1、熱工原理課程設計PAGE PAGE 12一設計任務和設計條件 TC 設計任務和設計條件 f C l 1 某生產過程的流程如圖所示，反應器的混合氣體經與進料物流患熱后，用循環冷卻水將其從90進一步冷卻至30之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。循環水的入口溫度為30，出口溫度為50 ，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產任務。物性特征：煤油在60下的有關物性數據如下（來自生產中的實測值）： 密度 定壓比熱容 =2.22kj/kg 熱導率 =0.14w/m粘度 循環水在40 下的物性數據： 密度=992.2/m3定壓比熱容=4.174kj/kg 熱導率 =0.64w/m粘度 確定設計方案 TC 確定設

2、計方案 f C l 1 選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度90 出口溫度30；冷流體進口溫度30，出口溫度為50，該換熱器用循環冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計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。管程安排從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環冷卻水走殼程。但由于循環冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應使循環水走管程，混和氣體走殼程。確定物性數據 TC 確定物性數據 f C l 1 1定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取煤油進出口溫度的平

3、均值。故殼程煤油的定性溫度為 T= =60 管程流體的定性溫度為t=2物性數據根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。對煤油來說，最可靠的無形數據是實測值。若不具備此條件，則應分別查取混合無辜組分的有關物性數據，然后按照相應的加和方法求出煤油的物性數據。 煤油在60下的有關物性數據如下（來自生產中的實測值）： 密度 定壓比熱容 =2.22kj/kg 熱導率 =0.14w/m粘度 =8.6610-4Pas循環水在40 下的物性數據： 密度=992.2/m3 定壓比熱容=4.174kj/kg 熱導率 =0.64w/m粘度 =0.65310-3Pas估算傳熱面積 TC 估算傳熱面積 f

4、C l 1 熱流量 TC 熱流量 f C l 2 Q1=18939.42.22(90-30)/3.4 =700757.43kw2.平均傳熱溫差 TC 平均傳熱溫差 f C l 2 先按照純逆流計算，得 =3.傳熱面積 TC 傳熱面積 f C l 2 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=320W/(k)則估算的傳熱面積為 Ap=4.冷卻水用量 TC 冷卻水用量 f C l 2 m=工藝結構尺寸 TC 工藝結構尺寸 f C l 1 1管徑和管內流速 TC 管徑和管內流速 f C l 2 選用252.5較高級冷拔傳熱 管（碳鋼），取管內流速u1=1m/s。2管程數和傳熱管數 TC 管

5、程數和傳熱管數 f C l 2 可依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數下 Ns=按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L=按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據本設計實際情況，采用非標設計，現取傳熱管長l=6m，則該換熱器的管程數為 Np=傳熱管總根數 Nt=295=1453.平均傳熱溫差校正及殼程數 TC 平均傳熱溫差校正及殼程數 f C l 2 平均溫差校正系數按式（3-13a）和式（3-13b）有 R= P=按單殼程，雙管程結構，查圖3-9得 平均傳熱溫差 由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法 TC 傳熱管排列和分程方法

6、 f C l 2 采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。見圖3-13。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.2525=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。管數的分成方法，每程各有傳熱管27根，其前后關鄉中隔板設置和介質的流通順序按圖3-14選取。5殼體內徑 TC 殼體內徑 f C l 2 采用多管程結構，殼體內徑可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.7 ，則殼體內徑為 D=1.05t按卷制殼體的進級檔，可取D=500mm6折流板 TC 折流板 f C l 2 采用弓形

7、折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為 H=0.25500=125m，故可取h=150mm取折流板間距B=0.4D，則 B=0.4500=200mm，可取B為200mm。折流板數目NB=折流板圓缺面水平裝配，見圖3-15。7其他附件 TC 其他附件 f C l 2 拉桿數量與直徑按表3-9選取，本換熱器殼體內徑為1400mm，故其拉桿直徑為12拉桿數量不得少于10。殼程入口處，應設置防沖擋板，如圖3-17所示。8接管 TC 接管 f C l 2 殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為u1=10m/s，則接管內徑為圓整后可取管內徑為300mm。管程流體進出口接管：取接

