列管式換熱器的設(shè)計(jì)-浮頭式換熱器

設(shè)計(jì)題目：班級(jí)：指導(dǎo)教師：學(xué)生：設(shè)計(jì)時(shí)間：化工原理課程設(shè)計(jì)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院二O一二年五月化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1.化工原理課程設(shè)計(jì)的重要性化工原理課程設(shè)計(jì)是學(xué)生學(xué)完基礎(chǔ)課程以及化工原理課程以后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生綜合運(yùn)用化工原理和相關(guān)選修課程的知識(shí)，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，完成以單元操作為主的一次工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐。通過這一環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握單元操作設(shè)計(jì)的基本程序和方法，熟悉查閱技術(shù)資料、國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，正確選用公式和數(shù)據(jù)，運(yùn)用簡(jiǎn)潔文字和工程語(yǔ)言正確表述設(shè)計(jì)思想和結(jié)果；并在此過程中使學(xué)生養(yǎng)成尊重實(shí)際問題向?qū)嵺`學(xué)習(xí)，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，逐步樹立正確的設(shè)計(jì)思想、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的工作作風(fēng)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。1.2.課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和程序化工原理課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容有：1、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。2、主要設(shè)備的工藝計(jì)算：物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。3、輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計(jì)算，設(shè)備規(guī)格型號(hào)的選定。4、工藝流程圖：以單線圖的形式描繪，標(biāo)出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向、物流量、主要測(cè)量點(diǎn)。5、主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。6、編寫設(shè)計(jì)說明書：可按照以下幾步進(jìn)行：⒈課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作①有關(guān)生產(chǎn)過程的資料；②設(shè)計(jì)所涉及物料的物性參數(shù)；③在設(shè)計(jì)中所涉及工藝設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法；④設(shè)備設(shè)計(jì)的規(guī)范及實(shí)際參考圖等。⒉確定設(shè)計(jì)方案⒊工藝設(shè)計(jì)計(jì)算⒋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)⒌工藝設(shè)計(jì)說明書⑴封面：課程設(shè)計(jì)題目、學(xué)生班級(jí)及姓名、指導(dǎo)教師、時(shí)間。⑵目錄⑶設(shè)計(jì)任務(wù)書⑷概述與設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)介⑸設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表⑹工藝設(shè)計(jì)計(jì)算⑺輔助設(shè)備的計(jì)算及選型⑻設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表⑼設(shè)計(jì)評(píng)述⑽工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖⑾參考資料⑿主要符號(hào)說明以上即為我們?cè)谡n程設(shè)計(jì)中所涉及的主要內(nèi)容。三.列管式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容1確定設(shè)計(jì)方案（1）選擇換熱器的類型；（2）流程安排2確定物性參數(shù)（1）定性溫度；（2）定性溫度下的物性參數(shù)3估算傳熱面積（1）熱負(fù)荷；（2）平均傳熱溫度差；（3）傳熱面積；（4）冷卻水用量4工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速；（2）管程數(shù)；（3）平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)；（4）傳熱管排列和分程方法；（5）殼體內(nèi)徑；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管1.3.5、換熱器核算（1）傳熱能力核算；（2）壁溫核算；（3）換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力四設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件某廠用井水冷卻從反應(yīng)器出來(lái)的循環(huán)使用的有機(jī)液。