1、課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱化工原理課程設(shè)計(jì)題目名稱列管式換熱器設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)08食品科學(xué)與工程（1）班學(xué)生姓名余振宇學(xué) 號(hào)50806021033指導(dǎo)教師趙大慶二O一一年 一 月 一 日 目錄一、化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū).二、確定設(shè)計(jì)方案.1.選擇換熱器的類型 2.管程安排3、 確定物性數(shù)據(jù).4、 估算傳熱面積. 1.熱流量 2.平均傳熱溫差 3.傳熱面積 4.冷卻水用量5、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸. 1.管徑和管內(nèi)流速 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 3.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 4.傳熱管排列和分程方法 5.殼體內(nèi)徑 6.折流擋板 7.其他附件 8.接管6、 換熱器核算. 1.熱流量核算 2.壁溫計(jì)算 3.換熱器內(nèi)流體

2、的流動(dòng)阻力7、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 8、 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸.九：換熱器的設(shè)計(jì)與心得.附 參考文獻(xiàn).設(shè)計(jì)任務(wù)與條件 某生產(chǎn)過(guò)程中，反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進(jìn)一步冷卻至60之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混合氣體的流量為6.3104kg/h，壓力為6.9Mpa。循環(huán)冷卻水的壓力為0.4Mpa，循環(huán)水的入口溫度為29，出口溫度為39，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。經(jīng)查得混合氣體在85下有關(guān)物性數(shù)據(jù)： 密度1=90kg/m3,定壓比熱容Cp1=3.297kJ/(kg*)；熱導(dǎo)率1=0.0279W/(m*)；粘度1=1.510-5pa*s。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、確

3、定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度110 出口溫度60；冷流體進(jìn)口溫度29，出口溫度為39，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2.管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。二、計(jì)算定性溫度，確定流體特性 定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= =85 管程流

4、體的定性溫度為T=根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 混和氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 定壓比熱容 =3.297kJ/kg* 熱導(dǎo)率 =0.0279w/m* 粘度 =1.510-5Pa*s循環(huán)水在34 下的物性數(shù)據(jù)： 密度 =994.3/m3 定壓比熱容 =4.174kJ/kg*K 熱導(dǎo)率 =0.624w/m*K 粘度 =0.74210-3Pa*s三、計(jì)算熱負(fù)荷和載熱體用量1.熱負(fù)荷： Q=630003.297(110-60)=1.04107kJ/h =2884.9kw2. 冷卻水用量Wc=Q/cpc(t2-t1)= 1.041074.174(39-29)=2491

5、611kg/h四、按逆流初算傳熱平均溫度差 1=5、 初選傳熱系數(shù)和計(jì)算傳熱面積1. 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=320W/(k)2. 估算的傳熱面積為： A1=Q（Ktm1）=672.88m2 考慮 10%20%的安全系數(shù)A=A11.1=740.17m2六、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1管徑和管內(nèi)流速 選用252.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=1.2m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) Ns= 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 L= 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=10m，則該換熱器的管程

6、數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) NT=1855=925 根 3. 傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)： R= P=按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：圖4-25（a）得： 平均傳熱溫差 K 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。見(jiàn)【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P86圖1-80。 取管心距a=1.25d0，則 a=1.2525=31.2532管束最外層管子的中心與殼體內(nèi)表面的距離： S=a/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44

7、。見(jiàn)【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P8表1-21管程數(shù)的確定，每程各有傳熱管185根，其前后管程中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P87圖1-81選取。橫過(guò)管中心線的管數(shù)：Nc=1.19925=36根5殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行殼體內(nèi)徑估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內(nèi)徑為： D=1.05a按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=1200mm筒體直徑校核計(jì)算：殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達(dá)式為： 管子按正三角形排列：取b=1.2=1.225=30mm=32 （34-1）+2 30 =1116mm 按殼

8、體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸進(jìn)行圓整：=1200mm6折流擋板 采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 h=0.251200=300m，故可取h=300mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.31200=360mm，可取B為360mm。折流板數(shù)目 【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P887、 換熱器核算1熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算，見(jiàn)式【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：式（4-41b）： 當(dāng)量直徑，依【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：式（4-43）得 = 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普朗特?cái)?shù) 粘度校正 （2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠?/p>

