K =-4.616x10-3= 216.6W(m2oC)6 .传热面积裕度计算传热面积S为10410560 .4310×39.91×3.6=233.737 m2根据管子数量为n=606根，则该换热器的实际传热面积:SO=ndL-606×3.14×0.025×6=285.57nr该换热器的面积裕度为口S-S。285.57-233.737iq1.o.ri=Io.13/0SO285.57为保证换热器操作的可靠性，一般使换热器的面积裕度大于15%25%.现在该换热器有18.15%的面积裕度，在15%25%范围，传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。Z壁温计算为检验所选换热器的型式是否合适，是否需要加设温度补偿装置等，所以要进行壁温计算。马江权，冷一欣：化工原理课程设计第二版，中国石化出版社2014年版，第66页，表29(1)换热管壁温已知02=423.61,R=L+4=工+0.00034=0.00069l32411由尸可得：0=38.101Wt(2)管体壁温壳体壁温的计算方法与传热管壁温的计算方法类似。己知/?=+0.00017=+0.00017=2.531×IO-3%423.611TiTwccx根据3TL=U,解得：7Jv=91.30oCAv-tR这里由于传热条件使壳体壁温接近于热流体温度，所以壳体壁温可取壳程流体的温度。且壳体壁温与传热管壁温之差为：r=91.30-38.10=53.2>50该温差大于50,故需要设置温差补偿装置。8.核算压强降(1)管程压力降多管程列管换热器，管程压力降Z巴.=(3+32)4NSNP,为直管中摩擦阻力引起的压力降，计算如下：1 IU2h万£APl=-=i-,其中4=9(Re，7),已求得Rej=I61037,设£=0.01,查OOCl-莫狄图得摩擦阻力系数2=0.03,故:八60.729020.03×X7,=蛔2_=25.12XkPa0.0952弯管阻力引起的压力降：p2=3×(pw2/2)=3×(997.04×0.72902÷2)=794.80耳为结垢校正系数，无因次，0257三x2.5如%的换热管取1.4NS为串联的壳程数，NP为管程数，设计Ns=LNp=2综上，=(25.121+794.80×103)×1.4×2=72.564<101.3管程流体压强在规定范围内。(2)壳程压力降用ESSO法计算，根据公式Za=M'+M)aNs其中，由于循环水是液体，则&=1.15NS=IM'=AM+1呼M=N6(3.53)与管子正方形45°排列,F=0.4nc=19取隔板间距500%,则折流板数目为:6 o3壳程流通面积：111Ao=B(D-ntJ=0.50×(1.0-19×0.025)=0.2625m245805÷36001048×0.2625= 0.04625加 / s1048 ×0.025×0.0462540.7255 ×10=1670,23 > 500符合公式要求。an口，,21、PUI八Zl八MIC,11、l(M8×0.046252= 94.05¾6=FfonC(NB+l)z-=0.4×0.92×19×(ll+1)×fo=5.OReo228=5.0×1670.23-0228=0.92A、-2B、PUISSU2x0.50、1048×0.046252P1=NB(3.5)=12×(3.5)×=33.63Pa2,1.02=(94.05+33.63)×1.15×l=146.832P6z=0.146Cz<1013kPa因此壳程流体阻力在允许范围之内。TC”工艺结构尺寸”fC1"1")TC”估算传热面积”fCI"1"!七、辅助设备的计算及选型1、管箱因为该换热器为固定板式换热器，故采用固定式官箱，造价便宜。2、封头因为DN2400mm,所以采用圆形封头。3、折流板折流板采用缺25%的弓形折流板。h=0.25×100=25Omm"C=19取隔板间距B=500mm,则折流板数目N=传热管长L折流板间距一B一0.504、接管（1）管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速%=2.5ms,则接管内径为zH½4×249116(3600×997.04)MQQldx=-l=Q=0.188m=1SSmmIY叫V2.5万(2)壳程流体进出口接管：取接管内甘油流速2=2.0ms,则接管内径为悭=M×45805(3600x1048)=88m=88_ITiu2V2万查取手册-GB/T8163-2008无缝钢管规格表管程接管的规格选择：219mm×15.5mm壳程接管的规格选择：llmm×l3mm5、导流筒壳程流体的进出口和管板间必须存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进出壳程时必然经过这个空间。6、放气孔、排气孔换热器的壳体上常设有放气孔、排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。见附录。八、设计结果一览表参数管程壳程流率249116Kgh45805KgZh进/出口温度/20/30100/40压力/KPa<1OUkpa<101.3kpa物性定性温度/°C2570密度/(kgm3)997.041048定压比热容/kj/(kgk)4.1792.651粘度/(Pas)0.90275×lO40.7255x10-3热导率(Wmk)0.6090.570设备结构参数形式管板式壳程数1壳体内径mm1000台数1管径mm25×2.5管心距mm50管长mm6000管子排列正方形45°管数目/根606折流板数/个11传热面积/广233.737折流板间距mm500管程数2材质不锈钢主要E卜算结果管程壳程流速/(ms)0.72900.0486表面传热系数/W(m2K)3241423.61污垢热阻/(62."CW)0.000340.00017阻力/Pa72.5640.146热流量/W10410560.4传热温差/°C53.2传热系数/W/(m2K)216.6裕度/%18.15%参考文献IH.H.YBMAH等.测定皂角中油脂含量的快速方法J.日用化学工业译丛.1998,4（1）:4（Mo马江权，冷一欣：化工原理课程设计（第二版），中国石化出版社2014年版陈敏恒，丛德滋,方图南，齐明斋：化工原理（上册）（第二版），化学工业出版社2013年版杨昆，刘伟.一种测量生物组织热导率的新方法切.工程热物理学报2005,26（增刊）：195-198