化工原理循环水冷却器设计课程设计任务书.doc

化工原理循环水冷却器设计课程设计任务书传热过程是化工生产过程中存在的极其普遍的过程，实现这一过程的换热设备却种类繁多，形式多样。按换热设备的传热方式划分主要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单，制造容易等特点，但由于在换热过程中，有高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使在应用上受到限制。因此工业上所有的换热设备工业上所有的换热设备以间壁式换热器居多。管式换热器的类型也是多种多样的，从其结够上大致可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括板式、螺旋板式、板壳式换热器。不同类型的换热器各有自己的优点和使用条件。1、固定管板式固定管板式换热器是用焊接的方式将连接管束的管板固定在壳体两端。主要特点是制造方便，紧凑，造价较低。但由于管板和壳体间的结构原因，使得管外侧不能进行机械清洗。另外当管壁温与壳体壁温之差较大时，会产生较大的温差应力。严重时会毁坏换热器。由此可知，固定管板式换热器使用与壳程流体清洁，不易结垢。或者管外侧污垢能用化学处理方法去掉的场合，同时要求壳体壁温与管子壁温之差不能太大，一般情况下，该温差不得大于50。若超过此值，应加温度补偿装置。通常是在壳体上加一膨胀节。2、浮头式换热器浮头式换热器是用法兰把管束一端的管板固定到壳体上，另一端管板可以在壳体内自由伸缩，并子这端管板上加一顶盖成为“浮头”。 这类换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内。管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生温差应力。但这种换热器结构较为复杂，造价高，制造安装要求高。由以上特点可以看出浮头式换热器的应用范围很广，能在较高的压力下工作，使用于壳体壁温与管壁温之差较大，或壳程流体易结垢的场合。3、U型管式换热器这类换热器的管束是由弯曲成U型的传热管组成。其特点是，管束可以自由伸缩，不会产生温差应力，结构简单，造价比浮头式低，管外容易清洗。但管板上排列的管子较少，另外由于管束中心一带存在间隙，且各排管子回弯曲率不同，长度不同，故物料分布不够均匀，影响传热效果。U型管式换热器适用于壳程流体易结垢，或是壳体壁温与管壁温之差较大的场合，但要求管程流体应较为清洁，不易结垢。4、填料函式换热器这类换热器具有浮头换热器的优点，克服了固定管板式换热器的缺点，结构比浮头式简单，制造方便，易于检修清洗 。对于一些腐蚀严重，需要经常更换管束的场合常采用这种换热器。但这种换热器密封性能差，故壳程不宜处理易燃、易爆或有毒的气体。同时要求壳程流体的压力不宜过高。目前所适用的填料函式换热器的直径一般在7000mm一下，很少采用大直径的填料函式换热器。三、计算物性参数1、定性温度下两流体的物性参数（1）循环水对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均制，故循环水的定性温度为：tm=47.5 根据定性温度，分别查处有关的物性参数如下：密度 h=989.1 kg/m3；比热容 Cph=4.174 kJ/kg 导热系数 h=0.6443 W/m 粘度 h=0.000648 Pas(2) 冷却水对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均制，故冷却水的定性温度为：tm=25 根据定性温度，分别查处有关的物性参数如下：密度 i=996.9kg/m3比热容 Cpi=4.179kJ/(kg) 导热系数 i=0.6083W/(m) 粘度 i=0.0009025Pas四、设计方案的确立 1.选择换热器类型热流体循环水的进口温度为55，出口温度为40。冷流体冷却水的进口温度为20，出口温度为30。由以上数据可知壳体壁温与管子壁温之差小于50，且冷却过程为常压冷却，因此可以选用固定管板式换热器。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单，在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程易用于不易结垢和清洁的流体。固定管板式换热器2.流程安排: 由于是常温冷却，并且循环水相对比较洁净，所以选择循环水走管间,冷却水走管内，既有利于冷却水冷却效率，也可借助于外界温度加速循环水冷却。五、估算传热面积1.换热器的热负荷： =760004.174(55-40)95% =4.52106 kJ/h=1255.6 kw2.平均传热温差（对流传热）：冷却水用量：3.传热面积：由已知K=900 W /m2。考虑到估计性质的影响，根据经验范围，取实际传热面积为估计值的1.15倍。S=62.221.15=71.55 m2六、工程结构尺寸1.管径和管程流速： 选用252.5传热管，取内管流速1.24m/s2.