列管式換熱器課程設(shè)計(jì).doc

1 一 方案簡(jiǎn)介一 方案簡(jiǎn)介 1 二 方案設(shè)計(jì)二 方案設(shè)計(jì) 2 1 確定設(shè)計(jì)方案 2 2 確定物性數(shù)據(jù) 2 3 初選換熱器規(guī)格 3 4 計(jì)算傳熱面積 4 5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 4 6 換熱器核算 6 三 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表三 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 8 1 參考資料 9 2 主要符號(hào)說明 9 2 一 方案簡(jiǎn)介一 方案簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)任務(wù)是利用循環(huán)水給熱水降溫 利用熱傳遞過程中對(duì)流 傳熱原則 制成換熱器 以供生產(chǎn)需要 下圖 圖 1 是工業(yè)生產(chǎn) 中用到的列管式換熱器 選擇換熱器時(shí) 要遵循經(jīng)濟(jì) 傳熱效果優(yōu) 方便清洗 復(fù)合實(shí)際需要 等原則 換熱器分為幾大類 夾套式換熱器 沉浸式蛇管換熱器 噴淋式換熱器 套管式換熱器 螺旋板式換熱器 板翅式換熱器 熱管式換熱器 列管式換熱器等 不同的換熱器適用于不同的場(chǎng)合 而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用 它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 堅(jiān)固 制造 較容易 處理能力大 適應(yīng)性大 操作彈性較大 尤其在高壓 高 溫和大型裝置中使用更為普遍 所以首選列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基 礎(chǔ) 3 二 方案設(shè)計(jì)二 方案設(shè)計(jì) 需將熱水液體從 80 冷卻到 60 處理能力為 2 105噸 年 冷卻介質(zhì)采 用循環(huán)水 入口溫度 25 出口溫度 35 要求換熱器的管程和殼程的壓降不 大于 105Pa 試設(shè)計(jì)能完成上述任務(wù)的列管式換熱器 每年按 300 天 每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 1 確定設(shè)計(jì)方案 確定設(shè)計(jì)方案 1 選擇換熱器的類型 選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況 熱流體進(jìn)口溫度 80 出口溫度 60 冷流體 冷流體進(jìn)口溫度 25 出口溫度 35 從兩流體溫度來看 估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會(huì)很大 因 此初步確定選用固定管板式換熱器 2 流動(dòng)空間及流速的確定 流動(dòng)空間及流速的確定 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)水垢 應(yīng)使循環(huán)水走管程 熱水走殼程 選用 25 2 0 的不銹鋼管 2 確定物性數(shù)據(jù) 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度 可取流體進(jìn)口溫度的平均值 殼程熱水的定性溫度為 70 2 6080 T 管程循環(huán)水的定性溫度為 03 2 5325 t 根據(jù)定性溫度 分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù) 水在定性溫度 70 下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下 密度 h 997 8 kg m3 定壓比熱容 cph 4 187kJ kg 導(dǎo)熱系數(shù) h 0 6676 W m 粘度 h 4 061 10 4 Pa s 水在定性溫度 30 下的物性數(shù)據(jù) 密度 c 995 7kg m3 定壓比熱容 cpc 4 147 kJ kg 導(dǎo)熱系數(shù) c 0 6176 W m 4 粘度 c 8 007 10 4 Pa s 3 初選換熱器規(guī)格 初選換熱器規(guī)格 按照殼層熱水計(jì)算熱負(fù)荷按照殼層熱水計(jì)算熱負(fù)荷 1 熱流量 熱流量 Wh 2 105 1000 300 24 27777 78kg h Qh Whcph th 27777 78 4 187 80 60 2326111 297 kJ h 646 1 kW 1 kW 1000W 3600s 3600kJ 2 計(jì)算兩流體的平均溫度差 暫按單殼程 雙管程進(jìn)行計(jì)算 逆流時(shí)平均溫度為 計(jì)算兩流體的平均溫度差 暫按單殼程 雙管程進(jìn)行計(jì)算 逆流時(shí)平均溫度為 79 39 5206 5380 ln 5206 5380 ln t 2 1 21 t t tt m P t2 t1 T1 t1 0 182 R T2 T1 t2 t1 2 采用外推法得知 0 95 0 8 故選擇單程 37 8 tt mm 3 冷卻水用量 冷卻水用量 hg Q W h 4k56091 4226 2535147 4 