化工原理課程設(shè)計__09040070左子玲

1、 * * 化工原課程設(shè)計化工原課程設(shè)計 * * 換熱器工藝初步設(shè)計換熱器工藝初步設(shè)計 學生姓名：學生姓名： 左子玲左子玲 學學 號：號： 專專 業(yè)：業(yè)： 環(huán)境工程環(huán)境工程 班班 級：級： 09402 成成 績：績： 指導教師：指導教師： 柯斌清老師柯斌清老師 設(shè)計時間：設(shè)計時間：2011 年年 10 月月 25 日至日至 2011 年年 12 月月 13 日日 環(huán)境與生命科學系環(huán)境與生命科學系 目 錄 1 設(shè)計題目.2 2 設(shè)計條件.2 3 設(shè)計內(nèi)容和要求.3 4 設(shè)計內(nèi)容.3 4.1 選擇換熱器的類型.3 4.2 流動方向 .4 4.3 估算傳熱面積.4 4.3.1.熱流量.4 4.3.2.

2、平均傳熱溫差.4 4.3.3.傳熱面積.4 4.3.4 冷卻水用量 .4 4.4 主體構(gòu)件的工藝結(jié)構(gòu)尺寸 .5 4.4.1 管程數(shù)和傳熱管數(shù) .5 4.4.2 平均傳熱溫差校正 .5 4.4.3 傳熱管的排列 .5 4.4.4 殼體內(nèi)徑 .5 4.4.5 折流板 .6 4.4.6 計算接口直徑 .6 4.5 換熱器主要傳熱參數(shù)核算 .7 4.5.1 熱量核算 .7 4.5.2 壁溫核算 .9 4.5.3 換熱器內(nèi)流體的流動阻力(壓降) .9 5 計算結(jié)果總匯.10 設(shè)計感想.11 參考文獻.12 附 錄:.13 1 設(shè)計題目 管殼式臥式換熱器設(shè)計 2 設(shè)計條件 某廠用循環(huán)冷卻水甲苯從 80 冷

3、卻到 50,甲苯年處理能力為 44500t/a，壓力為 6.5MPa，循環(huán)冷卻水的入口溫度為 25，出口溫度為 35，要求冷凝器允許壓降不大于 Pa； 試設(shè)計一臺管殼式臥式換熱器完成該生產(chǎn)任務(wù)。每年按 330 天計算，每天 24h 連續(xù)運行。 表 1 主要物性參數(shù) 流體 定性溫度 / 密 度 kg/m3 粘度 mPas 比 熱 容熱導率 甲苯 708660.455 191 kJ/(kgK) 0.1273W/(mK) 循環(huán)冷卻水 30994.30.7424.174 kJ/(kg) 0.624W/(m) 3 設(shè)計內(nèi)容和要求 (1)標題頁 (2) 目錄 (3) 確定設(shè)計方案 (4) 傳熱面積計算 (

4、5) 工藝結(jié)構(gòu)尺寸計算 (6) 換熱器校核 (7) 換熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計結(jié)果一覽表 (8) 換熱器工藝條件圖 (9) 自設(shè)計使用該換熱器的工藝流程圖 (10)對本設(shè)計的評價 (11)參考文獻 4 設(shè)計內(nèi)容 4.1 選擇換熱器的類型 本設(shè)計中循環(huán)冷卻水甲苯選用帶有折流擋板的固定管板式換熱器，這種換熱器適用于 下列情況：溫差不大；溫差較大但是殼程壓力較小；殼程不易結(jié)構(gòu)或能化學清洗。 本次設(shè)計條件滿足第種情況。另外，固定管板式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu) 緊湊、堅固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單， 造價低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。 采用折流擋

5、板，可使作為冷卻劑的水容易形成湍流，可以提高對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，提 高傳熱效率。 4.2 流動方向 本冷卻器的管程走循環(huán)冷卻水，殼程走甲苯。熱空氣和冷卻水逆向流動換熱。 4.3 估算傳熱面積 4.3.1.熱流量 甲苯的質(zhì)量流 W=44500t/a=44500103/(33024)=5618.687 kg/h 熱流量為 Q=Wcp (T1T2) =5618.6871.91（8060） =.8 kJ/h = 59620.5W 4.3.2.平均傳熱溫差 = =38 m t 22 11 2211 ln )()( tT tT tTtT 4.3.3.傳熱面積 初步設(shè)定設(shè) K=200 Wm-2-1。則估算的傳

