管式换热器课程设计

1、一. 设计任务和设计条件某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流患热后，用循环冷却 水将其从90c进一步冷却至3ctc之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。循环水的入 口温度为30°c,出口温度为5ctc ,试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。物性特征:煤油在60°c h的冇关物性数据如下（来自生产屮的实测值）： 密度a =s25kg/m3定压比热容 cpi=2. 22kj/kg°c热导率aj =0. 14w/m粘度“二&66xlo-4 pas循环水在40c下的物性数据：密度=992.2 kg/m3定压比热容cpi =4. 174kj7kg

2、°c热导率=0. 64w/m°c粘度他=0.653x10"二. 确定设计方案1. 选择换热器的类型两流休温的变化情况：热流体进口温度90c出口温度30°c；冷流体进口温度30c, 出口温度为50c,该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作吋，其进口温度会降低，考虑 到这一因索，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式 换热器。2. 管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，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，混和气体走壳程。三

3、. 确定物性数据1定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取煤油进出ii温度的平均值。故壳程煤油的定性温度为t=90 + 3()二 60 °c管程流体的定性温度为30 + 502=40 °c2物性数据根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的冇关物性数据。对煤油来说，最可靠的无 形数拯是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按 照相应的加和方法求出煤油的物性数据。煤油在60°c下的冇关物性数据如下（來自生产中的实测值）：密度pl =s25kg/m3定压比热容cpl=2.22kj/kg°c热导率入二014w/m粘度a）

4、=8. 66x10 vasu!估算传热面积循坏水在40c下的物性数据:密度定压比热容 热导率px =992. 2 kg/m3174kj/kg°c人二0. 64w/m°c粘度“严0. 653x 103pas1 热流量= 18939. 4x2. 22x (90-30)/3. 4 =700757. 43kw2.平均传热温差先按照纯逆流计算，得ar_ (90 - 30) -(50 一 30) , 90-30in50-30= 4&33641k3传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的k值。假设k=320w/（m2k）则估算的传热面积为700757.43.66x1()33

5、20x36.41=60.14/7124 冷却水用量m=旦=70075743x& 沁和屮二 30204" c 越 i4.174x103x20五.工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用025x2.5较高级冷拔传热管（碳钢）,取管内流速 u i=lm/so2.管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数ns=兀；24 u按单程管计算，所需的传热管长度为v 700757.43/(3600x992.2)“0.785x0.02x1=2?al= = ' 29m叭比 34x0.025x27按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据木设计实际情况,60.14采用非标设计，现

6、取传热管长1二601,则该换热器的管程数为传热管总根数z l 29<np 二一二一=5i 6nt 二29x5二 1453平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b）=5n 50-30= 0.33 000001009080706050.0.04a3 5 2 50.0.020.0.01 o o jow uooo-eu.iii ii ii 1complete turbulence, roug 1 pipes：斗19 80.o0.0o0.0o1ffi111一u llt jll l -1laminar critical | 冲fk)wt"zonetrans

7、rtioner zone"二x1032 3 4 56 8106 2 3 4 56 810/ x105 - -+- -0.050 040.030.020.0150.010.008a>|q0006誘a>0 004x0.002§0.001运0.0008i0.0006a:0 00040 00020.00010.000.051032 3 4 56 8104 2 3 4x104reynolds number ra =乎0.000.01按单壳程，双管程结构，查图3-9得% =0.9平均传热温差=抵塑=0.9x36.41 = 32.77 °c曲于平均传热温差校正系数大

8、于0.8,同吋壳程流体流量较犬，故取单壳程合适。 4传热管扌非列和分程方去 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。见图3-13o取管心距 t=1.25do,则 t=l. 25x25=31. 2532 mm隔板中心到离其最近一排管中心距离按式(3-16)计算s二t/2+6二32/2+6二22 mm各程相邻管的管心距为44 mmo管数的分成方法，每程齐有传热管27根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺 序按图3-14选取。5壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按式(3-19)估算。取管板利用率n二0.7 ,则売体内径为d二 1. 05t j% / = 1.05x32j1

9、45/0.7 = 483.5加加按卷制壳体的进级档，可取d=500mm6.折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h二0.25x500二 125m,故可 取 h=150mm取折流板间距b二0. 4d,则 b=0. 4x500=200mm,可取b为200mm折流板数口 nb=传热管长折流板间距-1 =6000"200-折流板圆缺面水平装配，见图3-15o7.其他附件拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm,故其拉杆直径为 12拉杆数量不得少于10o壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。8.接管壳程流体进出口接管：取接