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所以ns=78 (根)按单管程计算，传热总管长度为：现在取传热管长l=6 m，则该换热器的管程数为：传热管总跟数：N=782=156（根）3.平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数按单壳程双管程结构，查表得：t=0.81 平均传热温差：由于平均温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4.传热管排列和分程方法 采用组合排列法，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）隔板中心到离其最近一排管中心距离按公式s=t/2 +6 计算：s=32/2 + 6 =22 mm;隔板两侧相邻管心距为：ac=2s =222 =44 mm ;通过管束中心线的管数： 5.壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为： 圆整可取：D=600（mm）6.折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内经的25%，则切去的圆缺高度为： h=0.25600=150（mm） 取折流板间距B=0.3D，则B=0.3600=180（mm）可取B=200（mm） 折流板数：7.其它附件拉杆数量与直径按化工原理课程设计表1-9选取，选取拉杆直径为12mm，拉杆数量为4根，壳程入口应设置防冲挡板。8.接管 管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速为：u=2m/s 则接管内径： 壳程流体进出口接管：取接管内循环水流速为：u=2m/s 则接管内径； 所以取标准管：通过查附录表，选择壳程接管：12745，管程接管：14645。七、换热器的核算1.传热能力核算管程传热膜系数： 管程流速截面积：管程流体速度：ui =Vs/SiRe=(di ui )/Pr = Cpi / 污垢热阻和管壁热阻 污垢热阻：Rsi=0.00017 ( m2)/W Rso=0.00017 (m2)/W管壁热阻按化工原理课程设计的公式1-33计算 ，碳钢在该条件下的导热系数约为50W/m, 即管壁导热系数： CmWo=/50l 壳程对流传热膜系数： 当量直径： 可根据公式： 壳程流通面积：24819000648.01.989813.0020.0Re0= 粘度校正 )W/(m2.488912.42481902.06443.036.0 23155.00=a总传热系数K 传热面积实际传热面积：面积裕度：2换热器内流动的流动阻力 管程流动阻力： 由Re=27173,传热管相对粗糙度0.0 1/20=0.005，查莫狄 图得i=0.033w/m i=1.2m/s =996.9kg/m3, 所以 P1=0.033(6/0.02)(1.242996.9/2)=7587.5 Pa P2=2/2=3996.91.242/2=2299.3 Pa Pi =(7587.5+2299.3)1.42 =27683.04Pa管程流动阻力在允许范围之内。壳程阻力： P0=（P1+P2）FtNs Ft=1.15 Ns=1 流体经管束的阻力：P1=F0nc(NB+1)2/2 F=0.5 0=524819-0.228=0.498 nc=1.1N0.5=1.11560.5=13.74 NB=29 0=0.813m/s P0=0.50.49813.74(29+1)0.8132989.1/2=33550.5Pa 流体经过折流板缺口的阻力损失： P2=NB(3.5-2B/D)2/2 B=0.20 D=0.60 P2=29(3.5-20.2/0.6)0.8132989.1/2=26858.8Pa 总阻力损失： P总=333550.5+26858.8=60409.3Pa 壳程流动阻力在允许范围内 。八、换热器主要结构尺寸和计算结果表管程壳程流率kg/h108159.8740000温度进/出20/3055/40压力MPa1.61.6物性定性温度2547.5密度kg/m3996.9989.1热容kJ/(kg.)4.7194.174粘容Pa.s90.2510-564.810-5导热系数W/(m) 0.60830.6443普兰特数6.24.2 设备结构参数型式固定管板式台数1壳体内径mm600壳层数1管径252.5管心距32管长6000管子排列三角形管数目（根）156折流板数29传热面积m261.32折流板距200管程数2材质碳钢接管壳程内径1274.5接管管程内径1464.5主要计算结果管程壳程流速m/s1.230.813传热膜系数w/m25117.84889.2污垢热阻m2/w0.000170.00017阻力损失0.0190.025热负荷kw1255.6传热温差18.78传热系数w/m21069.4面积裕度19.8九、设备参数的计算1、壳体壁厚 S，c=PDi/2&t-P=1.6600/21130.9-1.6=4.76mm C=1.24mm Sc=Sc，+C=6mm2. 