6、熱面積為 m2087 . 8 86.36200 5 . 59620 tm K Q A 取安全系數(shù) 1.2，則 A=9.705m 4.3.4 冷卻水用量 Wo = kg/h16.5142 2535174 . 4 214633.8 )( 12 ）（ttc Q po 4.4 主體構(gòu)件的工藝結(jié)構(gòu)尺寸 4.4.1 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 選用 252.5mm 的傳熱管(碳鋼管)；do=25mm,di=20mm 管子根數(shù)：n=Adol=41.242 中心線或中心線附近管子根數(shù) nc=11 取管程數(shù)為 2，則 N=n+拉桿+5=42+6+5=53 4.4.2 平均傳熱溫差校正 平均傳熱溫差校正系數(shù) =2 12 2

7、1 tt TT R 2535 6080 =0.182 11 12 tT tt P 6080 2535 溫度校正系數(shù)為 t 1 1 2 R R )11 (2 )11 (2 ln 1 1 ln 2 2 RRP RRP PR P 0.97 平均傳熱溫差校正為tm=tm=0.9738=36.86( ) t 4.4.3 傳熱管的排列 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。其中，每 程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點為管板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大， 因而對流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。 4.4.4 殼體內(nèi)徑 取管間距：t 32 mm ，則 2 (/

8、3)/ 22(/8) t t DDDN PD PD 得 D=489.38mm 可取 D 為 509mm 4.4.5 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 取折流板數(shù) 12，則折流板間隔：h= =0.23 1 B l N 4.4.6 計算接口直徑 1.計算循環(huán)冷卻水進出口管徑，設(shè)流速 u=0.5m/s 1 d 1 2 1 4 v qd u 1 33 3 5142.16/ 1.44 10/ 36003600 994.3/ i v i Wkg h qm s kg m 3 1 4 1.44 10 0.060560.5 3.14 0.5 dmmm 所以選用直徑為 65mm

9、 的管子。 2.計算甲苯進出口管徑 2 d 2 2 2 4 v qd u 2 33 3 5618.687/ 1.8 10/ 36003600 866/ v Wkg h qm s kg m 3 2 4 1.8 10 0.067867.8 3.14 0.5 dmmm 所以選用直徑為 70mm 的管子。 4.5 換熱器主要傳熱參數(shù)核算 4.5.1 熱量核算 (1)殼程對流傳熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用克恩公式 ho = 14 . 0 3/155 . 0 )(PrRe36 . 0 w o e o d 其中： 當水做冷卻劑時，粘度校正為=1.05 14 . 0 )( w o 當量直徑，管子為正三角形

10、排列時， de 22 3 4() 24 o o td d 0.0202 m 22 3 4(0.0320.025 ) 24 3.14 0.025 殼程流通截面積 So = hD(1)=0.230.509（1）0.0257 m2 t do0.025 0.032 殼程冷卻水的流速及其雷諾數(shù)分別為 Go =5618.6870.0257=.95kg/(sm2) o o S W Reo=2696 oeG d0.0202 60.73 0.000455 普朗特準數(shù) Pr =6.83 o opo c 1910 0.000455 0.1273 因此，殼程水的傳熱膜系數(shù) ho為 ho = 0.360.1273/0.

11、020226960.556.831/31.0 =329.6 W/(m2) (2)管程對流傳熱系數(shù) 其中：hi = 14 . 0 3/155 . 0 )(PrRe36 . 0 w i e i d 管程流通截面積 Si =0.0066 m2 2 42 i dn 管程空氣的流速及其雷諾數(shù)分別為 Gi =.2kg/(hm2)=216.42 kg/(sm2) i i S W Re=5833.45 i iiG d 0.02 216.42 0.000742 de=0.029m 22 3 4() 24 i i td d 22 3 4(0.0320.02 ) 24 3.14 0.02 普蘭特準數(shù) Pr =4.9

12、6 i ipi c 4174 0.000742 0.624 因此，管程空氣的傳熱膜系數(shù) hi為 0.551/3 0.624 0.365833.44.961.0 0.029 i h =1548.64 W/(m2) (3)基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù) Ki 污垢系數(shù)： 管內(nèi)側(cè) Ro0.m2W-1 管外側(cè) Ri0.m2W-1 管子材質(zhì)金屬的導熱系數(shù) 116.3Wm-1-1 111 () sooo oi owwmii tddd RR Khddh d 1(0.0250.02)/ 20.0250.02510.025 0.00051910.0003440.0048 329.6116.3(0.0250.02)/

13、 20.021548.640.02 =0.0048 解得：208W/ (m2) i K 此計算值與前面的初設(shè)值 Ki=200 W/ (m2)的關(guān)系： 該換熱器的傳熱系數(shù)裕度為 208200 4.17% 200 KK K 滿足換熱器設(shè)計所要求的 5%之內(nèi)的范圍，初選的換熱器合適。 (4) 傳熱面積 換熱器的實際傳熱面積 Sp =3.140.025422.9= 9.56m2 A (1) o n d l 該換熱器的面積裕度為 = =18 %100 A AA H 9.568.087 100% 8.087 滿足要求的 30%以下的范圍，該換熱器符合實際生產(chǎn)要求。 4.5.2 壁溫核算 因管壁很薄，且管壁

