化工原理课程设计之换热器

化工原理课程设计之换热器化工原理课程设计之换热器#传热面积k值范围581.5W/(M℃)〜1744.5W/(M℃)假设传热系数K=1000W/(M℃)则估算传热面积为：S=Q/(KxAtm)=71700/(1000*51.35)=1.3962tf3.1.4.冷却水用量W2=Q/(Cpi*At)=71.70/(4.174*20)=0.8588kg/s第二节工艺结构尺寸．管径和管内流速流动空间，管径和管内流速的选择。由于流速对蒸气冷凝给热系数的影响较小，并且为了使冷凝液易于排出，选择水蒸气在管外冷凝，水流经管内。从腐蚀性，传热面积和价格三方面考虑，选用019x2较高级冷拔热管(碳钢)，此管的内径d=0.045m.综合考虑管内Re,管程压降及单程管束三方面因数，取管内水流速u=1.0m/s.管程数和传热管数按单程管计算，所需传热管数n=4W2/(p・n・di2・ui)=4*0.8588/(1.0*3.14*0.015*0.015*995.7)=6(根)按单管程计算，所需传热管长度为：L=S/(n-do-n)=1.3962/(3.14x0.019x6)=3.900m国标(GB151)推荐的传热管长为1.01.52.02.53.04.5,6.0，7.5，9.0，12.0米。根据本设计实际情况，采用标准设计。现取传热管长l=4.5m则该换热器的管程数为：Np=[L/l]=3.900/4.5=1管数NT=nxNp=6(根)根据平均传热温差Atm=51.35,同时考虑到壳程流体流量，故选择按单壳程,单管程结构较为合适。传热管排列和分程方法按三角形法排列。壳体内径壳体内径可按下式估算为：D=t(nc-1)+2b'式中D 壳体内径/mm；t——管中心距/mm；(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。取管心距住1.25do,不妨取t=1.25do=1.25x19=23.75，取t=25mm)nc——横过管束中心线的管数；b'——管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取b'=(1〜1.5)do/mm；(该处设计取值为b'=1.5do)do 换热器外径/mm。nc值可由下面公式估算，即：管子按三角形排列nc=1.19*==1.19x73=2.61则壳体内径 D=t(nc-1)+2do=0.025x1.61+2x0.019=0.07825m=78.25mm表3—2壳体标准尺寸：壳体外径/mm325400、500、600、700800、900、10001100、1200最小壁厚/mm8101214综合计算结果与表3—2中的相关数据以及钢板的圆整值可取D=80mm。即换热器的外径取为：325mm.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：h=0.25D=0.25x80=20,Wh=20mm；取折流板间距：B=0.3D，B=0.3x0.08=0.024m,取B=24mm；折流板数NB=（传热管/折流板间距）1—=（1000/2）4－1=40块折流板圆缺面水平装配。主要附件：1）拉杆数量与直径：表3—3本换热器壳体内径壳体公称直传mm15g32540060070g8009001200130(—15001600170018002000拉杆直径8、10、101212161216121612161216/mm12拉杆数量/个4648610612814101812表3—4换热管外径与最大管间距换热管外径mm19253238最大间距mm1500190022002500根据表3—3的数据，以及换热管外径：o=19m,选择拉杆直径为：10mm壳体公称直径^325酮故拉杆数量为根。（2）缓冲挡板：为防止壳程进口处流体直接冲击传热产管生，冲噬，必要时应在壳程物料进口处设置防冲挡板一。般当壳程介质为气体和蒸汽时应，设置防冲挡板。（3）导流筒：壳程流体的进、出口和管板间必然存在有一段流体不能流动的（空死间角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。（4）放气孔、排液孔：换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等。（5）接管：换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即d=J[4Wnpu]=V[4Vsnu]式中Ws--流体的质量流量s；kgVs--流体的体积流量/s；u——流体在接管中的流通sp——流体的密度，/m；流通的经验值可取为：对液体u=1.