换热器设计报告

1 化工流体传热课程设计任务书化工流体传热课程设计任务书 一 设计题目 真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计 二 设计任务及条件 1 蒸发系统流程及有关条件见附图 2 系统生产能力 85 万吨 年 3 有效生产时间 300 天 年 4 设计内容 效预热器 组 第 1 台预热器的设计 5 卤水分效预热器采用单管程固定管板式列管换热器 试根据附图中卤水预热 的温度要求对预热器 组 进行设计 6 卤水为易结垢工质 卤水流速不得低于 0 5m s 7 换热管直径选为 38 3mm 8 卤水物性参数随温度的变化 当手册查不到时 可按水的变化规律推算 三 设计项目 1 由物料衡算确定卤水流量 2 假设 K 计算传热面积 3 确定预热器的台数及工艺结构尺寸 4 核算总传热系数 5 核算压降 6 确定预热器附件 7 设计评述 四 设计要求 1 根据设计任务要求编制详细设计说明书 2 按机械制图标准和规范 绘制预热器的工艺条件图 2 注意工艺尺寸和 结构的清晰表达 设计流程图 2 目录目录 确定物性常数 传热量 蒸汽流量及平 均温差 确定换热器类型及流体流动空 间 选择传热管参数 并计算管程相应参数 核算冷凝传热系数 估计冷凝传热系数 总传热系数核算 计算管内传热系数 估计传热总数 计算传热面积初值计算 壳侧压降和管侧压降计算 计算 值与 假定 值相 差较 大 折流板计算 计算值与假定值 相差不大 计 算 值 与 假 定 值 相 差 较 大 确定换热器基本尺寸 计算换热器其余零件 3 第 1 章 设计简介 4 第 2 章 热力学计算 5 2 1 由物料衡算确定卤水流量 5 2 2 假设 K 计算传热面积 5 2 2 1 热力学数据的获取 5 2 2 2 估算传热面积 6 2 2 3 工艺尺寸的计算 6 2 2 4 核算总传热系数 8 2 2 5 核算压降 9 2 3 确定预热器附件 10 2 4 泵的选用 12 2 5 换热器主要结构尺寸和计算结果 13 第 3 章 设计评述 14 第 4 章 主要符号说明 16 第 5 章 参考文献 17 4 第一章第一章 设计简介设计简介 在工程中 将某钟流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备 称 为换热器 又叫热交换器 在这种设备中 至少有两种温度不同的流体参与传 热 在工业生产中 换热器的应用极为普遍 例如动力工业中锅炉设备的过热器 省煤器 空气预热器 电厂热力系统中的凝汽器 除氧器 冶金工业中的高炉 的热风炉 炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热 制冷工业中蒸汽压缩制 冷机或吸收式制冷机中的蒸发器 都是换热器的应用实例 在化学工业和石油 化学工业的生产过程中 应用换热器的场合更是不胜枚举 在航天航空工业中 为了及时取出发动机及辅助动力装置在运动时所产生的大量热量 换热器也是 不可缺少的重要部件 另外 由于世界上煤油 石油和天然气资源的储量有限而面临着能源短缺的 局面 各国都在致力于新能源的开发 因而热交换器的应用又与能源的开发与 节约紧密联系 所以 换热器的应用遍及动力 冶金 化工 炼油 建筑 机 械制造 食品 医药及航空航天等各个部门 根据换热器在生产中的低位和作用 它应满足多种多样的要求 一般来说 对其基本要求有 1 满足工艺过程所提出的要求 热交换强度高 热损失少 在有力的平 均温度下工作 2 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构 制造简单 装修方便 经济合理 运行可靠 3 设备紧凑 4 保证较低的流动阻力 以减少换热器的动力消耗 这次设计的换热器要求单管程固定管板式列管换热器 以二次蒸汽为加热流 体预热卤水 将卤水由 83 摄氏度加热到 91 摄氏度 通过对换热器的设计 达到让学生了解换热器的结构特点 并能根据工艺要 求选择适当的构最共完成图纸 可以说 这次设计作业从准备材料 估算 核算 到最后的作图 多方面的 5 sWWc9kg 3528 总 锻炼的学生们的设计能力 于此同时 还提高了团队合作能力 第第 2 章章 热力学计算热力学计算 2 12 