用水冷却苯列管式换热器课程设计

1、环境工程原理课程设计学院：化学与环境工程学院专业：环境工程学号：152209201137姓名：黄颖指导老师：张丽、张艳时间：2017.12.20-2018.1.10目录1设计方案的确定,31.1 明确设计内容,31.2 换热器材料的选择,31.3 换热器的选择,32试算初选换热器的规格,41.1 确定换热流体通入的空间,51.2 基本物理设计参数,51.3 传热速率 Q,51.4 平均温差和壳程数,51.5 初选换热器的规格参数，,，61.6 主要部件，,，83 校核压降，,，83.1 管程压降,83.2 壳程压降,94 热量核算，,，94.1 管程对流传热系数,94.2 壳程对流传热系数,9

2、4.3 总传热系数,104.4 裕度,，105 设计一览表，,，106 参考文献,，117 设计小结，,，111设计方案的确定1.1明确设计内容水冷却苯的列管换热器的设计(1)处理能力：80m3/h(2)设备型式列管式换热器(3)操作条件苯：入口温度：80C;出口温度40 C冷却介质：循环水，入口温度 25 C允许压强降：小于50KPa1.2 换热器材料的选择换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性以 及对材料的制造工艺性能等要求来选取。材料的经济合理性也是非常重要的。一 般换热器常用的材料有碳钢和不锈钢。碳钢的价格低廉，强度较高，对碱性介质的 化学腐蚀比较稳定，很

3、容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器常用的普通无缝钢管，常用的材料为10号和20号碳钢;对于不锈钢来讲，奥氏体系不锈钢有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。111对于本换热系统来说苯和水都属于没有腐蚀性的物质，所以可以选择价格低廉强 度又较高的碳钢。1.3 换热器的选择列管式换热器主要有三种固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器固定管板式换热器、填料函式换热器其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵塞或更换，适宜处理两流体温差相差50°C且壳方流体较清洁不易结垢；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，

4、壳体与管束将会 产生较大的热应力，热应力越大时可以引起管子弯曲变形， 造成泄露。甚至可以 使管子从管板上脱落。浮头式换热器其优点是当换热器管和壳体有温差存在时， 壳体或换热器膨胀时互不约束，这就 可以解决固定管板式换热器的弊病，管束也可以抽出，便于管内与管间的清洗和 检修。缺点是结构复杂，用材量大，造价高；浮头盖和浮头管板间若密封不严， 易发生泄漏，造成两种介质的混合。它适用于两流体温差较大的换热，应用也很 普遍。U形管式换热器结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可抽出，管间（壳 程）清洗方便。质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必 须是洁净和不易结垢的物

5、料，由于管子需要一定的弯曲半径，故管板利用率低；管束最内层间距大，壳程易短路；内层管子不能更换，因而抱人率高。U形管式 换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以 及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可 是高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。填料函式换热器这种设备的结构特点与浮头式换热器相类似， 浮头部分露在壳体以外，在浮头与 壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。因为采用填料函式密封结构，使得 管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。 其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，

6、造价比较低廉，且管束 从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于 4MPa以下的工作条件，且不 适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。 填料函式换热器现在已很少采用。综合以上几种换热器，浮头式和U形管式换热器处理能力不够，并且本设计传热 温差小于50度，所以最适合的是固定板式换热器。2初选换热器的规格2.1 确定换热流体通入的空间由于苯是易燃易爆的液体，适合在管内流动，所以将冷却水放在壳程，苯放在管 程比较合适1112.2 基本物理设计参数冷却水为循环水，设定其温度为12=35 C苯和水的平均温度分别为60&

7、#176;C?口 30,定性温度下苯和水的物性见下表表1流体温度/ C密度/kg/ m3黏度/mPa s比热容/kJ/kg C热导率/W/ m C苯608790.411.8420.137水30995.70.80074.1740.6182.3 传热速率Q下标“ i ”表示苯，下标“ o”表示水由于题目给出的是苯的设计量所以由苯来计算传热量_ _879- 一mi=80X 莉=19.53领?Q=miG t1-?2? = 19.53 X 1.842 X(80 - 40)=1429kw1439000m0= ?«?-窗=4.174 X 995.7 X 35 - 25 = 34.48kg/s2.4

