化工原理課程設(shè)計列管式換熱器

1、XXX學(xué)院本科課程設(shè)計題 目： 列管式換熱器的設(shè)計 專 業(yè)： XXXXXXXX 學(xué) 院： XXXXXXXXXX學(xué)院 班 級： XXXXXXX 姓 名： XXXX 學(xué) 號： XXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師： XXXXXX 浮頭式換熱器設(shè)計說明說書1概述1.1課程設(shè)計學(xué)習(xí)目的及其重要性設(shè)計是一項創(chuàng)造勞動，是設(shè)計者對許多構(gòu)思加以綜合，應(yīng)用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識去實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的一個過程?；ぴ碚n程設(shè)計是化工類相關(guān)專業(yè)的本科生運用化工原理及有關(guān)先修課程的基本知識去完成某一設(shè)計任務(wù)的一次較為全面的化工設(shè)計訓(xùn)練，可以增強(qiáng)我們獨立學(xué)習(xí)，獨立思考，獨立分析的能力。在設(shè)計中需要學(xué)生自己做出決策，即自己確定方案，選擇

2、流程，查取資料，進(jìn)行過程和設(shè)備的計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。所以，課程實踐是培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題能力的有益實踐。通過課程設(shè)計，我們應(yīng)該注重以下幾個能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)：1.初步掌握化工單元操作設(shè)計的基本方法和程序。2.查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)的能力。3.樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性和可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導(dǎo)下去分析和解決實際問題的能力。4.提高運用工程語言表達(dá)設(shè)計思想的能力。5.提高正確的進(jìn)行工程計算和利用Auto CAD畫圖的能力。6.提高用簡潔明了的文字

3、，清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計思想和撰寫設(shè)計報告的能力。1.2列管式換熱器設(shè)計的重要性及其步驟1.2.1重要性：換熱設(shè)備是化工工業(yè)應(yīng)用典型的工藝設(shè)備，主要用于實現(xiàn)熱量傳遞，使熱量由高溫流體傳給低溫物體。一般來說，換熱設(shè)備在化工廠裝置中所占的比例在建設(shè)費用方面高達(dá)10%40%。因此從能源節(jié)省以及工廠投資的角度來講，合理地選擇和使用換熱設(shè)備，可節(jié)省投資，降低能耗，具有重要意義。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性問題。為緩和能源緊張的狀況，世界各國競相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)，已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個重要課題。換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩

4、方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。1.2.2列管式換熱器設(shè)計的步驟：設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進(jìn)行簡要論述。換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。主要輔助設(shè)備選型。 繪制換熱器總裝配圖。2課程設(shè)計任務(wù)書：現(xiàn)生產(chǎn)車間需要一臺列管式換熱器，用于油品回收柴油的熱量。流量為36000kg/h的柴油從180降至130，油品從60升至110。試設(shè)計一臺換熱器完成該任務(wù)。1.操作條件： 操作壓力 常壓（絕壓） 當(dāng)?shù)卮髿鈮?96

5、 kPa（絕壓）2.設(shè)計要求： 設(shè)計該熱量回收利用的原則流程； 設(shè)計計算該主體設(shè)備換熱器的主要尺寸及型號規(guī)格，并繪制出該換熱器的設(shè)備圖。3.編制設(shè)計說明書。3設(shè)計方案的確定3.1選擇換熱器的類型 兩流體的溫度變化情況:熱流體進(jìn)口溫度180，出口溫度130; 冷流體進(jìn)口溫度60，出口溫度110. 柴油定性溫度為：（180+130）/2=155油品定性溫度為：（60+110）/2=85兩流體的溫差 tm=tm柴-tm油品=155-85=70可選用帶溫度補(bǔ)償?shù)墓潭ü馨迨綋Q熱器，但考慮到該換熱器用不適用于熱冷流體溫差較大（大于70）的場合，故選用浮頭式換熱器。3.2管程的安排由于油品黏度大，為減少損失

6、且充分利用柴油的熱量、便于清洗，所以安排柴油走管程，油品走殼程。4生產(chǎn)條件及其物料的物性參數(shù)4.1生產(chǎn)條件及工藝參數(shù)生產(chǎn)條件： (1) 操作壓力 常壓（絕壓） (2)當(dāng)?shù)卮髿鈮?96 kPa（絕壓）(3)柴油流量為36000kg/h(4)冷卻介質(zhì)：油品，入口溫度60，出口溫度110(5)柴油：入口溫度180，出口溫度130物性參數(shù)有：柴油（油品）的密度、黏度、 定壓比熱容、 流速以及雷諾數(shù)等。4.2主要物料的物性參數(shù)柴油進(jìn)口溫度為180，出口溫度為130。油品進(jìn)口溫度為60，出口溫度為110。柴油定性溫度為：（180+130）/2=155油品定性溫度為：（60+110）/2=85根據(jù)定性溫度分