—52m/s；对蒸气u=2—050m/s；对气体u=(0.15-0.2)Pp(P为压强KPa;为气体密度逑/由)。壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为」接管内径为：dh=V4whnpu=1000/[(4X200/360)0/(3.14X958型20)]=7.0mm取接管内径为mm管程流体进出口接管：取接管内液体流速为11接管内径为：dc=V[4Wsnpu]=1000](4X4.1338/3.14X998.X1.5)]=83.8mm取接管内径为5mm3.2.7材料选用管壳式换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的力学性能及腐蚀性能下降。同时具有耐热性、高温度及腐蚀性的材料很有的。目前常用的金属材料有碳不钢锈、钢、低合金钢钢和铝等非；金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，

尽量少用。表3—5管壳式换热器个部件的常用材料：部件或零件名称材料牌号碳素钢不锈钢壳体、法兰A3F、A3R、16MnR16Mn+0Cr18Ni9Ti法兰、法兰盖16Mn、A316Mn+1Cr18Ni9Ti管 板A41Cr18Ni9Ti膨月长节A3R、16MnR1Cr18Ni9Ti挡板和支承板A3f1Cr18Ni9Ti螺 栓16Mn、40Mn、40MnB换热管10号1Cr18Ni9Ti螺 母A3、40Mn垫 片石棉橡胶板支 座A3F根据上表以及混合液的微弱腐蚀性，所有的材料均选择为碳素钢，所选个部件及零件的钢材的牌号为上表中加黑斜体。第四章换热器的核算第一节热流量核算壳程对流传热系数：蒸汽冷却是伴有相变化的对流传热过这程类。传热过程的特点是相变流体要放出大量的潜热但，流体温度不发生变化当饱和蒸汽与温度较低的壁面相接触时，蒸汽放出潜热，并在壁面上冷凝成膜状液体故。壳程表面传热系数用纯净的饱和蒸汽膜状冷凝传热系数的计算方法。根据本设计的实际情况蒸，汽在水平管束外冷凝用，凯恩公式估算即，：ao=0.725[r**p*g*入*人*入/(R*do松t)]i/4当量直径，由正方形排列，得：de=4[2-0.25ida]/(nXdo)==4[(0.025-0.25X3.14X0.019]+(3.14X0.019)=0.0229m壳程流通截面积：So=XD(1-do/t)==0.0240.08X(1-0.01・0.025)=0.000017724m壳程流体流速及其雷诺数分别为：Uo=Ws/p(XSo)=(20件3600)+(0.371X0.00001774)=0.84m/sRe=p*Uo*de/4o=0.0229X100X0.42X0.371X1000+0.2838=1257.3属于层流将上面的数据代入公式o=0.725[r**p*g*入*人*入/(R*do松t)]i/4得ai=325000WQ/nK)管程对流传热系数由公式可知：ai=0.023：Ai/d)・R®8・P0.4式中：n一当流体被加热I为被冷却为3Re-管内混合物的雷诺数；P—管内混合物的普兰特准数；入i—管内混合物的导热W/数!•℃)d一管内径；Cp-管内混合物的比热/(kg・℃)则管内混合物的流速诲亚琳・si・n二(0.4294*4)/[995(7.14X0.015<0.015<9)]=0.814m/s与前面假设的流速向相差甚微，故假设成立。核算流型Re=d》ui•pi/p二0.01X0.973<0.37区100/0.001005=538.7842属于层流区。普朗特常数好=5.42则代入数据得=2779.3WMK)壳程和管程的污垢热阻表4一1工业用气体气体类型污垢热阻(cm?・℃kw)常压气体0.088-0.176潮湿空气0.264压缩空气、乙烯0.72水蒸气(不带油干燥气体、有机化合物气体0.088废水蒸气(带油天然气、溶剂蒸汽、酸性气体、变换气0.176塔顶馏出物蒸汽、工业用有机截热体蒸汽0.176