1 由物料衡算确定卤水的流量由物料衡算确定卤水的流量 由表格 2 1 知数据如下 表 2 1 年产量 纯 NaCl 80 万吨 年工作时间300 天 年 卤水中NaCl 含量293 76g L第一效体积分率28 根据任务书的要求 氯化钠的年产量为 85 万吨 年 根据公式进行计算得 从图中可以看出进入第三效的卤水流量 F 为 2 22 2 假设假设 K K 计算传热面积计算传热面积 2 2 12 2 1 热力学数据的获取热力学数据的获取 1 冷流体卤水的定性温度 入口温度 83 出口温度 91 1 t 2 t 循环水的定性温度为 87 2 9183 2 21 tt tm 查询数据得表 2 2 表 2 2 卤水的物理性质表 温度 密度 恒压热容 粘度 导热系数 kg kJ kg K mPa s w m 3 m sW2kg 128 36002430076 293 10114985 7 总 6 wttCWQ cpc 63 12 1098 0 81042 3 9 35 skg r Q Wh 44 0 10 6 2204 1098 0 3 6 8 32 tT tT ln 1 2 12 tTtT tm 2 88 29m tK Q S m 65 6 0 032 0 6 1149 9 35 4 2 4 2 ud V n i 2 饱和水蒸汽的热力学性质 从图中我们看出第三效的加热蒸汽是 198 6kpa 通过查表得到此时的饱和水蒸 汽温度为 T 120 汽化热为 2204 6kJ kgr 2 2 22 2 2 估算传热面积估算传热面积 1 计算传热量 2 水蒸气耗量 3 计算有效平均温度差 4 流体流经的选择冷流体卤水不洁净并且易结垢 所以走管程 便于清洗 热流体为饱和水蒸气 宜走壳层以便于及时排除冷凝液 且蒸汽结晶 一般不 清洗 5 估算传热面积 根据经验选取 K 1000 估算传热面积 2 mw 2 2 32 2 3 工艺尺寸计算工艺尺寸计算 1 管径与管内流速的确定 根据设计说明书要求 选用 38 3mm 较高级不 锈钢传热管 管内流速取 u 0 6m s 2 管长与传热管数 选用 L 6m 的管长 根据流量与流速确定管数 因此 实际换热面积为 2 53 466038 0 14 3 65mdLnS 采用此换热器 则要求过程的总传热系数为 87 1149 6 3 42 1 9 0 62 7 2 6 1 642 8 3253 46 1098 0 mW tS Q K m 22 0 83120 8391 P 0 1 t 2 1 bntD c 9651 11 1 nnc 3 平均温度差校正及壳程数 平均温度差校正系数有 R 0 查参考文献有 由于平均温度差校正系数大于 0 8 同时壳层流体流量比较大 所以采用单壳 层合适 4 壳体内径 根据壳体内径公式 其中 t 1 25 外管径 管子按正三角形排列时 横过管数中心线管的根数 b 1 25 倍外管径 由此 算的壳体外径475mm D 进行圆整 得外径 500mm 综上 立式单管程固定管板式列管式换热器的规格如下 公称直径 500mm 公称换热面积 46 53 2 m 管程数 1 管数 n 65 管长 L 6m 管间距 47 5mm 管子直径 mm338 管子的排列方式 正三角形 8 24 08 0 20001011617 032 0 62 0 023 0 mW i 4 08 0 PrRe023 0 i i d 11617 109 1 6 11496 01032 Re 3 3 udi i 10 62 0 109 11042 3 Pr 33 p c 4 1 32 0 13 1 ws ttL gr si i iw so o w R tt R tt 11 0 5 折流挡板结构的设计 本设计采用弓形挡板 弓形折流板圆缺高度为壳体外径的 20 即 折流挡板间距取 B 600mm 所用到的板数mmh954752 0 91 B L N 2 2 42 2 4 核算总的传热系数核算总的传热系数 1 管程对流传热系数 其中 所以 2 污垢热阻和管壁热阻 根据查表 得管程壁面的污垢热阻 WmRsi 1072 1 24 壳程壁面的污垢热阻 根据换热器不锈钢材质可以WmRso 1086 0 24 查出管壁的导热系数 2 45 17mW 3 壳程对流传热系数 其中 蒸汽温度 120 