化工原理课程设计任务书-用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计

化工原理课程设计设计题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计目录TOC\o"1-5"\h\z（一）综述 2\o"CurrentDocument".换热器类型 2\o"CurrentDocument".换热器的主要用途 2\o"CurrentDocument"（二）课程任务设计书 3.设计题目 3.设计条件 3（三）设计方案简介 4.流动空间的确定 4.定性温度 4.水和煤油的物理性质 4（四）计算总的传热系数 4.热流量及温度计算 4.平均温度校正 5.确定总的传热系数K估 5.选择换热器类型 5（五）换热总传热系数核算 6.壳程对流传热系数 6.管程对流传热系数 7.污垢热阻 8.传热系数K 8（六）计算传热面积裕度 8.换热器实际面积 8.面积裕度 8（七）核算压强降 8.管程压力降的核算 8.壳程压力降核算 9（八）设计结果总览 11（九）实验心得 11（十）参考文献 12（一）综述换热器的分类与比较，根据冷、热流体热量交换的原理和方式，器基本上可分为三大类即间壁式混合式和蓄热式，其中间壁式换热器应用最多，所以主要讨论此类换热器。.换热器的主要类型表面式换热器表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，;令介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。④直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。.换热器的用途加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。过热器过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。④蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。.换热器的结构类型可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。蛇管换热器这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器想适应的形状并沉浸在容器内的液体中。蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀性材料制造；其缺点是容器内液体湍流程度低，管外对流传热系数小。套管式换热器套管式换热器是用两种尺寸不同的标准管连接称为同心圆的套管，外面的叫壳程内部的叫管程。两种不同介质可在壳程和管程内逆向流动（或同向）以达到换热的效果。列管式换热器歹憎式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：a.固定管板式换热器：这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。b.浮头式换热器：换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。c.U型管式换热器：U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。（二）课程设计任务书.题目：用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计.设计条件：处理能力 1.188x105吨/年煤油设备型式 列管式换热器操作条件2.煤油：入口温度120℃,出口温度50℃卜；冷却介质：自来水，入口温度15℃,出口温度45℃c.允许压强降：不大于1.5x105Pa④每年按330天计，每天24小时连续运行（三）.设计方案简介：1.流动空间的确定从增加两物流的传热膜系数看，应使煤油走管程，;冷却水走壳程。但由于;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降；又被;冷却的流体宜走壳程，便于散热。所以从总体考虑，应使冷却水走管程，煤油走壳程。选用25x2.5的碳钢管2、定性温度：可取流体进口温度的平均值作为定性温度T+T_120+50壳程煤油的定性温度：T=一丁=-2—=85℃管程;冷却水的定性温度：看=三=15+45=30℃2 23.水和煤油在定性温度下的物理性质（查《工程常用物质的热物理性质手册》）密度a(kg/m3)比热容Cp(kJ/kg•℃)热导^AW(m・℃)黏度u(Pa・S)水（35℃）995.74.1740.617680.07x10—5煤油（85℃）8122.080.141—30.82x10(四)计算总传热系数1、热流量及温度计算热流量15000义2.08x103义(120—50)Q=qc(T-T)=qc(t—t)= =606666.67m1p112 m2p221 3600

冷却水的流量：q=——2一=606666，67 =174413kg/hm2cQT)4174X(45-15)pl2 1计算两液体平均温度\t=T-t=120_45=75℃At=T-t=50-15=35℃1 1 2 2 2 1M、M、*=一J—一-=52.48℃逆AlIn--

Ar2.平均温度校正120-50

45-15=2.33Km1-2折流和1壳程氏4、氏一管程120-50

45-15=2.33Km1-2折流和1壳程氏4、氏一管程该换热器是单壳程，双管程，由图可知校正系数(p=0.94A?=^P.A?该换热器是单壳程，双管程，由图可知校正系数(p=0.94A?=^P.A?=49.33。。mz机逆3.确定总的传热系数K估初选换热器规格，根据的流体情况，假设K=345w/(m2•℃)估QkAtmQkAtm606666.67:33.5m2345x52.484.选择换热器类型120+50-15+45=55℃>50℃,需要考虑热补偿。采用浮头式换热器。根据换热面积的需要选择下面类型的浮头式换热器（图附在最后）壳径/mm500管子规格/加。25x2.5公称压强/MPa1.5x10八5管长/m4.5计算传热面积/m240.1管子总数116管程流通面积/m20.0091管子排列方式正方形旋转45°中^心管数9（五）换热总传热系数核算.壳程对流传热系数流通截面积采用组合排列发，既每管程内均按正三角形排列，隔板两侧采用方形排列，取管心距t=1.25d 贝Qt=l.25dx25工32mm=0.032m1 1取折流挡板间距BR.4D,则B=0.4x0.5=0.2mm,则流体通过的最大截面积A=BD(1-d0)=0.2x0.5(1-0.025)=0.02188m2t 0.032当量直径4x(2—12—三d2)4x(m0.0322—0.785x0.0252)d= 2 40= 2 =0.020me 必 3.14x0.0250壳程内流体流速1.188x108q==4.17kg/sm13600x24x3304.17u=q1=812x0.02188=0-23m/s0pA0④雷诺系数R=deU0p0=0.02x0.23x812=4555e\ 0.82x103⑤普兰特数Pr=cp*0=2.08x103x0.82x10-3=12.1九 0.141⑥黏度校正由于壳程煤油是被冷却的，所以取（区）0,14=0.95Nw⑦对流传热系数S0对于圆缺型挡板壳程，且2000<Re=4555<1x106，选择公式:人 1ua=0.36-Re0.55Pr3(.)0.140d0ue0 w=0.36x0m义45550.55x12.l3x0.95=564攻/(m2•©0.02.管程对流传热系数查表得换热器管程面积A1=0.0091m2管程流速u=q^= 17441.3 =0.535m/s1pA 3600x995.7x0.009111雷诺系数d二(0.025-0.0025x2)=0.02mRe=U=0.02x995.7x0.535=133161A 0.8007x10-3普朗特数Pr=J1Ml=4.174x103x0.8007x10一3=5.411 九1 0.6176④对流传热系数S1d=0.023^1Re0-8Pr0.4=0.023x。口"、x133160.8x5.410.4=2780攻/(m2•()1d1 1 0.021.污垢热阻查阅得自来水的污垢热阻Rs=0.00034m2.c/w1煤油的污垢热阻Rs=0.00017179m2•c/w0.传热系数K计