10、管内气体流速为ui=10m/s,则接管内径为4x18139.4/(3600x90) _dogv3.14x1-i员i整后可取管内径为300mmo管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=1. 5m/s,则接管内径为4x30204/(3600x992.2)3.14x1.5= 0.08圆整后去管内径为80mm六.换热器核算1热流量核算(1) 壳程表面传热系数用克恩法计算，见式(3-22)a.0.023 re08pr04aq = 0.36re0055 pr( “ )014de血当量直径，依式(3-23b)得d24=0.02加壳程流通截面积，依式3-25得1c v匚bd(1 °)-200x50

11、0(1)-0.021875壳程流体流速及其雷诺数分别为18939.4/(3600x825)八“ ,un = 0.29m / s0.021875门0.02x0.29x825 匕“匚re , =: = 5525.4°8.66 x10'4普朗特数门2.22x103x8.66x10-4“pr = 13.600.14粘度校正(“)04 = !ao = 0.36x 0,14 x5525.4°55 x 13.6= 687.93w/n? k° 0.02(2)管内表而传热系数 按式3-32和式3-33冇管程流体流通截而积9145s.= 0.785 xo.o22x = 0.0

12、09* 2管程流体流速30204/(3600x992.2) aa/1 zw. = = 0.94/72 / s10.009re = 0.02 x 0.94 x 992.2 /(0.653 x 10-3) = 28565.64 普朗特数c474x103x0.653x103, “pr = 4.250.64“023x牆x28565.64%4.25。4698.0曲加叹(3)污垢热阻和管壁热阻按表3-10,可取管外侧污垢热阻r。= 0.00034/7?2 k i w管内侧污垢热阻尺=0.00034加2七/管壁热阻按式3-34计算，依表3-14,碳钢在该条件下的热导率为50w/(m k) o所 以 二 00

13、025 = ° 00005加2 k/w“50+(4)传热系数心依式3-21d j1 = 400.7vv/m2 -k+ «r + 丄)d,6l传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积ac为a =4 = 7oo757.43x1o6.37,”2° ketm 400.7x36.41该换热器的实际传热面积为apap = 7id(,lnt =3.14x0.025x6x145 = 68.295加 $该换热器的面积裕度为ap- ac68.295 56.3756.37= 215%传热面积裕度合适，该换热器能够完成牛产任务。2.壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按

14、式3-42计算。由于该换 热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环 冷却水进口温度为30c,出口温度为5ctc计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢 热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污 垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考 虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按式4-42有式屮液体的平均温度匚和气体的平均温度分别计算为tm =0.4x50+0. 6x30=24. 6°ctm = (90+30)/2二 60 °ca = a- = 4698w/ m2

15、kvtah = ao = 687. 93w/m2 k传热管平均壁温tyv - 4.9 °c壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即t二85c。壳体壁温和传热管壁温 之差为= 85 40.9 = 44该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用 浮头式换热器较为适宜。3. 换热器内流体的流动阻力(1)管程流体阻力即严pi+gjn,npfs2m i，np = 2 , 化牛a- 2由re二28565. 64,传热管对粗糙度0.01,查莫狄图得人=0.03，流速u二0. 94m/s, p = 992.2kg/m 所以，a n60.942x992.2 an/lc i

16、nda/?- = 0.03 xx= 394519pa' 0.02 23x992.2 x 0.9422= 1399.002%pi = (3995.19 +1399.002) xlxl.5 = 620332pa管程流体阻力在允许范围z内。(2) 壳程阻力按式计算代=(几+3jf凡，他=1,巴=1.15流体流经管束的阻力2几二磅nhm+1)牛f 二 0.5f =5x5525.4-°288 =0.417/ ()ntc - lin/' =1x1450-5 - 13.25nb =29 uo = 0.29m/s25x0 9q2pt)=0. 5x0. 701 x 13. 25x (2

17、9+1) x =4883. 31pa 流体流过折流板缺口的阻力2/珀二 nr (3.5 -, b=0. 2m , d=0. 5m八 13 d 229 x (3.5 -0.52=2716.32 pa总阻力ps =4883. 31+2716. 32=7599. 4pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。(3) 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程(水)壳程(煤油)流率898560227301进/出口温度/°c30/5090/60压刃/mpa0.46.9性、rt定性温度/°c4060密度/ (kg/m3)992.2825定压比热容/kj/ (

18、kgk)4. 1742.22粘度/ (pa-s)0. 653 x 103& 66 x 10-5热导率(w/m*k)0. 6240. 14普册特数4. 2513.6叹备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/伽500台数1管径/mm025x2.5管心距/mm44管长/mm6000管子排列管数目/根145折流板数/个29传热而积/nf6& 295折流板间距/俪200管程数5材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/ (m/s)0. 940. 29表面传热系数/w/ (m2-k)4698687. 93污垢热阻/ (m2-k/w)0. 000340. 00034阻力/ pa6203. 324883.31热流量/kw700. 757传热温差/k36.4