化工原理 換熱器 課程設計

PAGEPAGE15成績?nèi)A北科技學院環(huán)境工程系《化工原理》課程設計報告設計題目列管式換熱器學生姓名衛(wèi)星紅學號200801034207指導老師李辰明專業(yè)班級化工B082班教師評語設計起止日期：2010年12月19日至2010年12月31日目錄1、設計任務和操作條件………………32、確定設計方案………………………3⑴選擇換熱器的類型………………3⑵流體流入空間的選擇……………33、確定物性數(shù)據(jù)……………………34.、估算傳熱面積……………………4⑴計算換熱器的熱負荷……………4⑵冷流體（柴油）用量………………4⑶傳熱平均溫度差…………………4⑷初算傳熱面積……………………45、工藝結(jié)構(gòu)尺寸……………………5⑴選管子規(guī)格……………………5⑵總管數(shù)和管程數(shù)…………………5⑶確定管子在管板上的排列方式…………………5⑷殼體內(nèi)徑的確定…………………5⑸初選浮頭式換熱器的主要參數(shù)…………………6⑹折流擋板……………………7⑺其他附件……………………7⑻接管……………………76、換熱器校核……………………8⑴傳熱溫度差的核正………………8⑵總傳熱系數(shù)K的計算……………8①管內(nèi)傳熱膜系數(shù)………………8②管外傳熱膜系數(shù)…………………9③污垢熱阻和管壁熱阻…………9④總傳熱系數(shù)K……………………9⑶傳熱面積校核……………………10Ⅱ、壁溫的計算……………………10Ⅲ、核算壓力降……………………11⑴管程壓力降……………………11⑵殼程壓力降……………………117、終選浮頭式換熱器的主要參數(shù)………………12課程設計總結(jié)……………………13CAD附加圖……………………161、設計任務和操作條件煉油廠用原油將柴油從175℃冷卻到130℃。柴油流量為12500㎏/h；原油初溫為70℃，經(jīng)換熱后升溫到110℃，換熱器的熱損失可忽略。管、殼程阻力壓降均不大于30kpa，污垢熱阻力均取0.0003㎡·℃/W。2、確定設計方案⑴選擇換熱器的類型兩流體的溫度變化情況：熱流體（柴油）進口溫度T1＝175℃,出口溫度T2＝冷流體（原油）進口溫度t1＝70℃，出口溫度t2＝從兩流體溫度來看，估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差大于50℃，同時為了便于清潔殼程污垢，初步確定選用浮頭式列管換熱器。⑵流體流入空間的選擇該設計任務的熱流體為柴油，冷流體為原油，柴油溫度較高，走管程可以減少熱損失，且原油黏度較大，當裝有折流擋板時，走殼程可以在較低的Re下既能達到湍流，有利于提高殼程一側(cè)的給熱系數(shù)。3、確定物性數(shù)據(jù)柴油的定性溫度：T＝EQ\F(175＋130,2)＝152.5℃原油的定性溫度：t＝EQ\F(70＋110,2)＝90℃查得柴油、原油在各自定性溫度下的各物性數(shù)據(jù)如下：物料ρ，kg/㎡Cp，j/kg·℃λ，w/（m·℃）μ，pa·s原油81522000.1280.003柴油71524800.1330.0644.、估算傳熱面積⑴計算換熱器的熱負荷（忽略熱損失）Q＝qm，1Cp,1（T1－T2）＝12500×2.48×（175－130）＝1.40×106kJ·h-1＝0.39×106W⑵冷流體（柴油）用量（忽略熱損失）qm,2=＝＝4.43kg/s⑶傳熱平均溫度差 按逆流計算△tm＝＝＝62.5℃⑷初算傳熱面積查表可至有機溶劑和輕油間進行換熱時的K值大致為120～400W·m-2·k-1,先取K值為230W·m-2·k-1，則估算傳熱面積為A估＝＝＝27.13㎡取實際面積為估算面積的1.15倍，則實際估算面積為：A實＝1.15×27.13＝31.20㎡5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸⑴選管子規(guī)格選用中φ25mm×2.5mm的無縫鋼管，管長L=4.5m⑵總管數(shù)和管程數(shù)總管數(shù)n＝＝EQ\F(31.2,3.14×0.025×4.5)＝88.32根單程流速μ＝＝＝0.175m/s因單程流速較低，為提高傳熱效果考慮采用多管程。柴油的黏度小于1mpa·s,為低黏油，查得管內(nèi)流速范圍為0.8~1.8m·s-1，因管長可能較大（管程數(shù)較多），所以管程數(shù)為m＝＝EQ\F(0.8,0.175)＝4.5因此取四管程⑶確定管子在管板上的排列方式由于選用的是多程換熱器，且選用浮頭式換熱器，故采用正方形錯列排列法。