U型管换热器课程设计说明书-2

中南大学化学化工学院 应化0806班 周杨美惠 U型管换热器课程设计说 明 书 设计题目 U型管换热器设计 专业班级 建环1001 学生姓名 xxxxx 学 号 xxxxxx指导教师 xxxxx 日 期 2013.5.4 一、化工原理课程设计任务书（换热器的设计）（一） 设计题目：煤油冷却器的设计（二） 设计任务及操作条件：1. 处理能力：15万吨/年煤油2. 设备型式：列管式换热器3. 操作条件：（1） 煤油入口温度125，出口温度40；（2） 冷却介质循环水，入口温度25，出口温度45；（3） 允许压强降不大于105Pa;（4） 煤油定性温度下的物性数据：密度为825kg/m3；粘度为：7.1510-4Pa.S;比热容为：2.22kJ/（kg. ）；导热系数为：0.14W/（m. ）（5） 每年按330天计，每天24小时连续运行。（三） 设计项目1传热计算2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算3管板厚度计算4 U形膨胀节计算（浮头式换热器除外）5管壳式换热器零部件结构（四） 绘制换热器装配图（A2图纸）二、换热器的选用换热器的选用(即选型) 的过程大体如下, 具体计算可参看列管式换热器设计中有关内容。 根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。 按所选定的流动方式, 计算出平均温度差( 推动力)tm 及查出温差校正系数。若0.8，可行。所以修正后的传热温度差为tm=tm=0.81x38.83=31.45()3.4初步选型3.4.1传热面积 假设K=300W/(m2K),则估算面积为：A=Q/(Ktm)=992.7103/(30031.45)=105.2(m2) 3.4.2管径和管内流速 换热管选用碳钢管252.5mm，取管内流速u= 1.0m/s3.4.3管程数和传热管数 换热管选用普通无缝钢管252.5mm，管内径d=0.025-2x0.0025=0.02m，于是单程管根数n为 =37.98 取n=38根 按单程管计算，所需的传热管长度为： =35.2m3.4.4初选换热器类型与型号 由于Tm-tm=（125+40）/2-(45+25)/2= 47.5()50(),两流体间的温差不大，不需要温度补偿；但是为了便于壳程污垢清洗，以采用固定管板式列管换热器为宜，且初步选定的具体型号为G600VI-1.0-100 G600VI-1.0-100的具体参数壳径/mm 600管子尺寸252.5mm公称压力/ 1MPa管长/m 6公称传热面积/ 100 管子总数 216管程数 6管子排列方式 正三角形壳程数 1折流挡板形式 弓形折流板3.4.5传热管排列和分程方法 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=35.2/6=6；传热管总根数： NT=386=228（根）采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，则t=1.2525=31.2532(mm)横过管束中心线的管数 Nc=1.1=1.1=17根3.4.6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 =606.4mm圆整可取D=600mm。3.4.7折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25，则切去的圆缺高度为h0.25600=150（mm）。 折流板间距B=0.4D,则B=0.4600=240mm。折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24(块)折流板圆缺面水平装配3.4.7接管 壳程流体进出口接管：取接管内煤油流速为u1.0m/s，则接管内径为：D1=（m），圆整后可取管内径为90mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u1.5 m/s，则接管内径为(m)=100mm。4.换热器的核算4.1热流量核算4.1.1壳程表面传热系数； 用克恩法计算： 当量直径，由正三角排列得：de=m 壳程流通截面积：=0.0315（m2） 壳程中煤油流体流速及其雷诺数分别为：u0=V0/A=（m/s）Re0=4661.5 普朗特数：Pr=； 粘度校正： 0=589.7W/(m2K) 4.1.2管内表面传热系数： i 管程流体流通截面积：Si=0.7850.022216/6=0.0113（m2） 管程流体流速及其雷诺数分别为： ui=1.055（m/s）Rei=28849.2 普朗特数：Pr=i=0.023=5008.1W/ (m2K)4.1.3污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取： 管外侧污垢热阻 R0=0.00017 m2K/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.00034 m2K/W5.1.4计算传热系数K（忽略管壁热阻）： Rso Ko=394 计算传热面积AC:AC=Q/(KCtm)=992.7103/（39431.45）=80.11（m2） 该换热器的实际传热面积A：A=3.140.0256（228-17）=99.38（m2）5.1.5该换热器的面积裕度为：H=100%=100%=24.05%为了保证换热器的可靠性, 一般应使换热器的面积裕度大于15%25%。满足此要求, 所设计的换热器较为合适传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.2换热器内流体的流动阻力5.2.1管程流体阻力 计算公式如下： Pt=（Pi+Pr）NSNpFS; NS=1, Np=6，FS=1.5; Pi=。由Re=28849.2，传热管相对粗糙度0.1/20=0.005， 莫狄图（下图）得=0.0338，流速u=1.055m/s，=994kg/m3，故 Pi=5609.18（Pa）；Pr=1573（Pa） Pt（PiPr）Fs Ns=（5609.18+1573）61.5=64639.62（Pa）105 Pa 管程流体阻力在允许范围内5.2.2壳程阻力 公式有：PS=（P0+Pi）FSNS 其中 FS=1.15 ；NS=1 ； P0= Ff0NTC(NB+1) ; 又F=0.5, f0=5Reo-0.228=54661.5-0.228=0.729, Nc=1.1 NT0.5=1.12280.5=17 NB=24;u0=0.202m/s 则流体流经管束的阻力： P0=Ff0Nc(NB+1)=0.50.72917（24+1）8250.2022/22607.43（Pa） 流体流过折流板缺口的阻力 Pi =NB（3.5-2B/D）,其中 B=0.24m; D=0.6m；故 Pi=24（3.5-20.24/0.6）8250.2022/21090.69（Pa），则总阻力： PS=P0+Pi=2607.43+1090.69=3698.12（Pa）105 Pa。