壁温需要通过估算来求解 估算公式为 s t w t 假设 带入计算 从而求解出壁温数值 然后将壁温值带入再求壳程对流传 0 9 PaNNFppp psti 11 3259115 1 78 62096 1551 21 00625 0 32 2 0 i d 热系数 通过循环计算 使得壁温和壳程对流系数相对应 通过计算 求的 2 110 w t 2 0 5045mW 其中 饱和水的定性温度为 115 物性参有 4 总传热系数 K 所以换热器是合适的 安全系数为 22 6 2 2 52 2 5 核算压力降核算压力降 1 管程压降 其中 对于不锈钢 取管壁粗糙度 mm2 0 有图中差查的Re 04 0 故 核 2 0 00 4 787 1 1 mW R d bd d dR d d K o m oi ii 23 1 1 6424 787 选核 KK psti NNFppp 21 1 1 5 1 pst NNF Pa u d L p i i 96 1551 2 6 06 1149 032 0 6 04 0 2 2 2 1 Pa u p i 78 620 2 6 0 6 1149 3 2 3 2 2 2 sPamWmkg 53 105 26 685 0 6 948 10 2 壳程压降 流体流经管束的阻力 管子为正三角形排列 F 0 5 壳程流通面积 2 00 0948 0 038 0 95 0 6 0 mdnDBS c 壳程流体流速及其雷诺数分别为 流体通过折流板缺口的阻力 总阻力 Papo48 374 7 9478 279 2 32 3 确定预热器附件确定预热器附件 sso NFppp 2 1 1 1 ss FN 2 1 2 0 1 u NnFfp Bco sm S V u o s o 12 4 0948 0 127 1 44 0 7671 000023 0 127 1 12 4 038 0 Re 0 0 气 气 udo 65 0 76710 5Re0 5 228 0 228 0 oo f 9 B N Pap78 279 2 12 4 127 1 19 965 05 0 2 1 Pa u D B Np o B 7 94 2 12 4 127 1 5 0 6 02 5 3 9 2 2 5 3 2 2 2 11 1 折流挡板 本设计采用弓形挡板 弓形折流板圆缺高度为壳体外径的 20 即 折流板按等间距布置 管束两端的折流板应mmh1005002 0 尽可能靠近壳程进 出口接管 缺口上下排列 名义外直径 500mm 厚度 8mm 折流挡板间距取 B 600mm 所用到的板数 91 B L N 2 拉杆 拉杆是折流挡板定位不可缺少的原件 拉杆采用定距管结构 共 4 根 拉杆直径 16mm 拉杆长度按实际需要确定 具体看尺寸图 3 外壳 换热器外壳包括壳体与换热器两端的封头 管箱 本设计中 外壳采用碳钢材料 为了保证壳体具有足够的强度 壁厚设计为 8mm 管箱设 计时在管箱上设计一平盖 便于拆洗 封头与壳体用螺纹连接 以便卸下封头 检查和清洗管子 根据设计规格 本设计的封头为内径 500mm 的标准椭圆头 厚度 8mm 直边高度 25mm 4 管板 管板式本换热器上的重要零件之一 设计中要考虑管板厚度 的计算 以及管板与换热管 壳体及管箱的连接 本设计中管板厚度定为 27mm 5 管板开孔 换热管排列原则如下 换热管的排列应该使整个管束完 全对称 在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板的距离规定的范围内 应该 全部布满换热管 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘 在靠近折流板缺边的 位置处应布置拉杆 其间距小于或等 700mm 拉杆中心与折流板缺边的距离应 尽量控制在换热管中心距的 0 5 1 5 范围内 3 6 换热器接管 管道中水溶液的流速定为 2m s 所以卤水的进口管管 径为 饱和蒸汽的流速定为 30m s 因此饱和蒸汽进口管管径为 m u V d s 141 0 214 3 1149 9 3544 m u V Din129 0 3014 3 127 1 44 0 44 12 因冷凝水的流速一般为 0 5m s 所以冷凝水的出口管径为 7 主要连接方式 