管子與管板采用焊接結(jié)構(gòu)。管心距取a＝1.25do＝1.25×25＝31.25≈32mm，隔板兩側(cè)相鄰管心距ac＝44mm⑷殼體內(nèi)徑的確定采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式D＝1.05a估算。取管板利用率η=0.8，則殼體內(nèi)徑為：D＝1.05a＝1.05×32×＝415mm按殼體標準圓整取D＝500mm按換熱器長經(jīng)比EQ\F(L,D)＝EQ\F(4.5,0.5)＝9，在推薦范圍內(nèi)，可臥式放置。⑸初選浮頭式換熱器的主要參數(shù)（JB/T4715-92）項目數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)殼徑D（DN）500mm管尺寸φ25mm×2.5mm殼徑數(shù)NP(N)4管長l4.5m管數(shù)n116管排列方式正方形斜轉(zhuǎn)45°中心排管數(shù)nc9管心距a32mm（與固定管板式相同）管程流通面積Si0.0091m傳熱面積A40.1m計算換熱面積按光管及公稱壓力2.5MPa的管板厚度確定注：對上表查得的數(shù)據(jù)初步核算如下：①每程的管數(shù)n1＝n/np＝116／4＝29，管程流通面積si＝(π/4)×0.022×29＝0.009106㎡與查得的0.0091㎡恰好符合②傳熱面積A＝πdoLn＝3.14×0.025×4.5×116＝40.977㎡，與查得的40.1㎡也很好符合。應以查得的A＝40.1㎡為準。③中心排管數(shù)nc，查得的nc＝9似乎太小，按正方形斜轉(zhuǎn)45°排列，nc＝9時n最多為90，故應以第（3）條所述，中心排管數(shù)為14時，排列管子總數(shù)為116，與查得的數(shù)據(jù)相符。查表，取管板厚度為40mm，公稱壓力2.5MPa，設管子與管板焊接時伸出管板長度為3mm，所以換熱器的實際傳熱面積A＝nπd0（L－2×0.04－2×0.003）＝116×3.14×0.025×(4.5－2×0.04－2×0.003)＝40.2㎡管程實際流速μi＝＝=0.533m/s⑹折流擋板采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，則切去圓缺高度為：h＝0.25×500＝125㎜因殼程為單相清潔流體，所以折流板水平上下布置，缺口向上的折流板底部開一90°小缺口，以便停車時排凈器內(nèi)殘液。取折流板間距B＝200㎜(0.2D＜B＜D﹚折流板數(shù)NB＝－1＝－1＝21(塊)⑺其他附件查表選拉桿直徑為12mm，拉桿數(shù)量為4根。⑻接管①管程流體進出口接管，取管內(nèi)流速μ＝1.8m/s則接管內(nèi)徑d1＝＝＝0.0586m按管子標準圓整，取管程流體進出口接管規(guī)格為68mm×3mm無縫鋼管。殼程流體進出口接管，取管內(nèi)流速μ＝1.8m/s則接管內(nèi)徑d2＝＝＝0.052m按管子標準圓整，取管程流體進出口接管規(guī)格為63.5mm3mm6、換熱器校核Ⅰ、⑴傳熱溫度差的核正按逆流計算的平均溫差△tm應乘以校正系數(shù)，選換熱器的流動類型符合單殼程，偶數(shù)管程,計算P和RP＝＝＝0.381R＝＝＝1.125根據(jù)P,R值，查溫差核正系數(shù)圖，＝0.91，符合＞0.9的要求，得到＝0.91×62.5＝56.9℃⑵總傳熱系數(shù)K的計算①管內(nèi)傳熱膜系數(shù)Re＝＝＝11909Pr＝＝＝11.93流體被冷卻，因此取n=0.3W/（㎡·℃）②管外傳熱膜系數(shù)＝0.36EQ\F(λ,de)Re0.55Pr1/3()0.14管子按正三角形排列，則傳熱當量直徑為de=m殼程流通截面積S=BD(1－)＝0.200×0.500×(1－)＝0.0219㎡殼程流體流速u＝＝＝0.248m/sRe＝＝＝1347.5Pr＝EQ\F(cpμ,λ)＝＝51.56殼程中流體被加熱，?。