化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書-用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-5"\h\z（一）綜述 2\o"CurrentDocument".換熱器類型 2\o"CurrentDocument".換熱器的主要用途 2\o"CurrentDocument"（二）課程任務(wù)設(shè)計(jì)書 3.設(shè)計(jì)題目 3.設(shè)計(jì)條件 3（三）設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 4.流動(dòng)空間的確定 4.定性溫度 4.水和煤油的物理性質(zhì) 4（四）計(jì)算總的傳熱系數(shù) 4.熱流量及溫度計(jì)算 4.平均溫度校正 5.確定總的傳熱系數(shù)K估 5.選擇換熱器類型 5（五）換熱總傳熱系數(shù)核算 6.殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 6.管程對(duì)流傳熱系數(shù) 7.污垢熱阻 8.傳熱系數(shù)K 8（六）計(jì)算傳熱面積裕度 8.換熱器實(shí)際面積 8.面積裕度 8（七）核算壓強(qiáng)降 8.管程壓力降的核算 8.殼程壓力降核算 9（八）設(shè)計(jì)結(jié)果總覽 11（九）實(shí)驗(yàn)心得 11（十）參考文獻(xiàn) 12（一）綜述換熱器的分類與比較，根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式，器基本上可分為三大類即間壁式混合式和蓄熱式，其中間壁式換熱器應(yīng)用最多，所以主要討論此類換熱器。.換熱器的主要類型表面式換熱器表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過(guò)壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對(duì)流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。表面式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器通過(guò)固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過(guò)加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，;令介質(zhì)再通過(guò)固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器有旋轉(zhuǎn)式、閥門切換式等。流體連接間接式換熱器流體連接間接式換熱器，是把兩個(gè)表面式換熱器由在其中循環(huán)的熱載體連接起來(lái)的換熱器，熱載體在高溫流體換熱器和低溫流體之間循環(huán)，在高溫流體接受熱量，在低溫流體換熱器把熱量釋放給低溫流體。④直接接觸式換熱器直接接觸式換熱器是兩種流體直接接觸進(jìn)行換熱的設(shè)備，例如，冷水塔、氣體冷凝器等。.換熱器的用途加熱器加熱器是把流體加熱到必要的溫度，但加熱流體沒(méi)有發(fā)生相的變化。預(yù)熱器預(yù)熱器預(yù)先加熱流體，為工序操作提供標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)。過(guò)熱器過(guò)熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過(guò)熱狀態(tài)。④蒸發(fā)器蒸發(fā)器用于加熱流體，達(dá)到沸點(diǎn)以上溫度，使其流體蒸發(fā)，一般有相的變化。.換熱器的結(jié)構(gòu)類型可分為：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、U形管板換熱器、板式換熱器等。蛇管換熱器這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器想適應(yīng)的形狀并沉浸在容器內(nèi)的液體中。蛇管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓，可用耐腐蝕性材料制造；其缺點(diǎn)是容器內(nèi)液體湍流程度低，管外對(duì)流傳熱系數(shù)小。套管式換熱器套管式換熱器是用兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接稱為同心圓的套管，外面的叫殼程內(nèi)部的叫管程。兩種不同介質(zhì)可在殼程和管程內(nèi)逆向流動(dòng)（或同向）以達(dá)到換熱的效果。列管式換熱器歹憎式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì)，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要有以下幾種：a.固定管板式換熱器：這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。b.浮頭式換熱器：換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。c.U型管式換熱器：U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。（二）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書.題目：用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)條件：處理能力 1.188x105噸/年煤油設(shè)備型式 列管式換熱器操作條件2.煤油：入口溫度120℃,出口溫度50℃卜；冷卻介質(zhì)：自來(lái)水，入口溫度15℃,出口溫度45℃c.允許壓強(qiáng)降：不大于1.5x105Pa④每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行（三）.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：1.流動(dòng)空間的確定從增加兩物流的傳熱膜系數(shù)看，應(yīng)使煤油走管程，;冷卻水走殼程。但由于;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；又被;冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。所以從總體考慮，應(yīng)使冷卻水走管程，煤油走殼程。選用25x2.5的碳鋼管2、定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值作為定性溫度T+T_120+50殼程煤油的定性溫度：T=一丁=-2—=85℃管程;冷卻水的定性溫度：看=三=15+45=30℃2 23.水和煤油在定性溫度下的物理性質(zhì)（查《工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊(cè)》）密度a(kg/m3)比熱容Cp(kJ/kg?℃)熱導(dǎo)^AW(m?℃)黏度u(Pa?S)水（35℃）995.74.1740.617680.07x10—5煤油（85℃）8122.080.141—30.82x10(四)計(jì)算總傳熱系數(shù)1、熱流量及溫度計(jì)算熱流量15000義2.08x103義(120—50)Q=qc(T-T)=qc(t—t)= =606666.67m1p112 m2p221 3600