8、 平均温差和壳程数先算逆流式的平均温差一80- 35 - 40- 25-八。八?tm 逆= m 80-35=27.307 c40 - 25计算温度差校正系数P=35-2580-25= 0.18R=80-4035-25由对数平均温差图可得小=0.88所以采用单壳程即可,所以？tm = 0.88 X 27.307 = 24.03 C2.5 初选换热器的规格参数衰管程I 粗w"水 水 水 水 轻宥机物 有机物水水气体水沸腾水溶液出LOxHJ-Pa， 轻有机物 中有机物 重有机物水*水）注:轻肩机物四0与*10"注,1,1440列管式触中Kfl（的整嬖_壳程-一 -_【一_ _ _

9、 _ _净水S.3 *0.6 W.）水（海速较高时）气体,轻有机物有机物轻机物重有机物-水H气冷量（加历） 水寨气布忸蓄压或负压） 水底气得H 水蒸气冷墨 水募气检凝 水蒸气冷餐 楝气冷费 水集气忤发轻有机物蒸气冷覆 里有机物泰气冲凝 装酒t 有机物,IDxlOrKr数据1 _ _总售热系数工值/（叼/ ./，j糊一碗B14-1 1第17-280470 T15115 T 加30 4 始560-230213046501 745 3 4SQW-JOO2 000 - 4 2503Mm微5S0-1 1W290-5S0115-3305S0-1 160 115浏MO-9101根据下表可以初选换热器的传热系

10、数K为350W/（m2? C）所以该换热器所需要的传热面积为 Ao= = 1439000= 171.13 m2o k?tm 350 义 24.024根据下表可初步定出换热器的规格M /MiI gW目效 t f 1FftFqA定板-一 g <2上热.壬，工 税”一25 «2.S芝£.«IS*»(25 所% $热1 £.)*"t-L L.IR219B 1 112S330003 ao on8 70 003 50 007 91.22.7 m1.6J.725S.71.77 i4.5 m6 m9 »27312n6700” 2。00

11、3 SO OH 90 005 04.23.Ss.? 4 S13. 1 17.6ns12J736990 019 70 009 7O. 017 90 008 S*3 e.2s.s 40.012.79 719. J14 B 26.423 Q4400 003 S0 003 14.4 09.113.818.31X120 83 9o(no 810 14 622 9MB45 440)2XII0.016 S0 014 10.)14.02i.4J2.543.3476II006 60 006 O.4li.317.3». 335.2!ISS130 (M6 80 M2 414 » «&#

12、187; 746.662.54502IM120 021 O. 019 13.9IBS».743.55S.44106130 009 20 (MM J11.7is. a24.136.649.11174140 060 1O OM 6|26.099.660. 1K 6MO2IMis0 028 40 023 7M.S37.3S6 676.04144” i0.012 S0. 011 321.432.S49.76.71245O OB4 0 (TM 9M.S”.M.6113.560024232222w170 .040 20 019 20.0J6 40.017 4M.6)3. 1S2.tW.5SO.

13、1M.7107.5102 a6216160 Oi2 50.0” 3)2.249.274.6100 01355210.123 00. Ill 5*).0122.6IM.42M2210 059 20.053 777.9118. 1158 47004)22210 0X7 90.02S 373. JIII.2149. 1oo, 0 161 0 077 9O.OM 30.209 50. 101 8O.O4S OHlo OIS 9140 8MO900. 12 41 2 4 XM 467430 442 芸- 6MSMSM ，M232323242727TfUfl0 18 6一 0.070 7O OM 7 O

14、.O22 , O' 190 0 0 .092 3 0.<M3 5 00M2106.3102.4100.6 B.9-i5TF133.9126 1 ms161.3155.4152.71- 3 wsTo-303 1191.42!L£_216.3208 5204 7 199 2272 32S6 6249.2422.7 410. S M7.I373.9tt*n rs0 通midC*/Mlaa代柳25 m2423 m2. 5/.1.5 ntL 3 L 1 mL 4. , 25M.7 236.3 24S.2 241 1L 6 m_:1 00012467497427106W30 R 2

15、9 IO6. 259 4O. I2S S 0 Obi S <> <mo aO.23S 2O 116 S 0.055 7O.OVi 5170.9I6M.9161.6I5H.9M6，1 343.732B«323.3523.3 SIM 4 “06 0 4M7_71 200t246t IIS1 1021 0521 026373737O M6 20. IW 8O 091 10 059 20.330 10. 173 O0.0K2 60.053 79S9.I3KO.6 363 4 3S4 4516.4SiO 4 491.2 475 2779 0 78 9735.0 ne S1 4