72326111 29 tc c cpc 初選換熱管為規(guī)格換熱器 具體參數(shù)如下 2 0mm25 公稱直徑 DN mm 管程 數(shù) N 管子根數(shù) n 換熱管長(zhǎng)度 mm公稱面積 m2流速 m s 管子排列方法 4502126300028 70 5正三角形排列 4 總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù) K 管程傳熱系數(shù) 13059 14 8007000 0 7 9950 5021 0 pdu c cc e R 4 0 c cpc 8 0 c ccc c c c c pud d 023 0 4 0 3 8 0 6176 0 0008007 0 104 147 13057 14 021 0 6176 0 023 0 5 m 2600W 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù) 2000 W m2 污垢熱阻 Rsc 0 000344 m2 W Rsh 0 000172 m2 W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) 17 W m h sh m h c h c cc h 1 d bd d d d d 1 RR K 2000 1 000172 0 0225 0 17 025 0 0025 0 021 0 025 0 000344 0 021 0 2600 025 0 1 m 587 27W 4 計(jì)算傳熱面積 計(jì)算傳熱面積 2 3 m 29 1 8 73587 27 10646 1 t m K Q S 考慮 15 的面積裕度 S 1 15 S 1 15 29 1 33 5m2 5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1 管徑和管內(nèi)流速及管長(zhǎng) 管徑和管內(nèi)流速及管長(zhǎng) 選用 25 2 0 傳熱管 不銹鋼 取管內(nèi)流速 uh 0 5m s 選用管長(zhǎng)為 3m 2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 根 實(shí) 142 3025 0 14 3 33 5 ldh s A N 按單程管計(jì)算其流速為 sm W 0 32 4 142021 0 14 3 7 5993600 56091 4 4 nd 7 5993600 u 2 s 2 c c 按單管程設(shè)計(jì) 流速過小 宜采用多管程結(jié)構(gòu) 則該換熱器管程數(shù)為 2 傳熱管總根數(shù) N 142 根 6 4 傳熱管排列和分程方法 傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法 即每程內(nèi)均按正三角形排列 隔板兩側(cè)采用正方形排列 取 管心距 t 1 25 d0 則 t 1 25 25 31 25 32 mm 橫過管束中心線的管數(shù) 根13 11261 1 C N 得到各程之間可排列 13 支管 即正六邊形可排 6 層 則實(shí)際排管數(shù)設(shè)為 126 根 其中 6 根拉桿則實(shí)際排管數(shù)設(shè)為 142 根 5 殼體內(nèi)徑 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu) 取管板利用率 0 7 則殼體內(nèi)徑為 478 7 0 142 3205 1 t05 1 N D 圓整可取 D 500mm 6 折流板 折流板 采用弓形折流板 取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25 則切去的圓缺高 度為 h 0 25 500 125mm 故可取 h 125 mm 取折流板間距 B 0 5D 則 B 0 5 500 250mm 可取 B 為 250 折流板數(shù) NB 傳熱管長(zhǎng) 折流板間距 1 3000 250 1 11 塊 折流板圓缺面水平裝配 7 接管 接管 殼程流體進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)熱水流速為 u 1 0 m s 則接管內(nèi)徑為 99m0 0 0 114 3 997 83600 27777 784 u 4 d1 V 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 108 mm 11mm 管程流體進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)冷卻水流速 u 0 5 m s 則接管內(nèi)徑為 105m 0 50 14 3 995 73600 15579 94 d2 取 76mm 6 5mm 無縫鋼管 6 換熱器核算 換熱器核算 1 熱量核算 熱量核算 殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺形折流板 可采用凱恩公式 14 0 w 3 1 55 0 h e h re d 36 0 PR 當(dāng)量直徑 由正三角形排列得 7 m020 0 025 0 14 3 025 0 4 032 0 2 3 4 42 3 4 2222 h h e d dt d 殼程流通截面積 27m0 0 032 0 025 0 15 025 0 t d 1 h o BDS 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 