欲將6000kg/h的植物油從140℃冷卻到40℃，井水進(jìn)、出口溫度分別為20℃和40℃。若要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于35kPa，試選擇合適型號(hào)的列管式換熱器。定性溫度下有機(jī)液的物性參數(shù)列于附表中。附表項(xiàng)目密度，kg/m3比熱，KJ/(kg·℃)粘度，mpa·s熱植物油9502.2610.742導(dǎo)率kJ/(m·℃)0.172，五主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（示例）根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可選擇其它形式的列管換熱器。六設(shè)計(jì)進(jìn)度1.設(shè)計(jì)動(dòng)員，下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書；搜集資料，閱讀教材，擬定設(shè)計(jì)進(jìn)度1天；2.設(shè)計(jì)計(jì)算（包括電算，編寫說明書草稿）2-3天；3.繪圖2天；5.整理，抄寫說明書1天；6.設(shè)計(jì)小結(jié)及答辯1天。七設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分體系考核成績(jī)分為五檔：優(yōu)秀（90-100分）、良好（80-89分）、中等（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（＜60分）。設(shè)計(jì)條件及主要物理參數(shù)條件1滿足生產(chǎn)工藝要求2操作維護(hù)及檢修方案3經(jīng)濟(jì)上合理節(jié)約4保證生產(chǎn)安全工藝設(shè)計(jì)計(jì)算某廠用井水冷卻從反應(yīng)器出來(lái)的循環(huán)使用的有機(jī)液。欲將6000kg/h的植物油從140℃冷卻到40℃，井水進(jìn)、出口溫度分別為20℃和40℃。若要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于35kPa，試選擇合適型號(hào)的列管式換熱器。1確定方案（1）選擇換熱器的類型-------------浮頭式換熱器（2）流程安排已知兩流體允許壓強(qiáng)降均不大于35kPa；兩流體分別為植物油和水。與植物油相比，水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)使循環(huán)自來(lái)水走管程，而使植物油走殼程。2確定物性參數(shù)定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程流體（植物油）的定性溫度為：T=(140+40)/2=90℃管程流體（水）的定性溫度為：t=（40+20）/2=30℃在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(冷卻水和植物油)的物性參數(shù)3估算傳熱面積(1)熱負(fù)荷Q=ms1cp1(T1-T2)=6000x2.261x103x(140-40)/3600=376833w（2）平均傳熱溫差計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差，暫時(shí)按單殼程、多管程計(jì)算。逆流時(shí)，我們有植物油：140℃→40℃井水：40℃←20℃tm'(10020)49.7℃ln204對(duì)逆流傳熱溫度差tm'進(jìn)行校正Pt2t1402020TT140401000.17R125.00T1T214020120t2t1402020查表的ψ=0.90>0.82，可行，所以修正后的傳熱溫度差為：△tm=tm'×ψ=0.90x49.7=44.71℃（3）冷卻水用量（忽略熱損失）初步選用Φ25×2.5的碳鋼管，則管內(nèi)徑di=25-2.5×2=20mm管內(nèi)流速取ui=1m/s,從管內(nèi)體積流量為：ms2=Q=376833.3×3600/[4.174x×103×(40-20)]=16250㎏/hCp2(t2t1)νi=n(π/4)×0.022×1×3600=16250/995=16.32m3/h解得n=15參照列管換熱器中K值的大致范圍，根據(jù)兩流體的具體情況，初步選定總傳熱系數(shù)K=300W/m?℃?zhèn)鳠崦娣e：A=ndL=376833.3/(300×44.71)=28.1㎡可以求得單程管長(zhǎng)L=28.1/(15×3.14×0.025)=23m2若選用6m長(zhǎng)的管，需要4管程，則一臺(tái)換熱器的總管數(shù)為4×16=64根.查化學(xué)工業(yè)出3.1對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行核算：每程的管數(shù)n1=n/Np=68÷4=17,管程流通面積si=(π/4)×0.022×17＝0.005338㎡與表中的數(shù)據(jù)0.0053㎡很相符。傳熱面積A=πd0Ln=3.14×0.025×6×68＝32.028㎡稍大于表中31.6㎡,這是由于管長(zhǎng)的一部分需用于在管板上固定管子，應(yīng)以表中的值為準(zhǔn)。換熱管是正方形斜轉(zhuǎn)45，中心排管數(shù)nc≈1.1n=1.19×68≈93.2.阻力損失的計(jì)算3.2.1.