冷卻水的流量：q=——2一=606666，67 =174413kg/hm2cQT)4174X(45-15)pl2 1計(jì)算兩液體平均溫度\t=T-t=120_45=75℃At=T-t=50-15=35℃1 1 2 2 2 1M、M、*=一J—一-=52.48℃逆AlIn--

Ar2.平均溫度校正120-50

45-15=2.33Km1-2折流和1殼程氏4、氏一管程120-50

45-15=2.33Km1-2折流和1殼程氏4、氏一管程該換熱器是單殼程，雙管程，由圖可知校正系數(shù)(p=0.94A?=^P.A?該換熱器是單殼程，雙管程，由圖可知校正系數(shù)(p=0.94A?=^P.A?=49.33。。mz機(jī)逆3.確定總的傳熱系數(shù)K估初選換熱器規(guī)格，根據(jù)的流體情況，假設(shè)K=345w/(m2?℃)估QkAtmQkAtm606666.67:33.5m2345x52.484.選擇換熱器類型120+50-15+45=55℃>50℃,需要考慮熱補(bǔ)償。采用浮頭式換熱器。根據(jù)換熱面積的需要選擇下面類型的浮頭式換熱器（圖附在最后）殼徑/mm500管子規(guī)格/加。25x2.5公稱壓強(qiáng)/MPa1.5x10八5管長(zhǎng)/m4.5計(jì)算傳熱面積/m240.1管子總數(shù)116管程流通面積/m20.0091管子排列方式正方形旋轉(zhuǎn)45°中^心管數(shù)9（五）換熱總傳熱系數(shù)核算.殼程對(duì)流傳熱系數(shù)流通截面積采用組合排列發(fā)，既每管程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用方形排列，取管心距t=1.25d 貝Qt=l.25dx25工32mm=0.032m1 1取折流擋板間距BR.4D,則B=0.4x0.5=0.2mm,則流體通過(guò)的最大截面積A=BD(1-d0)=0.2x0.5(1-0.025)=0.02188m2t 0.032當(dāng)量直徑4x(2—12—三d2)4x(m0.0322—0.785x0.0252)d= 2 40= 2 =0.020me 必 3.14x0.0250殼程內(nèi)流體流速1.188x108q==4.17kg/sm13600x24x3304.17u=q1=812x0.02188=0-23m/s0pA0④雷諾系數(shù)R=deU0p0=0.02x0.23x812=4555e\ 0.82x103⑤普蘭特?cái)?shù)Pr=cp*0=2.08x103x0.82x10-3=12.1九 0.141⑥黏度校正由于殼程煤油是被冷卻的，所以?。▍^(qū)）0,14=0.95Nw⑦對(duì)流傳熱系數(shù)S0對(duì)于圓缺型擋板殼程，且2000<Re=4555<1x106，選擇公式:人 1ua=0.36-Re0.55Pr3(.)0.140d0ue0 w=0.36x0m義45550.55x12.l3x0.95=564攻/(m2??0.02.管程對(duì)流傳熱系數(shù)查表得換熱器管程面積A1=0.0091m2管程流速u=q^= 17441.3 =0.535m/s1pA 3600x995.7x0.009111雷諾系數(shù)d二(0.025-0.0025x2)=0.02mRe=U=0.02x995.7x0.535=133161A 0.8007x10-3普朗特?cái)?shù)Pr=J1Ml=4.174x103x0.8007x10一3=5.411 九1 0.6176④對(duì)流傳熱系數(shù)S1d=0.023^1Re0-8Pr0.4=0.023x?？?、x133160.8x5.410.4=2780攻/(m2?()1d1 1 0.021.污垢熱阻查閱得自來(lái)水的污垢熱阻Rs=0.00034m2.c/w1煤油的污垢熱阻Rs=0.00017179m2?c/w0.傳熱系數(shù)K計(jì)

采用碳鋼材質(zhì)的管子，管壁厚度：b=0.0025m 則查資料其熱傳導(dǎo)系數(shù)：X=45w/(m-c)1—+0.000171791—+0.00017179+0.00250.025+0.00034x564450.0220.025 10.025 + 0.02 27800.0211 bdd1d一+Rs+_—0-+Rs—o-十——0-d 九dddd01111二347w/（m2.oC）（六）計(jì)算傳熱面積裕度.換熱器實(shí)際換熱面積S=-Q-=606666.67=33.3m2實(shí)kAt 347x52.48計(jì)m.計(jì)算面積裕度查選擇的換熱器的參數(shù)表得，換熱器的換熱面積Sp=401m2S-S、 40.1—33.3 -n=p「實(shí)= x100%=20.4%<25%S33.3實(shí)換熱器的裕度合適，能完成生產(chǎn)任務(wù)，該換熱器選擇合適。（七）.核算壓強(qiáng)降1.管程壓力降核算ZP=（Ap+Ap）FNNi 1 2tsp（N一管程數(shù)，Ns—?dú)こ虜?shù)，F(xiàn)t一結(jié)垢校正系數(shù)）已知管程數(shù)N=4,殼程數(shù)N=1sp