带触媒气体HCL气0.528表4—2工业用液体液体类型污垢热1阻(cm2・℃kW)液化气、汽油、溶剂油、煤油5 0.176柴油轻质0.72重质0.528重油、燃料油0.88残油、渣油、焦油1.76吸收油贫油0.72富油0.176有机溶剂、冷冻剂1(氨、丙烯) 0.176水胺、二乙二醇醚溶剂0.344壳程污垢热阻So=0.00005m・℃)/w；管程污垢热阻Si=0.000(m・℃)/W;取碳钢在该条件下的热导率0W(m,℃).w总传热系数由公式可知：do+do+Rd0+bd0+Raixdi si再入dmso+1ao式中1式中1(—管子的外径d—管子的内径ai—管内表面传热系数;Rs—管程的污垢热阻；b-管壁厚/m入一管材料的热导率；dm—管内外径的平均直径Rs—壳程的污垢热阻；ao—管外表面的传热系数。当公式中糊06dm可忽略时：其中已知do=0.019m,di=0.0a5O=325000Wr/(k)ai=57739.6WW),Rso=0.000052n・℃)/W,Rsi=0.0006m・℃)W。将上述数据代入总传热系数公式中计算得K0=1831W/壮・℃则枚惊0.9接近1.25之间。符合要求假诳=1800W/(壮・℃)成立；传热面积裕度：由公式可知0二邱祖tm得：So=Q/(K*tm)=69166.万(1831X79.93)=0.472612实际传热面积Sp=i*do*l*NT=3.1X0.019X1X9=0.53694tf则传热面积裕度H二|(Sp-So)|/SpX100%=11.11%；该值在10%——20%)之间，故符合要求。第二节壁温核算及核算冷凝液膜流型校核壁温校核壁温时，用公式―tw)/(1/ao+RsO=(tw^ti)/(1/ai+Rs)式中T一定性温度下饱和蒸汽温度ti一定性温度下混合物的温;度Rs、Rs—管外和管内的污垢热阻/W则代入解得w=8℃。该值与假设：=8℃相差不大，故假设合理。换热器的外壳壁温与环境温度有一定会的出温现差热，量损失影，响劳动条件及安全。因此设备壁温超5过0℃，就需保温，以减少热量的损失。该装置需进行热补偿核算冷凝液流型核算冷凝液流型时，需计算单位润湿周边上冷凝液流前)：M=W/b=W/(2*l)=Q/(r*2*l*nc)二69166.7/(4290*103X2X1X9)=0.8957K10-3Kg/(mC)那么：Re=4*M/i=4X0.8957Xia3/0.283X10-5=12.62<2000层流故假设合理，即可采用。管程流体阻力⑴管程阻力£APi二(△P1+AP2)*Np*Ft其中Ft=1.5,Np=1△P1=\i*(L/di)pi*ui2/2=0.6176X995.7X1.0X1.0/(0.015X2)=20498.1Pa△P2二z(pi*ui2/2)=3X995.7X1.0X1.0/2=1493.6Pa£APi=(△P1+AP2)*Np*Ft=(20498.1+1493.)6*1*1.5=32987.6Pa核算压强降是否合理，用下表检验操作情况操作压力，Pa（绝压）合理压力降，Pa减压操作P=0〜1x1050.1低压操作P=1x105〜1.7x1050.4常压操作P=1.7x104〜11x1050.35x105中压操作P=11x105〜31x1050.35〜1.8x105较高压操作P=31x105〜81x1050.7〜2.5x105根据本设计的实际情况操，作压力为常压，在常压操作范围内由，表数据，可知：合理压力降:为=1.7x105〜11x105而32987.6P在允许范围内,故符合要求。⑵壳程阻力£APo=(△P1’+AP2’)*Ns*Fs其中Fs=1,Ns=1,△P1'=Ffonc(NB+1)*p*ua/2F=0.5,fo=5.Reo)。228=5.0X3771-0。228=0.7647nc=1.19x49=3.57NB=28贝必P1'=0.5X0.7647X29X3.57X958.4X0.385X0.385/2=290.86Pa△P2’=Nb*(3.5-2B/D)p*U2/2=28X(3.5-0.6)X958.4X0.385X0.385/2=6308.5Pa故£△Po=(△P1’+AP2,)*Ns*Fs=(290.86+6308.5X1=6599.36Pa式中：F-管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5,对正方形斜转45°排列为0.4,正方形排列为0.3；fo-壳程流体的摩擦系数，nc—横过管束中心线的管子数NB-折流挡板数；核算压强降是否合理，用下表检验操作情况操作压力，Pa（绝压）合理压力降，Pa减压操作P=0〜1x1050.1P低压操作P=1x105〜0.4P

1.7x105常压操作P=1.7x105〜11x1050.35x105中压操作P=11x105〜31x1050.35〜1.8x105较高压操作P=31x105〜81x1050.7〜2.5x105根据本设计的实际情况，操作压力为06MP，在低压操作范围内，由表数据，可知：合理压力降为7X105而0.18X105Pa<0.7K1Q5，故符合要求。第四节换热器主要结构尺寸和计算结构：表4—4换热器主要结构尺寸和计算结构第五节换热器及管子排列简图4.5.1简图浮头式换热器图如图所示：（注：图示大小不表示实物大小，以标注的尺寸为准。）1.AEM前端管箱为A型平