管程流速ui=ms216250.598==0.855m/sA995.736000.0053uiρidi0.855995.70.02==211850.80110-3μ可知管內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)摩擦系數(shù)取鋼管絕對(duì)粗糙度ε=0.1mm，得相對(duì)粗糙度ε/d=0.005Rei=21185查λ-Re可得λi=0.0315所以l△Pi=λi(ui2i)/2=0.0315×6×0.8552×995÷0.02÷2=3436Padi雷諾數(shù)Rei=△Pr=3×(ui2i)/2=3×0.8552×995÷2=1091Pa則管程內(nèi)總壓降為：Σ△Pt=(△Pi+△Pr)FtNsNp=(3436+1091)×1.4×1×4=21513.9Pa＜35kPa故殼程的壓降滿足題目中的要求3.2.2.殼程取折流擋板間距為h=0.15m計(jì)算截面積S0=h(D-ncd0)=0.15×(0.4-90.02)=0.026㎡計(jì)算流速u0=ms1A=6000=0.067m/s36009500.026雷諾數(shù)的計(jì)算Re0=摩擦系數(shù)f0u0ρd0=0.025×0.067×950÷0.000742=2159Re0>500μ5.0o.860.228Rel則折流擋板數(shù)NB=-1=6÷0.15-1=39h于是△P1=Ff0nc(NB+1)(△P2=NB(3.5-u22)=0.4×0.86×9×(39+1)×950×0.0672÷2=266.7Pa2h20.15)(u02)/2=39×(3.5-)(950×0.0672)/2=228.68PaD0.4則殼程損失Σ△Ps=（△P1+△P2）FsNs=（266.7+228.68）×1.15×1=569.6＜35KPa即殼程的壓降也滿足題意綜上核算初步認(rèn)為所選的換熱器適用3.3.計(jì)算總傳熱系數(shù)3.3.1.管程傳熱系數(shù)：Rei=21256.524.1741030.80110-3Pri=5.375i0.618cpuiαi=0.023idi(Re)0.8(Pr)0.4=0.023×(0.80.6183436)××5.3570.4=4040w/m2k0.023.3.2.殼程傳熱系數(shù)：對(duì)圓缺型折流板：用科恩法計(jì)算0=o.360deRe0Pr(1300.14)w管心距：t=1.25do=0.032當(dāng)量直徑de，由正方形排列得4(t2ded0d02)4(0.0322=3.140.0252)0.027m3.140.025殼程流通截面積AhD(10d00.025)=0.15×0.4×(1)0.013mt0.0326000v0u=0.134A36009500.013Re0deuo0.0270.1349500.7421034632Pr0cp002.2611030.7421039.7540.172由于殼程流體被冷卻，所以取(00.14)0.95，于是殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)0為w00.360deRe0.551001720.55Pr()0.364666.789.75430.95485.15w/m2kw0.027133.3.3污垢熱阻的選擇根據(jù)污垢熱阻的大致范圍表查得管程井水Rsi=0.00058m℃/W殼程植物油Rs0=0.00018m℃/W223.3.4總傳熱系數(shù)i－－－管程對(duì)流傳熱系數(shù)o－－－殼程對(duì)流傳熱系數(shù)d0－－－換熱管外徑di－－－換熱管內(nèi)徑K01oo1RsiRsoididio252513=1÷(404020+0.58×103×+0.18×10+)20485.152=324.1W/m?k2在初選換熱器型號(hào)時(shí)，要求換熱過程的總傳熱系數(shù)為300w/mk，通過核算，知道該型號(hào)換熱器在規(guī)定的流體流動(dòng)條件下，所能提供的總傳熱系數(shù)為324W/m?k，與選擇的相差不大，故所選換熱器是合適的。3.4核算傳熱面積由以上的計(jì)算數(shù)據(jù)，代入下面的公式，計(jì)算傳熱面積：A02Q37683326m2k0tm32444.731.62610017.7的裕度，從阻力損失和傳31.6與換熱器列出的傳熱面積A=31.6比較有熱面積來(lái)看所選的換熱器適用。四.工藝設(shè)計(jì)計(jì)算4.1.管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.5的不銹鋼管，管長(zhǎng)6m,速取ui=1m/s4.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和流速，可以確定單程管根數(shù)：n=V16250.598/995.71723.14diui0.0220.85544A23.0521.59mdn3.140.0217按單程計(jì)算，所需傳熱管的長(zhǎng)度是：L若按單程管計(jì)算，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該傳熱管程數(shù)為：NpL21.593.59（管程）4l6則傳熱管的總根數(shù)為：N=Np×ns=4×17=68（根）4.3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)由前面的計(jì)算已求得，按單殼程、多管程計(jì)算，逆流時(shí)：tm'(14040)(4020)=49.7℃ln4020而此時(shí)，我們有：P=t2t14020TT140400.17R=125T1t114020t2t14020由P,R函數(shù)公式可得：t=0.90﹥0.82，所以，修正后的傳熱溫度差為：tm=tm't=49.7×0.9=44.7℃于是，校正后的平均傳熱溫差是44.7℃，殼程數(shù)為單程，管程數(shù)為4。4.4.換熱管選型匯總通過查表，可以發(fā)現(xiàn)下面的結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器和所需的比較接近，故而選擇該種換熱器：DN,mm管程數(shù)殼程數(shù)管子規(guī)格管子根數(shù)中心排管數(shù)管程流通面積，m換熱面積，m換熱器長(zhǎng)度，mm224004125×2.56890.005331.660004.5.