查資料得結(jié)垢校正系數(shù)025x2.5四根的管子?。篵二1.4直管阻力邸、已知Re=13316,傳熱管相對(duì)粗糙度與="1=0.0005,1 d20口⑷o.ma.oai仙”堂正其多0.D*14OG&fiOM04口⑷o.ma.oai仙”堂正其多0.D*14OG&fiOM04南睹準(zhǔn)數(shù)整查圖可得摩擦系數(shù)九二0.027w/（m.（）換熱器管子長(zhǎng)度為l=4.5mo△PCx1x=0,027x_ilx9955x0-5352=865Pa2 0.02 2④回彎管阻力計(jì)算AD二P〃2&995.7x0.5352AP=c2-=3x =427Pa2 2 2⑤管程流動(dòng)阻力E。i'P=（A。+A匕>NN0=（865+427）x1.4xlx4=7325.2Pa<1.5xl05Pa2.殼程壓力降核算擋板數(shù)

1_1米用弓形擋板，取擋板局度為殼徑的3，則被切去的圖度h/D=5x0.5=0.1m5擋板間距為B=0.4D=0.4x0.5=0.2m，則擋板數(shù)NB為:N=傳熱管管長(zhǎng)-1=45-1=22塊B折柳擋板間距0.2流經(jīng)管束流體壓力降Eap=(Ap'+Ap')FN（F一結(jié)垢校正系，N—管程數(shù)）經(jīng)查資料結(jié)垢校正系數(shù)分=1,管程數(shù)N=1由于換熱管是正三角形排列，查表得校正系數(shù)：F=0.5殼程流體摩擦系數(shù)/0=5Re0-0.228=5x4555-0.228=0.73已知該換熱器的中心管束n=9則流過(guò)管束壓力降為：c812義0.232=1622.7Pa812義0.232=1622.7PaAP:二F0nc(Nb+ =0.5x0.73x9x(22+1)流體流經(jīng)折流擋板處的壓力降已知?dú)紻=0.5m擋板間距B為0.2m2 2BP2 2BPu2Ap〃=N(3.5-——r-0-^=22(3.5-2B D22義0.2)812義0.2320.5二1275.8PaE④殼程總的壓強(qiáng)降一p0e乙Pc=(Ap+Ap)FN=(1622.7+1275.8)x1x1=2898.5Pa<1.5x105pa0 1 2 ts殼程流動(dòng)壓力降在合理范圍內(nèi)。

經(jīng)核算，管程和殼程的壓力降均在合理范圍內(nèi)，該換熱器能滿足生產(chǎn)任務(wù)，可以應(yīng)用。（八）設(shè)計(jì)結(jié)果總覽換熱器型式：浮頭式換熱器換熱面積（m2）:40.1m2工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱自來(lái)水煤油操作溫度，℃進(jìn)15/出45進(jìn)120/出50流量，kg/h1744115000流體密度，kg/m3995.7812流速，m/s0.230.535

傳熱量，kW606666.67總傳熱系數(shù)，W/m2-K347對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m，K5642780污垢系數(shù)，m2-K/W0.000343940.00017197阻力降，MPa7.3252.898程數(shù)41推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格①25x2.5管數(shù)116管長(zhǎng)，mm4500管間距，mm32排列方式止三角形折流板型式上下間距，mm200切口高度20%殼體內(nèi)徑，mm500（九）實(shí)驗(yàn)心得初次接觸化工原理課程設(shè)計(jì)，還荒謬地以為是像其他課程一樣是實(shí)驗(yàn)類的，聽課的時(shí)候也一頭霧水，根本不知道該做什么，該怎么做，無(wú)從下手，只是覺(jué)得好難。有一段時(shí)間都在觀望。所以自己設(shè)計(jì)的時(shí)候只能是根據(jù)老師提供的模板，用新的數(shù)據(jù)代替舊的數(shù)據(jù)，其他的公式完全照抄，花了一天時(shí)間，終于把計(jì)算部分完成了。裕度15％，在合理范圍內(nèi)，但是，一看壓力降，徹底崩潰了，12多千帕，天啊，完全不合理。再細(xì)看模板和自己的設(shè)計(jì)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題，我的設(shè)計(jì)根本是行不同，果真用這設(shè)計(jì)的話，也是謀財(cái)害命。所以我決定重新來(lái)過(guò)。這時(shí)離交作業(yè)還有三天，做出來(lái)