7、別查取柴油和油品的有關(guān)物性參數(shù)：物料密度/kg·m-3比熱/kJ·kg-1·K-1導(dǎo)熱/W·m-1·K-1粘度/Pa·s柴油7152.480.1336.4*10-4油品8802.20.1995.2*10-35工藝設(shè)計計算5.1傳熱面積估算(1)熱流量QT=qm,hCp,0t0=36000*2.48*(180-130)=4464000(kJ/h)=1240KW(2)油品的用量qm,c=QT/Cp,iti=1240*103/2.2*103*（110-60）=11.27(/s)=40572(/h)(3)初算傳熱面積查傳熱手冊，參照總傳熱系數(shù)

8、的大致范圍，同時考慮到殼程氣體的壓力，根據(jù)資料查得柴油和油品之間的傳熱系數(shù)大概在250 (W/·)假設(shè)K=250 (W/·)，則估算的傳熱面積 S估=QT/K·tm= 1240×103/（250×70）=70.86 ()5.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸計算及選型5.2.1管徑和管內(nèi)流速查化工原理課程設(shè)計換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.1m/s5.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)N=qv/di2ui /4 =36000/ (3600×715) /（0.785×

9、;0.022×1.1）=40（根）按單程管的計算，所需的傳熱管長度為L=A估/d0N=70.86/（3.14×0.025×40）=23m按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。依據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長l=6m, 則該換熱器的管程數(shù)NP=L/l=23/6=3.74， 傳熱管總根數(shù)n= NS*NP=40×4=160(根)5.2.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)計算如下P=(t2-t1)/(T1-T1)=(110-60)/(180-60)=0.42R=(T1-T2)/(t2-t1)=(180-130

10、)/(110-60)=1按單殼程、四管程結(jié)構(gòu)，查化工原理課程設(shè)計溫度差校正系數(shù)圖得=0.852, 平均傳熱溫差tm=·tm=0.852×70=59.5t=0.852>0.8 , 同時殼程流體流量較大采用單殼程適宜.5.2.4傳熱管排列和分程方法 因流體黏度大、易結(jié)垢，為便于清洗，故采用正方形錯列排列法。管子間距Pt，一般是管外徑的1.25倍左右，以保證脹管時管板的剛度。取管心距Pt=1.25d0,則Pt=1.25×25=31.2532（）隔板中心到離其最近的一排管中心距離Z=Pt/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為44。5.2.5殼體直徑采用

11、多管程結(jié)構(gòu)，殼體直徑D=1.05Ptn/估算。取管板利用率=0.45，則殼體直徑D=1.05Ptn/=1.05×32×180/0.45634（）圓整后的殼體直徑D=800mm5.2.6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h=800×0.25=200() 取折流板間距B=0.7D(0.2D<B<D),則B=0.7×800=560,圓整后B=600折流板數(shù)目NB=(傳熱管長/折流板間距)-1=（6000/600）-195.2.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速u1=1m/s，則接管內(nèi)徑為D1=(4

12、qv )/u1=(4×40572/880×3600)(3.14×1)=0.128m=128mm圓整后可取管內(nèi)直徑為130管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速u2=1.3m/s，則接管內(nèi)徑為D2=(4×36000/3600×715)/(3.14×1.3)=0.117m=117mm圓整后可取管內(nèi)直徑為110。5.3換熱器核算5.3.1傳熱面積核算（1）管程傳熱膜系數(shù)根據(jù)=0.023(/ di)Re0.8Pr0.3管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×160/4=0.013m2管程流體流速和雷諾數(shù)分別為:ui

13、= qv,1/Si=36000/(3600×715) /0.013=1.08（m/s），Re=diui1/1=（0.02×1.11×715）/6.4×10-424131普朗特數(shù)：Pr=CP,1·1/1=（2.48×103×0.64×10-3）/0.133=11.93i=0.023×(0.133/0.02) ×（24131）0.8×（11.93）0.3=1031(w/·)（2）殼程傳熱膜系數(shù)根據(jù)=0.36(/ de) ·Re0.55·Pr0 ·(/

14、w)0.14 ，管子按正方形排列，傳熱當(dāng)量直徑為：de =4×Pt2-(/4) ·d02/d0=4×（0.0322-0.785×0.0252）/(3.14×0.025)=0.027(m)殼程流通截面積：S0=BD(1-d0/Pt)=600×800×(1-25/32)=0.105()殼程流體流速和雷諾數(shù)分別為:U0= qv,2/S0=40572/(3600×880) /0.105=0.12（m/s），Re0=deu02/2=（0.03×0.12×880）/5.2×10-3548普朗特數(shù)：

15、 Pr0=CP,2·2/2=（2.22×103×5.2×10-3）/0.119=96黏度校正：(/w)0.141.050=0.36×(0.119/0.03) ×（548.1）0.55×（96）×1.05=1712(w/·)（3）污垢熱阻和管壁熱阻查化工原理課程設(shè)計附錄9知，管外側(cè)污垢熱阻R0=5×10-4(·/w)，管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ri=5×10-4(·/w)。已知管壁厚度b=0.0025m，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50 w/·。（4）總傳熱系數(shù)KK=1/(