換熱管4.5.1.傳熱管排列和分程方法管子在管板上的排列方式最常用的為圖4-1所示的（a）、（b）、（c）、（d）四種，即正三角形排列（排列角為30°）、同心圓排列、正方形排列（排列角為90°）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為45°）。當(dāng)管程為多程時(shí)，則需采取組合排列，圖1-10為二管程時(shí)管小組合排列的方式之一。正方形斜45℃管子在管板上的排列方式和組合排列示意圖隔板中心到離其最近的一排管中心的距離S=t/2+6=22mm4.6.接管4.6.1.殼程流體進(jìn)出口時(shí)接管取接管內(nèi)植物油流速為u=0.1m/s則接管內(nèi)徑為：d=4V46000/(3600950)0.021mu3.141.0所以，取標(biāo)準(zhǔn)管的內(nèi)徑為20mm。4.6.2.管程流體進(jìn)出口時(shí)的接管取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑：d=416250.60/(3600995.7)0.062m3.141.5取標(biāo)準(zhǔn)管徑為60mm。4.7.壁厚的確定、封頭查GB151-99P21表8得圓筒厚度為：8mm查JB/T4737-95，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即8mm.五.換熱器核算5.1核算壁溫因管壁很薄，且管壁阻力很小，故管壁溫度可用Tmti1tm01i0計(jì)算，按最不利情況考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫，于是tm0.440＋0.6×5=25℃Tm1（140+40）=90℃2i4034.708w/m2k0485.15w/m2k因此，傳熱平均壁溫902531.98℃t4034.89485.15殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度即T=90℃殼體的壁溫和傳熱平均壁溫之差為t=90-31.98=58.02℃該溫差較大，故所需溫度補(bǔ)償裝置。5.2核算壓力降因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊?，所以要?duì)殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。5.2.1管程壓力降管程壓力降的計(jì)算公式為：pt(pipr)NsNpFtpi------單程直管阻力pr-------局部阻力Ns-------殼程數(shù)1Np--------管程數(shù)4Ft--------管程阻力結(jié)垢校正系數(shù)取1.4Pt-------管程總阻力Rei=0.020.855995.7=2118530.80110可知管內(nèi)流體為湍流。,取管壁粗糙度0.1mmdi0.10.005200.0315所以查Re關(guān)聯(lián)圖得摩擦因數(shù)lu260.8552pi0.0315995.73436pad20.022u2995.70.8552pr331091pa22則pt(pipr)NsNpFtFt=（3436+1091）×1×4×1.4=21513.9Pa<35kpa5.2.2殼程壓力降由于殼程流體的流動(dòng)狀況比較地復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計(jì)算殼程壓力降：ps(p1p2)FsNsp1——流體橫過管束的壓力降，Pa；p2——流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs——?dú)こ虊毫档墓笇有Ｕ禂?shù)，無(wú)因次，對(duì)于液體取1.15，對(duì)于氣體取1.0；Ns——?dú)こ虜?shù)；而p1Ff0nc(NB1)u02222hu0)p2NB(3.5D2F——管子排列方法對(duì)壓力降的校正系數(shù)，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45排列，F(xiàn)=0.4，ofo——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re﹥500時(shí)，fo5(Reo)0.228nc——橫過管束中心線的管子數(shù)nc1.nNB——折流擋板數(shù)h——折流擋板間距，mD——?dú)?，mdo——換熱器外徑，mu0——按殼程流通截面積S計(jì)算的流速，而A=h（D-ncd0）=0.026m2NB傳熱管長(zhǎng)-139折流板間距代入數(shù)值得：A=h（D-ncd0）=0.15（0.4-9×0.025）=0.026m2u06000=0.06736009500.02612Re0f0則d0u00.0250.06795021590.000742550.86120.2280.228Re2240.560.0672p1Ff0nc(NB1)=0.4×0.8612×9×40×950×=266.7Pa22u0220.159500.0722hu0)p2NB(3.5=39×（3.5-）×0.42D2=228.68Pa2ps(p1p2)FsNs=1.15×1×（266.7+228.68）=569Pa<35kpa經(jīng)過以上的核算，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表符號(hào)說明設(shè)計(jì)評(píng)述在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設(shè)備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史，而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要