化工原理课程设计-列管式换热器的设计.doc

化工原理课程设计任务书列管式换热器吉林工程技术师范学院化工原理课程设计说明书设计题目：列管式换热器的设计学 院： 食品工程学院 学生姓名： 专业班级： 生物工程1241 学 号： 08 指导教师： 2014年 6 月 6 日列管式换热器设计任务书一、设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力二、设计目标设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的三、设计题目列管式换热器设计 四、设计任务及操作条件 1. 设计任务 处理能力20000 吨/年 设备型式：列管式 2. 操作条件（1）煤 油：入口温度140; 出口温度40 （2）冷却介质：循环水入口温度 25 ; 出口温度 65 （3）允许压降：不大于0.1MPa（4）煤油定性温度下的物性数据（5）年工作日300天，每天24小时连续运行。五、设计内容1. 设计方案的选择2. 设计计算（1） 计算总传热系数（2） 计算传热面积3. 主要设备工艺尺寸设计 （1）管径尺寸和管内流速的确定 （2）传热面积、管程数、管数和壳程数的确定 4. 换热器核算 5. 设计结果汇总 6. 绘制换热器简图 目 录吉林工程技术师范学院1化工原理课程设计说明书1第一章 概 述11.1换热器的简单介绍11.2本设计的目的和意义1第二章 设计计算32.1确定设计方案32.1.1换热器类型的选择32.1.3流程安排32.1.4流速的选取32.1.5管径的选择42.1.6传热管排列方式42.2确定物性数据42.3计算总传热系数52.4计算传热面积62.5工艺结构尺寸62.6换热器核算82.6.1 热量核算82.6.2换热器内流体的流动阻力10第三章 设计结果汇总123.1换热器主要结构尺寸和计算结果123.2设计图纸13参考文献14评语及成绩15 第一章 概 述1.1换热器的简单介绍换热器是一种实现物料之间热量传递的设备，广泛应用于化工、冶金、电力、食品等行业。在化工装置中换热设备占设备总量的40%左右，占总投资的35%40%。目前，在换热设备中，使用量最大的是列管式换热器，尤其在高温、高压和大型换热设备中占有绝对优势。一般来讲，列管式换热器具有易于加工制造、成本低可靠性高，且能适应高温高压的特点。随着新型高效传热管的不断出现，使得列管式换热器的应用范围得以不断扩大，更增添了列管式换热器的生命力。列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。1.2本设计的目的和意义通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面：（1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。（2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。（3）工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。 通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关啊知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严禁、作风踏实的品格。第二章 设计计算2.1确定设计方案2.1.1换热器类型的选择两流体温度的变化情况：热流体进口温度140出口温度40；冷流体进口温度25，出口温度65，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。在本次设计任务中，两流体的温度情况为：热流体（煤油）出口温度140，出口温度40；冷流体（循环水）进口温度为25，出口温度65。由于冷、热流体间温差较大，则壳体和管束热膨胀程度不同，会已经较大的内应力。2.1.2流动空间的选择从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，循环冷却水走壳程。但由 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贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，煤油走壳程被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。2.1.3流程安排本设计中的两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，冷却水为循环水，而循环水易结垢，为便于清洗，应采用冷却水走换热器的管程，煤油走壳程。2.1.4流速的选取 介质流速 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。故拟取循环水流速为0.5m/s。2.1.5管径的选择管径选取为25*2.5mm2.1.6传热管排列方式采取多管程排列方式，排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示： (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。2.2确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程流体的定型温度为T=管程流体的定型温度为T=根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在90下的有关物性数据如下 循环冷却水在45 2.3计算总传热系数2.3.1热流量Q=mct=2.22（140-40）=6.1710KJ/h=171.30kW2.3.2平均传热温差t=2.3.3冷却用水量=2.3.4总传热系数K管程传热系数。Re=（） =0.023 = 2998.9（m）壳程传热系数先假设壳程传热系数=290 W/（m）。污垢热阻为R=0.000344 mR=0.000172 m管壁的热导系数k=45W/（m）。K=220.8 W/（m）2.4计算传热面积S=考虑15%的面积裕度，S=1.15S=1.1520.80=23.922.5工艺结构尺寸2.5.1 管径和管内流速选用的传热管（碳钢），初取管内流速u=0.5m/s。2.5.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程管传热管数n=根按单程管计算，所需的传热管长度为L= m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。若取传热管长L=6m，换热器管程数为2，则n= 根每程管数为 51/2=26 根管内流速 u= m/s2.5.3 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，双管程结构查温差校正系数图表，可得0.815平均传热温差0.81537.3=30.42.5.4 传热管排列和分程方法采用组合排列，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方型排列。取管心距t=1.25d，则t=1.2525=31.2532 mm横过管束中心线的管数n=1.19=1.19=9 根2.5.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率为0.7，则壳体内径为D= n=1.05=1.0532=287 mm圆整可取D=400 mm2.5.6 折流挡板采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板圆缺高度为壳体内径的35%，则切去的圆缺高度为h=0.35400=140 mm取折流挡板间距B=0.6D，则B=0.6400=240 mm折流挡板数为N=-1= 块折流挡板圆缺面水平装配。2.5.7 接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u=1.0m/s，则接管内径为d=0.035 m圆整后可取内径为45 mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=0.5 m/s，则接管内径为d=0.052 m圆整后取管内径为 65mm。2.6换热器核算2.6.1 热量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流挡板，可采用克恩公式由正三角形排列得当量直径 d= m壳程流通截面积S=BD0.150.021 m壳程流体流速及雷诺数分别为u= m/sRe=普兰特数Pr=粘度校正 （）0.14 =1o=0.36(1029.24)0.55(11.34)1/3=w/(m2C)（3） 管程对流传热系数i=0.023Re0.8Pr0.4管程流通截面积Si=0.7850.022=0.028m2管程流体流速及雷诺数分别为：ui=0.520m/sRe=1.43104普兰特数Pr=4.73i=0.023()(1.43103)0.84.730.4=2822.49w/(m2C)（3）传热系数 1) 传热系数 2) 传热面积 该换热器的实际传热面积为 该换热器的面积裕度为： 该换热器能够完成生产任务。2.6.2换热器内流体的流动阻力管程流动阻力由传热管相对粗糙度，查莫迪图得,流速，所以管程流动阻力在允许范围之内。壳程流动阻力流动流经管束的阻力流体流过折流挡板缺口阻力B=0.18m,D=0.3m总阻力壳程流动阻力在合理压力降范围之内。第三章 设计结果汇总3.1换热器主要结构尺寸和计算结果设备名称煤油冷却器形式 固定管板式换热器设备位号换热面积：工艺参数序号名称单位壳程管程1物料名称煤油循环冷却水2设计压力MPa(G) 0.70.43设计温度C120804操作压力MPa(G)0.50.25操作温度C140进/40出25进/65出6流量kg/h5555.6147747密度kg/m3825995.78比热容kJ/(kgC)2.224.1749热负荷kJ/h616666.610平均温差C37.311传热系数w/(m2C)2998.912程数1213材质C.SC.S14直径mm400252.515长度mm600016压降kPa0.40.54717管子规格51根，管间距32mm,排列18折流挡板规格39块，单弓形，立式，间距240mm,切口高度35%19说明：参照标准固定管板式换热器型式与基本参数3.2设计图纸1:100序号ABCDFGHJ600045001501005080240400 参考文献1.上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).化学工业出版社，19862.尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，19813.时钧，汪家鼎等.化学工程手册，化学工业出版社