14、熱阻很小，該換熱器用自來水作為冷卻水，設(shè)定冷卻水進口溫度 為 25，出口溫度為 35來計算傳熱管壁溫度。 傳熱管平均壁溫 329.6 ()30(7030) (/)1548.64(0.02/0.025)329.6 o wchc iioo h ttTt h ddh =38.439 查的在該溫度下甲苯的粘度，水的粘度 3 0.54 10 w Pa s 3 0.668 10 w Pa s 對管側(cè) 0.14 0.14 0.000742 ()1.01 0.000668 w 對殼側(cè) 0.14 0.14 0.000455 ()0.976 0.00054 w 4.5.3 換熱器內(nèi)流體的流動阻力(壓降) (1)管

15、程流動阻力 管內(nèi)流體在 Re=5833.45 時，查的摩擦阻力系數(shù)=0.011 t f 直管部分的壓降： p1=31.73（kg/m2）=311Pa 22 8 4ln4 0.011 779115.23 2 22 1.27 10 tit ci f G qd 彎管回路中的壓降： p2=57.7(kg/m2)=565.46 Pa 22 8 44 779115.22 22 1.27 10994.3 it c G n q 總壓降：pi（p1+p2）（311+565.46）876.46Pa (2)殼程阻力： 用概算法： p1= =13.6（kg/m2） 2 8 218625.963 10.410.4 1.

16、27 10866 c c G l q 管側(cè)，殼側(cè)的壓力損失均滿足要求，該設(shè)計可行 5 計算結(jié)果總匯 表 2 設(shè)計結(jié)果一覽表 換熱器形式： 管殼臥式 換熱面積/m ： 8.65 2 工藝參數(shù) 名稱 物料名稱 操作壓力/MPa 操作溫度/ 流量/（kg/h） 管程 循環(huán)水 0.5 45 5142.16 殼程 甲苯 6.5 90 5618.687 流體密度/（kg/m ） 3 994.3866 流速/(m/s)0.50.5 傳熱量/kw59.6259.62 總傳熱系數(shù)/)/( 2 kmw 208 208 傳熱系數(shù)/)/( 2 kmw 1548.64329.6 污垢系數(shù)/)/( 2 wkm 0.0.

17、阻力降 Pa876.46133.416 程數(shù)21 推薦使用材料碳鋼碳鋼 管子規(guī)格 252.5 管數(shù) 38管長 3000mm 管間距/mm32排列方式正三角形 折流板形式上下間距230mm 殼體內(nèi)徑/mm509切口高度127.25mm 設(shè)計感想 此次化工原理課程設(shè)計題目是“空氣壓縮機后冷卻器設(shè)計” ，因為上學期彭老師對傳熱與換 熱設(shè)備相關(guān)內(nèi)容講得很詳細，印象還比較深，加上這學期正好學習了過程設(shè)備設(shè)計 。另 外，從圖書館借閱的幾本書也非常具有參考性，所以總體來說這次課程設(shè)計沒有遇到太大 的難題。但不可否認的是設(shè)計過程很磨練人的耐心和毅力。 一 數(shù)據(jù)計算 這是設(shè)計第一階段的主要任務(wù)。數(shù)據(jù)計算的準確性

18、直接影響到后面的各階段，這就需要 我們具有極大的耐心。從拿到原始設(shè)計數(shù)據(jù)到確定最終參數(shù)，持續(xù)了將近一個星期：確定 需要求的參數(shù)，查資料找公式、標準值等，一步一步進行計算。我在確定傳熱面積的時候， 因為取的管數(shù)太多導致后面得到的傳熱面積裕度超出規(guī)定范圍，所以又得回去再算一遍， 可見在設(shè)計過程中，細心是非常重要的，因為它可以減少很多不必要的麻煩。 二 查資料 以前有個錯誤的認識：查資料嘛，按部就班就可以了，簡單！但是這次課程設(shè)計卻完全 改變了我的認識。其實查資料是很講究技巧的，也是相對比較靈活的。另外，我這次用到 的參考資料有將近 10 種之多，這在之前是難以想象的。 三 AutoCAD 繪圖 這是第一次嘗試用專業(yè)繪圖軟件 AutoCAD 進行繪圖。這個軟件我們很熟悉也很陌生， 熟悉是因為大一學工程制圖時有接觸到這個軟件，陌生是因為正真會用或用得好的同學是 鳳毛麟角。但是，沒有壓力哪來動力，