ǎ?.14＝1.05α0＝0.36××1347.50.55×51.561/3×1.05＝473.2W/（㎡·℃）③污垢熱阻和管壁熱阻查表，管內(nèi)、外側(cè)熱阻分別取Ri＝R0＝0.0003㎡·℃/w，已知管壁厚度δ＝0.0025m，取鋼導熱系數(shù)λ＝45.4W/（m·℃）④總傳熱系數(shù)KK===200.55⑶傳熱面積校核A‘＝EQ\F(Q,KΔTm)＝＝34.2㎡前已算出換熱器的實際傳熱面積A=40.1㎡則說明該傳熱器有17％的面積裕度，在10％~25％范圍內(nèi)，能夠完成生產(chǎn)任務。Ⅱ、壁溫的計算換熱器管壁溫可由下式估算tw＝已知α1＝α0＝367.4W/(㎡·℃)α2＝αi＝3699W/(㎡·℃)Tm＝0.4T1+0.6T2＝0.4×175＋0.6×130＝148tm＝0.4t2+0.6t1＝0.4×110＋0.6×70＝86換熱管平均壁溫為tw＝EQ\F(367.4×148＋3699×86,367.4＋3699)＝91.6℃殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即TW＝148℃殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為Δt＝148－91.6＝56.4由于該溫差大于50℃，但由于浮頭式換熱器管束有一端能自由伸縮的特點，完全消除了溫差Ⅲ、核算壓力降⑴管程壓力降∑ΔPi＝（Δp1＋Δp2）FtNSNP已知Ft＝1.4；NS＝1；NP＝4；μi＝0.175m/s；Rei＝11909(湍流)。對鋼管，取管壁粗糙度ε＝0.1EQ\F(ε,di)＝EQ\F(0.1,20)＝0.005由λ—e/d關系圖中查得λ＝0.036ΔP1＝＝＝88.7PaΔP2＝＝＝32.8PaΣΔPi＝（88.7+32.8）×1.4×1×4＝680.4pa＜30kPa⑵殼程壓力降已知FS＝1.15；NS＝1，有ΣΔP0＝（Δp1＇+Δp2＇）FSNSΔP1＇＝Ff0b(NB+1)管子按正三角形排列F＝0.5，b＝1.1＝1.1＝11.8折流擋板間距B=0折流擋板數(shù)NB＝21殼程流通截面積S＇＝B（D－bd0）＝0.2×(0.50－11.8×0.025)＝0.041㎡殼程流速μ0＝＝EQ\F(4.43/815,0.041)＝0.132m/sReo＝＝＝896.5＞500f0＝5.0Reo-0.228＝5.0×896.5-0.228＝1.061所以Δp1‘＝0.5×1.061×11.8×（21+1）×＝978PaΔp2·＝NB（3.5－EQ\F(2B,D)）＝21×（3.5－EQEQ\F(2×0.2,0.50)）×＝403PaΣΔp0＝（978＋403）×1.15×1＝1588Pa＜30Pa計算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設計要求。7、終選浮頭式換熱器的主要參數(shù)：項目數(shù)據(jù)項目數(shù)據(jù)殼徑D（DN）500mm管尺寸φ25mm×2.5mm管程數(shù)4管長L4.5m管數(shù)n116管排列方式正方形錯列中心排管數(shù)nc9管心距a32mm折流擋板形式弓形殼程數(shù)1管程流通面積Si0.0091m傳熱面積A40.1m列管式換熱器課程設計總結(jié)“化工原理”是我們化學工程與工藝專業(yè)的核心課程之一，僅僅通過課堂教學理論知識是遠遠不夠的，通過這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，我按照任務書一設計了一套換熱器設備設計原理和設計圖，但是由于目前掌握的知識的局限性，要用于工業(yè)生產(chǎn)的話還需加以改造與強化。在設計過程中，我遇到了很多難題，但是通過我堅持不懈的努力與探索都得到了很好的解決。從設計結(jié)果可以看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，折流板數(shù)越多，殼徑也越大，這主要是因為柴油出口溫度升高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K。因此換熱尺寸增大，金屬材料消耗相應增大，通過這個設計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟投入，設計參數(shù)的選擇十分重要，這就需要我們反復進行選擇再核算，確定最佳參數(shù)。作圖時剛開始由于自己完全按照實際尺寸來畫的，結(jié)果跟其他同學的圖一比較，好像比例上搭配的沒有那么好看，在較小的圖紙上打印出比較清晰的效果要反復修改好多遍才行，但是我一直堅持自己的想法，堅持獨立完成，最后終于完成了自己比較滿意的作品，雖然不是最好，但是我非常