16、0012461 M7 1 5101 4M1 42443434342O.S3S K 0 261 5 0. 123 9 ()CW2 20.4«5 8 0. 237 10.114 10.074 5716 5 4673.4659.51 o».s1 055.01 01S.S W4 q1 60012462 0231 9K21 9001 KM4474M49470.700 70.343 20. IM 50. 10SR0.635 20.3il 2 0.149 20. O9X 6937.0918.0R8O.0r72.61 413.41 3M.71 3J7.431 ROO12462 3592 S

17、I22 4242 44M55540 8H6 30.435 00.209 9O.138 H0 M03 5 0. 394 4O. 190 3 0.123 811 IM.31 163.41 1 122.7 |l 113.41 717 71 7ssi1 I 83 2679 6注，管程武福面视为名”平均tfl，【1】初选固定管板式换热器的主要参数项目数据项目数据壳径D/mm900mm管尺寸。25mmX2.5管程数N (N)4管长L4.5m总管数n554管排列方式正三角形排列中心排管数nc27管心距32mm管程流通面积/m20.0435 m 2传热回积/m191.4m22.6 主要部件折流板采用圆缺型，去

18、折流板圆缺高度为壳体内径的25%则切去的园切高度为h=0.25 X900mm=225mm取折流板板间距B=0.3D,则B=0.3 X900mm=270WJB可取300mm折流板数目Nb = L- 1 = 14 h3校核压强3.1 管程压降管程中的流体是苯，苯是易燃液体，流速允许值不超过1m/sUi =19.530.0435879=0.51m/s0.02 0.51 995.7Re=218670.0008007因为雷诺数在10000和1000000之间所以用公式管程摩擦系数人0.4513Re- 0.2653 = 0.0586管程压降按£% =(AP, +AP2)FtNsNt来计算l %2

19、其中 AP=%=0.0586d 24.5879 X 0.512X说 X= 1507.2Pa；u2P2 =3=342.94 Pa 2Ns =1 Nt = 4 Ft =1.4所以 ？P = 1507.2 + 342.94 X 1 X4 X 1.4 = 10.36KPa3.2克程压降可由 SAPo =(AP； +AP2)FSNs计算Fs 取 1.15正三角形排列管中心距为32mm去折流挡板间距为0.3m,壳程的流动截面积按Ao = hD 1 - mou。= A=Ao咏壳程当量直径do0.025T =0.3X0.9X1-0320.586m/s=0.0591m2de4(-23 X0.0322 x4 X0

20、.0252)Reo =ttX 0.0250.0202 X 0.586 X995.7=0.0202m0.0008007=14709折流板数Nb = L - 1 = 14 h正三角形排列，取F=0.5又由 = 5.0ReO0.228 = 0.56代入.用=F nc(NB 1)02得 AP =19373Pa代入P2' = Nb(3.5 -生)D 2得 P2=6776Pa% P0 = 19373 + 6776 X1.15 X1 = 30.07KPa有上述计算可得壳程和管程压降均小于 50KPa,符合设计要求4热量核算4.1 管程对流传热系数因即21867>10000,管内对流传热系数由s

21、 = O.023； Re0.8Pr0.3其中 Pr=5.15可得 g=763.46W/m。4.2 克程对流传热系数按式% = 0.36 d Re055Pr1/3 (三严4其中 Pr=5.4 ( )0.14 =1Rw2 -可得 出 = 3786.53W/mC4.3 总传热系数K=1K=d°- d0 bdo -1- Rsi - - Rso- idi di dm二 0式中取壳程和管程的污垢热阻为 Rso = Rsi =0.0002 (m2/W)代入数据得Ko = 415.46W/(m 2C)4.4裕度根据设定的传热系数和算出的传热系数可得裕度=空4产=18.7%350由此可得该换热器型号合适5设计一览表换热器主要结构尺寸和计算结果参数田壳程流量 /(kg/h)70320124129进口温度/C8035出口温度/C4025压力/MPa0.050.15物性定性温度/C6030密度/(kg/m3)879995.7定压比热容/kJ/(kg C-1.8424.174黏度/Pa s0.410.8007热导率/W/(m -C0.1370.618设备结 构参数型式固定管板式壳程数1壳体内径/mm20台数1管径/mm25管心距/mmr 32管长/mm4500管子排列正三角形管数目/根554折流板数/个14传热回积/m191.4折流板间距/mm300管程数4质一碳素