9、系數(shù)： 管程流體流通截面積： 管程流體流速： 雷諾數(shù)： 普朗特?cái)?shù)： （3） 污垢熱阻取： 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P56表1-6 管壁熱阻按【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理】：附錄11查得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(mK)。所以（4） 傳熱系數(shù)有： 【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P55（5） 傳熱面積裕度： 計(jì)算傳熱面積Ac：該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：該換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.壁溫計(jì)算 式中液體的平均溫度T和氣體的平均溫度分別計(jì)算為 T=(39+29)/2=34 t=(110+60)/2=85 5858w/K

10、625w/K 傳熱管平均壁溫 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。1換熱器內(nèi)壓力降的計(jì)算（1）管程流體阻力 , , 由Re=34841，傳熱管對(duì)粗糙度0.01，查莫狄圖:【化學(xué)工業(yè)出版社流體輸送與非均相分離技術(shù)】：P78圖1-82得，流速 u=1.3m/s, 所以： 對(duì)于252.5傳熱管，F(xiàn)t=1.4 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2） 殼程阻力： 按式計(jì)算（埃索法） , , 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 (fo-殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re500時(shí)，) 0

11、.50.241936(19+1)=24492Pa 流體流過(guò)折流板缺口的阻力 , B=0.36m , D=1.2mPa 總阻力24492+15496=39988Pa10kpa 由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。 參數(shù)管程殼程流率2491616.3104進(jìn)/出口溫度/29/39110/60壓力/MPa0.46.9 物 性定性溫度/3485密度/（kg/m3）994.390定壓比熱容/kj/（kgK）4.1743.297粘度/（Pas）0.7421.5熱導(dǎo)率（W/mK） 0.6240.0279 【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P35八、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下

12、表： 設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù)形式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/1200殼程數(shù)1管徑/252.5管心距/32管長(zhǎng)/8000管子排列正三角形排列管數(shù)目/根925折流板數(shù)/個(gè)19傳熱面積/624.23折流板間距/400管程數(shù)5材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.32.5表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（K）5858625污垢熱阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.044690.03998傳熱溫差/K46傳熱系數(shù)/W/（K）303裕度/% 47%九、 換熱器設(shè)計(jì)的收獲與心得：列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì),流動(dòng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中熱力設(shè)計(jì)極為重要。不僅在設(shè)計(jì)一臺(tái)新的換熱器時(shí)需

13、要進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)，而且對(duì)于已生產(chǎn)出來(lái)的，甚至已投入使用的換熱器在檢驗(yàn)他是否滿足使用要求時(shí)，均需進(jìn)行這方面的工作。在換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,我感覺(jué)我的理論運(yùn)用于實(shí)際的能力得到了提升，主要有以下幾點(diǎn)： (1)掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集)的能力； (2)樹(shù)立了既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力； (3)培養(yǎng)了迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力； (4)學(xué)會(huì)了用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。從設(shè)計(jì)結(jié)果可看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越

14、大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多、殼徑越大，這主要是因?yàn)樗某隹跍囟仍龈撸偟膫鳠釡夭钕陆担該Q熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應(yīng)增大.通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟(jì)投入，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇十分重要.設(shè)計(jì)的具體思路：(1)根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案(2)初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸(3)核算換熱器的傳熱面積和流體阻力(4)確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)當(dāng)然也要基于實(shí)際情況進(jìn)行操作，從而使得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)盡量完美，合理。附 參考文獻(xiàn)： 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查【國(guó)防工業(yè)出版社化工原理（第二版）】：圖4-25（a）得 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。見(jiàn)【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P86圖1-80。見(jiàn)【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P8表1-21管程數(shù)的確定其前后管程中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P87圖1-81選取。【化學(xué)工業(yè)出版社傳熱應(yīng)用技術(shù)】：P88折流板數(shù)目查莫狄圖:【化學(xué)工業(yè)出版社流體輸送與非均相分離技術(shù)】：P78圖1-82得，流速 u=1.3m