接管法兰Dg管子平焊法兰螺栓焊缝dHSDD1D2fbd重量（kg）数量直径KH1251334235200178310181.988M16561501594.5260225202312182.628M16563.设备法兰DgDDDDDbaad规格数量法兰重量60073069065564564340151323M202835.1 4.封头管箱 封头：以外径为公称直径的椭圆形封头公称直径Dg曲面高度h1直边高度h2内表面积F（m2）容积v（m3）600150400.4640.396 5.设备法兰垫片（橡胶石棉板）公称直径Dg垫片内径d公称压力F(m2)垫片外径D60061516655 6.管法兰用垫片法兰公称压力Mpa介质温度密封面型式垫片名称材料冷却水1.660光滑橡胶垫片橡胶板循环水1.660光滑橡胶垫片橡胶板 7. 管板管板厚度30，长度666，材料为16MnR。 8. 支垫（鞍式支座）公称直径Dg每个支座允许负荷tb1LBlK1bm重量（kg）60036.81805501202604209022026.39.设备参数总表序号图号标准名称数量材料单重（kg）总量（kg）1LNQ-001-3前端管箱1组合件84.52HG20592法兰PL100-1.0 RF2Q235-B2.625.243GB8163-87接管108X5 L=1602Q235-B4LNQ-001-2折流板 29Q235-A7.5217.55筒体DN127X4.51Q235-B2786LNQ-001-2拉杆4Q235-B4.216.87GB/T6170螺母M1684级0.040.328LNQ-001-3法兰120II879垫片642/600 S=34石棉橡胶板0.310JB/T4701-2000法兰-FM600-1.01Q235-B40.811筒体DN600X8 L=1401Q235-B16.812JB/T 4746-2002封头EHA 600X51Q235-B1713GB/T14976换热管25X2.5，L=60001560Cr18Ni93.4530.414JB/T4712-92支座 500-S2Q235-A/Q235-B26.315JB/4701-2000法兰-FM500-1.01Q235-B29.516SYJ11-65垫片2橡胶板0.150.317LNQ-001-3防松吊耳2Q235-B0.080.1618LNQ-001-2管板116MnR6519GB/T6170螺母 M201286级0.0648.220JB/T4707螺栓M20x150-A626.8级0.3320.4621SYJ11-65垫片1橡胶板0.3十、参考文献1夏清、陈常贵主编.化工原理（上、下）.天津：天津大学出版社，20052化工原理课程设计3化工原理教研室选编.化工原理课程设计.齐市：齐大，20084大连理工大学化工原理教研.化工原理课程设计.大连：大连理工大学出版社, 19965匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，20026上海医药设计院编写.化工工艺设计手册（上、下）. 北京：化学工业出版社，19867柴诚敬等.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，19958谭慰主编.化工设备设计基础.天津：天津大学出版社，20009刑晓林主编.化工设备.北京：化学工业出版社，200510程达芳等主编.化工过程及设计.北京：化学工业出版社，200011样祖荣主编.化工原理.北京：化学工业出版社，200412郑津洋等主编.过程设备设计.北京：化学工业出版社，200513匡照忠主编.化工机器与设备.北京：化学工业出版社，2006十一、学习体会与收获本次化工原理课程设计为期两周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理设计是培养学生化工设计的能力的重要教学环节，在通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则和方法；掌握了结果的校核，能画出工艺流程图。在短短的两周时间里，从开始的一头雾水，到同学讨论，在进行整个流程的计算，再到对工业材料的选取论证和后期的流程图的绘制等过程的培养，我真切的感受到了理论与实践结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限知识去解决实际中各种问题的不易。我也从中明白了学无止境的道理，在我们所查到的很多参考书中，很多的知识结构很不完善，我对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面考虑的还不够多。在实际的计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以至于在后面的计算过程中不停地来回翻查数据，也浪费了大量的实践。还有在一些应用问题上，我直接套用了书本上的公式或过程，并没有彻底理解个公式的出处和用途，对于一些工业数据的选取，也知识根据范围自己选取的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不十