采用碳钢材质的管子，管壁厚度：b=0.0025m 则查资料其热传导系数：X=45w/(m-c)1—+0.000171791—+0.00017179+0.00250.025+0.00034x564450.0220.025 10.025 + 0.02 27800.0211 bdd1d一+Rs+_—0-+Rs—o-十——0-d 九dddd01111二347w/（m2.oC）（六）计算传热面积裕度.换热器实际换热面积S=-Q-=606666.67=33.3m2实kAt 347x52.48计m.计算面积裕度查选择的换热器的参数表得，换热器的换热面积Sp=401m2S-S、 40.1—33.3 -n=p「实= x100%=20.4%<25%S33.3实换热器的裕度合适，能完成生产任务，该换热器选择合适。（七）.核算压强降1.管程压力降核算ZP=（Ap+Ap）FNNi 1 2tsp（N一管程数，Ns—壳程数，Ft一结垢校正系数）已知管程数N=4,壳程数N=1sp

查资料得结垢校正系数025x2.5四根的管子取：b二1.4直管阻力邸、已知Re=13316,传热管相对粗糙度与="1=0.0005,1 d20口⑷o.ma.oai仙”堂正其多0.D*14OG&fiOM04口⑷o.ma.oai仙”堂正其多0.D*14OG&fiOM04南睹准数整查图可得摩擦系数九二0.027w/（m.（）换热器管子长度为l=4.5mo△PCx1x=0,027x_ilx9955x0-5352=865Pa2 0.02 2④回弯管阻力计算AD二P〃2&995.7x0.5352AP=c2-=3x =427Pa2 2 2⑤管程流动阻力E。i'P=（A。+A匕>NN0=（865+427）x1.4xlx4=7325.2Pa<1.5xl05Pa2.壳程压力降核算挡板数

1_1米用弓形挡板，取挡板局度为壳径的3，则被切去的图度h/D=5x0.5=0.1m5挡板间距为B=0.4D=0.4x0.5=0.2m，则挡板数NB为:N=传热管管长-1=45-1=22块B折柳挡板间距0.2流经管束流体压力降Eap=(Ap'+Ap')FN（F一结垢校正系，N—管程数）经查资料结垢校正系数分=1,管程数N=1由于换热管是正三角形排列，查表得校正系数：F=0.5壳程流体摩擦系数/0=5Re0-0.228=5x4555-0.228=0.73已知该换热器的中心管束n=9则流过管束压力降为：c812义0.232=1622.7Pa812义0.232=1622.7PaAP:二F0nc(Nb+ =0.5x0.73x9x(22+1)流体流经折流挡板处的压力降已知壳径D=0.5m挡板间距B为0.2m2 2BP2 2BPu2Ap〃=N(3.5-——r-0-^=22(3.5-2B D22义0.2)812义0.2320.5二1275.8PaE④壳程总的压强降一p0e乙Pc=(Ap+Ap)FN=(1622.7+1275.8)x1x1=2898.5Pa<1.5x105pa0 1 2 ts壳程流动压力降在合理范围内。

经核算，管程和壳程的压力降均在合理范围内，该换热器能满足生产任务，可以应用。（八）设计结果总览换热器型式：浮头式换热器换热面积（m2）:40.1m2工艺参数名称管程壳程物料名称自来水煤油操作温度，℃进15/出45进120/出50流量，kg/h1744115000流体密度，kg/m3995.7812流速，m/s0.230.535

传热量，kW606666.67总传热系数，W/m2-K347对流传热系数，W/m，K5642780污垢系数，m2-K/W0.000343940.00017197阻力降，MPa7.3252.898程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格①25x2.5管数116管长，mm4500管间距，mm32排列方式止三角形折流板型式上下间距，mm200切口高度20%壳体内径，mm500（九）实验心得初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像其他课程一样是实验类的，听课的时候也一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。有一段时间都在观望。所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。裕度15％，在合理范围内，但是，一看压力降，彻底崩溃了，12多千帕，天啊，完全不合理。再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不同，果真用这设计的话，也是谋财害命。所以我决定重新来过。这时离交作业还有三天，做出来