16、d0/idi)+(Rid0/di)+(bd0/dm)+R0+(1/0)= 336(w/·)（5）傳熱面積校核S=QT/K·tm=1240×103/(336×59.5)=62()換熱器的實際傳熱面積為S=d0LNt=3.14×0.025×6×160=75.36()換熱器的面積裕度為S/S=75.36/62=1.22傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。5.3.2換熱器內(nèi)壓降核算（1）管程阻力Pi=(P1+P2)NsNpFtNs=1，Np=4，P1=(l/d)·(ui2/2)由Re=24131，傳熱管相對粗糙度0

17、.01，則傳熱管相對粗糙度由 -Re雙對數(shù)坐標(biāo)得 得=0.04，流速ui=1.08m/s，=715kg/m³所以P1 =0.04×(6/0.02)×(715×1.082)/2=5003.856(Pa) P2 =3×(ui2/2)= (3×715×1.082)/2=1250.964(Pa)Pi =(5003.856+1250.964) ×1×4×1.4=35026.992（Pa）故管程流體阻力在允許范圍內(nèi)。（2）殼程阻力殼程流動阻力：P0=(P1'+P2')FtNs，其中Ns=1，

18、Ft=1.15流體流經(jīng)管束的阻力：P1'=Ff0nc(NB+1) u02/2=0.4×5.0×548-0.228×1.19×160×（9+1）×（880×0.122÷2） =452(Pa) P2'= NB（3.5-2h/D）u02/2=9×3.5-(2×0.2)/0.6×(880×0.122)/2=162(Pa)P0=452+162×1.15×1=706.1Pa6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)結(jié)果參數(shù)管程殼程流率/（kg/h）360004057

19、2進(jìn)（出）口溫度/180（130）60（110）壓力/MPa物性定性溫度/15585密度/（kg/m³）715880定壓比熱容/kJ/（kg·）2.482.2黏度/Pa·S6.4×10-45.2×10-3熱導(dǎo)率/W/(m·)0.1330.119普朗特數(shù)11.9396設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/800臺數(shù)1管徑/25×2.5管心距/44管長/6000管子排列正方形管數(shù)目/根160折流板數(shù)/個9傳熱面積/75.36折流板間距/600管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.080.12表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/

20、(·)10311712污垢熱阻/（·/W）0.00050.0005阻力/MPa0.0350.0007熱流量/KW1240傳熱溫差/K59.傳熱系數(shù)/W/(·)335.9裕度/% 1.227 課程設(shè)計收獲及建議這是我第一次接觸課程設(shè)計這門課，起初心里充滿了新鮮感和期待，因為想著在大學(xué)里學(xué)到的東西終于可以加以實踐了?？墒钱?dāng)老師把任務(wù)書發(fā)到手里時卻是一頭霧水，茫然不知所措，遲遲找不到入手點，浪費了不少時間。后來經(jīng)過與老師和同學(xué)的交流，從開始的一無所知，到進(jìn)行整個設(shè)計的計算，再到對工業(yè)材料的選取與校核以及結(jié)構(gòu)圖的繪制等過程的培養(yǎng)，我真切感受到了理論與實踐相結(jié)合中的種種困難

21、，也體會到了利用所學(xué)的有限的理論知識去解決實際中各種問題的不易。 我課程設(shè)計的題目是浮頭式換熱器的設(shè)計。在開始時，我們不知道如何下手，雖然有課程設(shè)計書作為參考，但是卻不知道各種物性參數(shù)該如何去查。且書上的計算步驟與我們自己的計算步驟有少許差異，在這些差異面前，我們顯得有些不知所措，通過查閱化工原理，化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，化工原理課程設(shè)計等書籍，以及在網(wǎng)上搜索到的理論和經(jīng)驗數(shù)據(jù)。我們慢慢地找到了符合自己的實驗數(shù)據(jù)。并逐漸建立了自己的模版和計算過程。 在這一個月中給我印象最深的是換熱器面積裕度的計算，剛開始我們不管怎么算都算不到范圍內(nèi)，然后對各種參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，還是沒有算到范圍內(nèi)，

22、起初大家都是不知所措，待冷靜下來，我們仔細(xì)結(jié)合上課老師講的內(nèi)容，一步一步的討論演算，經(jīng)大家一下午的不懈努力，終于把面積裕度算了出來。還有就是我們在進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)圖的繪制過程中，剛開始對CAD繪圖軟件不是很熟悉，一直無從下手，后來通過查看各種有關(guān)CAD軟件的書籍和視頻，在經(jīng)歷了一次次的失敗后，終于繪制出了令自己滿意的結(jié)構(gòu)圖。通過本次課程設(shè)計的訓(xùn)練，我了解到了化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)我們化工設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計使我們初步掌握化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識、設(shè)計原則及方法；學(xué)會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫出工藝流程、塔板結(jié)構(gòu)等圖形；在設(shè)計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性和