8、管內液體流速u2=1.5m/s，則接管內徑為圓整后去管內徑為80mm換熱器核算 TC 換熱器核算 f C l 1 熱流量核算 TC 熱流量核算 f C l 2 （1）殼程表面傳熱系數 TC （1）殼程表面傳熱系數 f C l 3 用克恩法計算，見式（3-22） 當量直徑，依式（3-23b）得 =殼程流通截面積，依式3-25 得 殼程流體流速及其雷諾數分別為 普朗特數 粘度校正 （2）管內表面傳熱系數 TC （2）管內表面傳熱系數 f C l 3 按式3-32和式3-33有 管程流體流通截面積管程流體流速 普朗特數 （3）污垢熱阻和管壁熱阻 TC （3）污垢熱阻和管壁熱阻 f C l 3 按表3

9、-10，可取管外側污垢熱阻管內側污垢熱阻管壁熱阻按式3-34計算，依表3-14，碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(mK)。所以（4） 傳熱系數 TC （4） 傳熱系數 f C l 3 依式3-21有 傳熱面積裕度 TC （5）傳熱面積裕度 f C l 3 依式3-35可得所計算傳熱面積Ac為該換熱器的實際傳熱面積為Ap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任務。壁溫計算 TC 壁溫計算 f C l 2 因為管壁很薄，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式3-42計算。由于該換熱器用循環水冷卻，冬季操作時，循環水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循環冷卻水進口溫度為30，出口溫度為

10、50計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，按式4-42有 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為 0.450+0.630=24.6 (90+30)/2=60 4698w/k 687.93w/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，故需要設溫度補償裝置。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。3換熱器內

11、流體的流動阻力 TC 換熱器內流體的流動阻力 f C l 2 （1）管程流體阻力 TC （1）管程流體阻力 f C l 3 , , 由Re=28565.64，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖得，流速u=0.94m/s,所以， 管程流體阻力在允許范圍之內。（2）殼程阻力 TC （2）殼程阻力 f C l 3 按式計算 , , .15流體流經管束的阻力 F=0.5 0.50.70113.25(29+1)=4883.31Pa流體流過折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.5mPa總阻力4883.31+2716.32=7599.4Pa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

12、適宜。（3）換熱器主要結構尺寸和計算結果 TC （3）換熱器主要結構尺寸和計算結果 f C l 3 見下表：參數管程（水）殼程（煤油）流率898560227301進/出口溫度/30/5090/60壓力/MPa0.46.9物性定性溫度/4060密度/（kg/m3）992.2825定壓比熱容/kj/（kgk）4.1742.22粘度/（Pas）0.6538.66熱導率（W/mk） 0.6240.14普朗特數4.2513.6設備結構參數形式浮頭式殼程數1殼體內徑/500臺數1管徑/252.5管心距/44管長/6000管子排列管數目/根145折流板數/個29傳熱面積/68.295折流板間距/200管程數

13、5材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）0.940.29表面傳熱系數/W/（k）4698687.93污垢熱阻/（k/W）0.000340.00034阻力/ Pa6203.324883.31熱流量/KW700.757傳熱溫差/K36.41傳熱系數/W/（K）400.7裕度/%21.15%工藝設計主要符號說明1.英文字母折流板間距，系數，無量綱管徑，換熱器外殼內徑，摩擦系數系數圓缺高度，總傳熱系數，管長，程數指數；管數；程數管數；程數折流板數努塞爾特準數壓力，；因數普蘭特準數熱通量，傳熱速率， 半徑，熱阻，雷諾準數傳熱面積，冷流體溫度，；管心距，平均傳熱溫差，流速，質量流量，2.下標冷流體熱流體管內平均管外污垢3.希臘字母對流傳熱系數， 有限差值導熱系數，粘度，密度，校正系數參考文獻 TC 七