1、Harbin Institute of Technology課程設計說明書（論文）課程名稱： 化工原理 設計題目： 列管換熱器的設計與選用 院 系： 化工與化學學院 班 級： 2333333 設 計 者： 吉安娜 學 號： 2333333333 指導教師： 徐衍嶺 設計時間： 2016年11月11日 （僅供交流學習之用，請在下載后24h內刪除）哈爾濱工業大學哈爾濱工業大學課程設計任務書 姓 名：吉安娜 院 （系）：化工與化學學院 專 業：占卜學 班 號：23333333 任務起至日期： 2016年 11 月 01 日至 2016 年 11 月 17 日 課程設計題目： 列管換熱器的設計與選用

2、已知技術參數和設計要求：1. 處理能力：10.125×104噸/年（年開工天數300天，每天開工24小時）2. 操作條件：溫度：苯：入口溫度：80  出口溫度：40水：入口溫度：25  出口溫度：30（25+510）允許壓力：不大于60KPa3. 設備型式：列管式換熱器 工作量： 工作計劃安排： 同組設計者及分工： 指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務書由課程設計指導教師填寫。哈爾濱工業大學課程設計說明書（論文）一、 設計條件4. 處理能力：10.125×104噸/年（年開工天數300天，每天開工24小時

3、）5. 操作條件：溫度：苯：入口溫度：80  出口溫度：40水：入口溫度：25  出口溫度：30（25+510）允許壓力：不大于60KPa6. 設備型式：列管式換熱器二、 設計方案1. 估算傳熱面積，初選換熱器型號1) 確定出口溫度一般來說，設計時冷卻水兩端溫度差可取為510。缺水地區選用較大的溫度差，水資源豐富地區選用較小的溫度差。哈爾濱地處北方，水資源相對缺乏，故選擇冷卻水較大的溫度差10，即冷卻水的出口溫度為35。2) 基本物理性質數據冷卻介質為循環水，取入口溫度為：25，出口溫度為：35苯的定性溫度：Tm=80+402=60水的定性溫度：tm=(25+35)2=30

4、兩流體的溫差：Tm-tm=60-30=30查表，知兩流體在定性溫度下的物性數據如下：表1. 苯和水在定性溫度下的物性數據流體名稱密度/m3比熱KJ/(·)粘度 mPa·s導熱系數W/(m·)苯836.61.8280.3810.151水996.354.1760.8520.6133) 計算熱負荷（不計熱損失） 苯的質量流量qm1=10.125×104×103300×24=14062.5Kgh 熱負荷Q=qm1cp1T1-T2=14062.53600×1.828×103×80-40=2.86×105W

5、 冷卻水消耗量qm2=Qcp2(t2-t1)=2.86×105×36004.176×103×35-25=2.47×104Kgh4) 確定流體的流徑該設計任務的熱流體是苯，冷流體為水，本換熱器處理的是兩流體均不發生相變的傳熱過程，為使苯通過殼壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果，且水易結垢，令苯走殼程，水走管程。5) 計算平均溫度差暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時平均溫差。苯 80 40 t1=T1-t2=80-35=45冷卻水 35 25 t2=T2-t1=40-25=15t1t2=4515=3>2故 tm逆=t1-t2lnt1t2=T1-t

6、2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1=80-35-(40-25)ln80-3540-25=27.31計算R和PR=T1-T2t2-t1=80-4035-25=4 P=(t2-t1)(T1-t1)=(35-25)（80-25）=0.18由書本P147圖4-25（a）查得溫度校正系數=0.90，又>0.8，故單殼程、雙管程可行，其平均溫度差如下tm=tm逆=0.90×27.31=24.5796) 選取總傳熱系數，估算傳熱面積參考書本P152表4-7，選用總傳熱系數K估=500W/(m2K)，則A估=QK估tm=2.86×105500×24.579=23.2

7、7m27) 初選換熱器型號由于兩流體溫差Tm-tm=60-30=30<50，且允許壓強降不大于50kPa，故可選擇固定管板式換熱器。 流程的選定由于循環冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，選定循環水走管程；為了便于苯的散熱，減少冷卻劑用量，選定苯走殼程。 流體流速的選擇由書上P174表4-9、表4-10可知：水為易結垢液體，且在定性溫度下，水的粘度 w=0.852mPas<1mPas，故流速取值范圍為1m/s2.4m/s，取流速為u1=1.8m/s 換熱管規格和排列方式a) 管徑的選取由于水易結垢，考慮管束的清洗方便，且為了避免管子堵塞，選定管徑為25mm×2.5mm的熱交換

8、用普通無縫鋼管。其內徑d1=0.025-2×0.0025=0.02m，外徑d2=0.025mb) 管子根數的計算由冷卻水的消耗量qm2=2.47×104Kgh，可知冷卻水的體積流量為qv=qm=2.47×104996.35=24.79m3/h又qv=n'4d12u1=n'×4×0.022×1.8×3600=24.79m3/h可求得n'=13根c) 管長的計算由管子根數和估算的傳熱面積可求管長為L'=A估n'd2=23.27×13×0.025=23m若用4管程，則每管