14963 3 0004061 0 8 99729 0 021 0 e 29m 0 270 0 8 9973600 78 27777 u h h R s 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 55 2 6676 0 0004061 010187 4 r 3 P 粘度校正 1 14 0 w 23 155 0 h m 309212 5514963 3 102 0 6676 0 36 0 W 管程對(duì)流傳熱系數(shù) 4 08 0 c c c re d 023 0 PR 管程流通截面積 22 c 25m0 0142 2102 0 785 0 S 管程流體流速 2 5886 6176000 0 7 59921 0 102 0 Re s 17m 0 250 0 995 73600 15579 9 u c c 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 24 08 0 c 3 587538 5 5886 2 02 0 7661 0 023 0 38 5 6176 0 8007000 0 10147 4 r mW P 傳熱系數(shù) K 8 2 o sh m h c h c cc h m 786 8 3092 1 172000 0 0225 0 17 025 0 0025 0 102 0 025 0 000344 0 102 0 5875 025 0 1 1 d bd d d d d 1 W RR K 傳熱面積 S 2 3 m 21 7 8 37786 8 10646 1 t m K Q S 該換熱器的實(shí)際傳熱面積 Sp 2 hp 30 2m11 42106 0 3025 0 14 3 ld NS 該換熱器的面積裕度為 28 30 2 21 730 2 100 p S SS H 傳熱面積裕度合適 該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù) 2 換熱器內(nèi)流體的壓力降 換熱器內(nèi)流體的壓力降 管程流動(dòng)阻力 Pi P1 P2 FtNsNp Ns 1 Np 2 Ft 1 5 2 u 2 u d l 2 2 2 i1 PP 由 Re 5886 2 傳熱管相對(duì)粗糙度 0 1 21 0 005 查莫狄圖得 i 0 042 W m 流速 uc 0 17m s 995 7kg m3 所以 ak10a40125 190 6443 16 a43 16 2 17 0 5 799 3 a90 64 2 17 0 5 799 02 0 3 420 0 i 2 2 2 1 PPP PP PP 管程壓力降在允許范圍之內(nèi) 殼程壓力降 9 1 1 2 1o FtNs FtNsPPP 流體流經(jīng)管束的阻力 PaP uNn f F u NnFfP oBc h Bco 1 1064 2 191 0 1154 114 116114 0 5 0 191 0 14 11 6114 0 6 100645 5 0 2 1 2 1 228 0 2 h 1 流體流過折流板缺口的阻力 ak10 8 180011 7 736 1 1064 a 7 736 2 191 0 1154 4 0 2 02 5 3 14 2 2 5 3 4 0 2 0 2 2 5 3 o 22 2 2 2 PP P u D B NP mDmB u D B NP o B o B 總壓力降 殼程壓力降也比較適宜 三 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表三 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 換熱器形式 列管式換熱器 換熱面積 m2 30 2 工藝參數(shù) 名稱管程殼程 物料名稱冷卻水熱水 操作壓力 Pa未知未知 操作溫度 25 3580 60 流量 kg h 56091 4227777 78 流體密度 kg m3 995 7997 8 流速 m s 0 170 29 傳熱量 kW 646 1 總傳熱系數(shù) W m2 K 786 8 傳熱系數(shù) W m2 58753092 污垢系數(shù) m2 K W 0 0003440 000172 阻力降 Pa 4011800 8 程數(shù) 21 10 推薦使用材料不銹鋼不銹鋼 管子規(guī)格 25 2 0 管數(shù) 142管長(zhǎng) mm 3000 管間距 mm 32 排列方式正三角形 折流板型式上下間距 mm 200 切口高度 25 殼體內(nèi)徑 mm500保溫層厚度 mm未知 1 參考資料參考資料 1 賈紹義等 化工原理課程設(shè)計(jì) 天津大學(xué)出版社 2002 2 柴誠(chéng)敬等 化工原理課程設(shè)計(jì) 天津科學(xué)技術(shù)出版社 2002 3 陳敏恒等 化工原理 上下冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 4 鄺生魯?shù)?化學(xué)工程師技術(shù)全書 上下冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 5 匡國(guó)柱等 化工原理課程設(shè)計(jì) 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 2 主要符號(hào)說明主要符號(hào)說明 英文字母英文字母 B 折流板間距 m C 系數(shù) 無量綱 d 管徑 m D 換熱器外殼內(nèi)徑 m f 摩擦系數(shù) F 系