对于换热器 主要是壳体与管板的连接 换热管与管 板的连接和管板与拉杆的连接 管板与壳体之间采用焊接的形式 换热管与管板也采用焊接的形式 管板 与拉杆之间采用螺纹连接 8 支座 对于本设计 立式换热器 支座采用耳式支座较好 2 42 4 泵的选用泵的选用 泵的扬程 fg H g u g p zH 2 2 其中 为下卤水的密度 经查文献 1 附录 94 2 10583 t 得 3 1148mkg 流动前后流速差 0 u 本换热器采用立式结构 总高度 mH5 6 其他组员设计的换热器高度也是 6 5m 选取的高度即为 6 5m 由泵到换热器接管高度选取 由换热器到蒸发器水平高度选取 1m1 5m 故 mz95 115 6 静压头 kPap275 97325 101 6 198 由上面计算可知 本换热器管程压降 Papi11 3259 第二个换热器管程压降 Papi84 4429 第三个换热器管程压降 Papi 4 3246 第四个换热器管程压降 Papi25 2723 故 g pppp H iiii f m u V D028 0 5 014 3 6 948 3 044 冷凝水 13 3 m 21 1 81 9 1148 25 272340 324684 442911 3259 fg H g u g p zH 2 2 m85 1821 1 0 81 9 1148 10275 97 9 3 输送流体卤水的流量 smV 0312 0 1149 9 35 3 得到泵的工作点 hmV 32 112 3 mHg85 18 输送流体为卤水 黏度比水大 综上 查阅文献 1 附录 24 选用 IS150 125 250 型单级单吸离心泵 泵的性能参数如下 2 52 5 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器类型 单管程固定管板式换热器 换热器面积 46 53 工艺参数 名称管程壳程 物料名称卤水饱和水蒸气 操作温度 83 91120 流量 kg s 35 90 44 流体密度 kg 1149 61 127 流速 m s 0 64 95 传热量 kW 980 总传热系数 787 4 功率 kW 型号 流量 3 mh 扬程 m 转速 m i nr 轴电机 效率 气蚀 余量 m 质量 泵 底座 kg IS150 125 250 12022 5145010 418 5713 0188 158 2 mw 14 对流传热系数 20005045 污垢系数 0 0 压力降 Pa 2659 11508 69 程数 11 使用材料 不锈钢碳钢 管子规格 mm 38 3mm 管数 65 管长 m 6 管间距 mm 47 5 排列方式 正三角形 壳体内径 mm 475 第第 3 章章 设计综述设计综述 通过两周的资料查阅 计算核实 画图 本次列管式换热器设计大体完成 当然 还有很多不足之处有待修改 下面是我对本次设计的一些评价与感受 1 资料查询要有足够的针对性 起初 我为了设计这次的换热器 查询 了大量的文献书籍 不同书上有不同的方法 而且部分方法都十分复杂 所以 把设计放到了一个特别高的位置 开始研究计算方法 然而问题却没有得到解 决 反而更难了 结果 索性就按照书籍上的来 结果计算起来才有了思路 在计算得过程中遇到了难题再去查阅书籍 参考文献 这样效率才得到了大幅 度的提高 看来查阅资料不是越多越好呀 2 计算方法有技巧 这次设计的重点之一就是核算换热器的总传热系数 这个决定了结果是否正确 所以这个也就理所当然是难点之一了 估算了换热 器的面积 S 和传热系数 K 接下来就设计换热器的结构和核算传热系数了 设 计结构倒是没费太多时间 可是到了核算就头疼了 错了不要紧 一次肯定算 不对 可是前面假设的数据太多 数据与数据之间有有联系 牵一发而动全身 一下子就不知所措了 例如 改变了管数 流速 传热面积 对流传热系数等 等全都变化 在经过反复计算和总结后 我得出了一定的规律 改变设计的流 速对结果很是关键 而且不会把计算得思路搅乱 最后在增大几次减少几次流 速之后 最终算出了符合规定的 K 值 3 很多不足需补充 本次设计完全是纸上谈兵 所有的东西都是从纸上 来最终又落到了纸上 所以在考虑问题时势必会有所欠佳 列如很重要的一点 2 mw w 2 m 15 安全问题