9、程的管長選用l=6000mm。d) 管子的排列方法考慮管外清洗方便，且傳熱效果較好，選用正方形錯列，即將管束斜轉45°安裝。管中心距t=32mm。 折流擋板的選定折流擋板間距取 h=300mm，故折流擋板數NB=lh-1=60.30-1=19塊。 初選換熱器型號由換熱器系列標準初選固定管板式換熱器的管總數N=76根，故每管程的管數n=76/4=14根。傳熱面積 A選=35m2。其主要參數如下表2. 初選固定管板式換熱器的主要參數殼徑DN/400管子尺寸/25×2.5管程數4管長/m6管子總數/根76管子排列方法正方形錯列每管程的管數/根14折流擋板間距/mm300管中心距/

10、mm32折流擋板數/塊19三、 工藝核算1. 核算壓強1) 管程壓強降Pi=（P1+P2）FtNpNsFs：結垢校正系數，無因次，25x2.5mm的換熱管取1.4；Np：管程數=4；Ns：殼程數=1管程流通面積: Ai=4d12nNP=4×0.022×764=0.0060m2管程流速: ui=qVAi=24.790.0060×3600=1.15m/s 管內雷諾數: Rei=d1ui=0.02×1.15×996.350.852×10-3=2.69×104>104 (湍流)取管壁粗糙度=0.1mm，d1=0.120=0.0

11、05，由關系圖中查得=0.036，所以P1=Ld1ui22=0.036×60.02×996.35×1.1522=7.12PaP2=3ui22=3×996.35×1.1522=1.98Pa管程壓強降：Pi=（P1+P2）FtNpNs=7.12+1.98×1.4×4×1=50.96Pa<60KPa故管程壓強降50.96Pa<60KPa，符合工藝要求。2) 殼程壓強降P0=（P1+P2）FtNsFt為結垢校正系數，無因次。對液體Ft=1.15，對氣體Ft=1.0，故本設計中Ft=1.15；Ns=1 流經管束的

12、阻力P1=Ff0nc(NB+1)u022a) 因為管子為正方形斜轉45°排列，故b) 取折流擋板間距h=0.30m，故NB=Lh-1=60.30-1=19塊c) nc=1.1n=1.17610d) 流速u根據流體流過的最大截面積Smax計算：殼程流通面積：A0=0.30*0.4(1-0.0250.032)=0.026m2殼程流速：u0=qVA0=qm1A0=14062.53600×836.6×0.026=0.180m/s當量直徑： =0.027m殼內雷諾數：Re0=d2u0=0.027 ×0.180×836.60.381×10-3=1

13、0671.59>2000（湍流）故殼程流體摩擦因數：f0=5.0×Re0-0.228=5.0×10671.59-0.228=0.603所以P1=Ff0ncNB+1u022=0.4×0.603×10×19+1×836.6×0.18022=653.79Pa 流體流經折流板口的阻力P2=NB3.5-2hDu022=19×3.5-2×0.30.4×836.6×0.18022=515.01Pa 殼程壓強降：P0=P1+P2FtNs=653.79+515.01×1.15×

14、1=1344.12Pa<60KPa故殼程壓強降1344.12Pa<60KPa，符合工藝要求。計算表明，管程和殼程的壓強降都能滿足設計的要求。2. 核算換熱器總傳熱系數1) 管程對流傳熱系數已算出Rei=2.69×104故Pri=Cp=4.176×103×0.852×10-30.613=5.804i=0.023dRei0.8Pri0.4=0.023×0.6130.02×(2.69×104）0.8×5.8040.4=4982.54Wm-2K-12) 殼程對流傳熱系數0=0.36dRei0.55Pri13(w

15、)0.14已算出Re0=10671.59故Pr0=Cp=1.828×103×0.381×10-30.151=4.61 粘度校正 ()1故0=0.36deRei0.55Pri13(w)0.14=0.36×0.1510.027×10671.590.55×4.611/3×10.14=550.40Wm-2K-13) 參考教材附錄，管內、外側污垢熱阻分別取為：Rsi=0.26×10-3m2KW-1 Rs0=0.176×10-3m2KW-14) 總傳熱系數忽略管壁熱阻時，總傳熱系數如下：Ke=110+Rs0+Rsid

16、0di+d0idi=11550.40+0.176×10-3+0.26×10-30.0250.02+0.0254982.54×0.02=389.30(Wm-2K-1)由前面的計算知，在規定的流動條件下，計算出的Ke=398.90(Wm-2K-1)，而所選用換熱器的總傳熱系數為K=QA選tm=2.86×10535×24.579=332.46(Wm-2K-1)，故所選擇的換熱器是合適的。其安全系數為389.30-332.46332.46×100%=17.10%（滿足要求，在范圍之內：10%25%）3. 核算換熱器傳熱面積A=QKtm=2.8

17、6×105389.30×24.579=29.89m2與原估值基本相符，且A選A=3529.89=1.17，即與所選換熱器的面積A選=35m2相比較，有17%的裕量。滿足要求，在范圍之內：10%25%。綜上計算表明，所選換熱器的規格可用。四、 設計結果一覽表換熱器主要結構尺寸和計算結果參數管程（冷卻水）殼程（苯）流量/(kg/h)2.47×1041.41×104進/出口溫度/25/3540/80壓強降MPa60kPa物性定性溫度/3060密度/（kg/m3）996.35836.6定壓比熱容/kJ/（kg）4.1761.828黏度/（Pas）0.852×0.381×導熱系數/（