故壳程流体的阻力也适宜。 综上所诉，该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压降100KPa，均符合要求，所以设计的换热器符合条件。 四、设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。参数管 程壳 程流率/（kg/h）42676.418939.4进/出温度/25/45125/40物性定性温度/3582.5密度/（kg/m3）994825定压比热容/（kJ/（kgK）4.182.22粘度/（Pas）0.0007270.000715热导率/w/（mK）0.6260.140普朗特数4.8511.34设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm600壳程数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列管数目/根216折流板数/个24传热面积/m2100.0折流板间距/mm240管程数6材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.0550.202表面传热系数/w/（m2K）5008.1589.7污垢阻力/（w/m2K）0.000340.00017阻力/MPa0.060.0056热流量/kW992.7传热温差/31.45传热系数/w/（m2K）394裕度/%24.05 五、辅助设备的计算和选型5.1封头（JB T4729 _94）标准椭圆形封头的几何形状如附图1 所示。形成这种封头的母线是由1 4 椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑连接而成, 故它由半个椭圆球和一个高度为h0 的圆柱短节(称它为封头的直边部分)构成。附表1 所列椭圆封头尺寸与质量, 摘自JB T4729 _94 标准。 附图1 标准椭圆形封头椭圆封头尺寸与质量(摘自JB T4729 _94)5.2压力容器法兰( TB470292 )压力容器法兰( TB470292 )的类型有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。用于不锈钢容器时, 法兰端面焊有不锈钢衬环。就法兰的密封面来说, 又有平密封面、凹凸密封面和榫槽密封面之分。5.3鞍式支座(JB T4712 - 92)卧式容器的支座常用鞍式支座, 简称鞍座。它是由底板、腹板、筋板和垫板四种板组焊而成的焊制鞍座; 或其中腹板与底板由同一块钢板弯制的弯制鞍座.这次设计采用重型弯制鞍座。 DN500900 鞍座尺寸(JB T471292) mm DN500900mm 的型鞍式支座 DN500900mm 的型弯制鞍式支座5.4管板焊接管板的最小厚度取决于焊接工艺及管板焊接变形的要求, 对于固定管板式换热器的管板结构见图1 _12 , 主要尺寸见表1 _12。 5.5拉杆与定距管折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆, 一端拧入管板, 折流板就穿在拉杆上, 各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离, 最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。拉杆直径及数量可依换热器壳体内直径选定, 各种尺寸换热器的拉杆直径和拉杆数, 可参考表1 _17 选取。定距管通常采用与换热管材料、直径相同的管子。5.6折流板安装折流板的目的, 是为了加大壳程流体的湍流速度, 使湍流程度加剧, 提高壳程流体的对流传热系数。在卧式换热器中折流板还起到支承管束的作用。常用折流板有弓形( 或称圆缺形)和圆盘圆环形两种。弓形折流板结构简单, 性能优良,在实际中最为常用。折流板直径Dc 取决于它与壳体之间间隙的大小。间隙过大时, 流体由间隙流过而根本不与换热器接触; 间隙过小时又会引起制造和安装上的困难。折流板直径Dc 与壳体内直径Di 间的间隙可依表1 _13 中所列数值选定。六、设计评述本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。一开始接到这个任务很迷茫，因为本来对换热器的设计这个概念就不清楚，而且对于画图一直也是我的弱项，所以心情很浮躁，过去了几天还是毫无头绪。后来在答疑课上借到了上届的作业，开始一步一步地研究。课程设计需要学生自己做出决策，自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。 换热器的设计主要是核算比较麻烦，而且计算时遇到很多麻烦，关于管程壳径等概念很模糊，设计过程中遇到的麻烦很多，也正是因为这样，我开始不断地查阅资料问问题，突然间觉得自己虽然学过这些知识，但是还是有很多的疑问。也正是因为不断地发现问题分析问题解决问题，才提高自己的理解和学习能力。通过这次设计我了解了换热器的工艺流程，知道了各种换热器的优缺点，通过 一次次地计算，对于换热器的型号的选择依据有了更深刻的理解。第二周开始作图，一开始面对A1的纸却不敢下笔，不敢画页不知道该怎么画，于是先画了个边框，接着在图书馆找了一下午资料，才知道自己知道的只是冰山一角，第二天在宿舍呆了一天去查法兰还有支座的尺寸和型号。在画图的时候一边画一边问，在大家的讨论中明白了很多，也找出了自己很多的错误。虽然现在自己的说明书和图还有很多的问题，图纸的线条不够清晰，有些线条甚至是画斜了，但是从这次课程设计中我懂了很多，不仅是换热器的只是，还学到了很多课本上没有的，知道不耻下问，知道坚持不懈，知道静下心来去做事。七、参考资料1 匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化工工业出版社，20022 姚玉英.化工原理.天津：天津：大学出版社，19993 刘巍.冷换设备工艺计算手册.北京：中国石化出版社，20034 黄璐、王保国.化工设计.北京：化学工业出版社，20015 谭天恩等.化工原理.北京：化学工业出版社，20066 董振珂.化工制图.北京化学工业出版社，20017 王非、林英.化工设备用钢.北京：化学工业出版社，20038 秦叔经、叶文邦.换热器.北京：化学工业出版社，20029 李克永.化工机械手册. 天津：天津大学出版社，199110 贺匡