化工原理课程设计——换热器

3.1.1 换热器的选择
4
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选择流动方式为逆流，初估 K 为 600.选用单壳程双管程固定管板式换热器.
Q = qm1cp1(T1 − T2 ) = 6.55× 2.22 × (78 − 60)kW = 261.74kW
∆tm逆
=
(T1
−
t
2
)
−（T2
-t ） 1=
ln(T1 − t2 )
261.74
3
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纯逆流平均推动力Δtm 逆（°C）
39.0
实际平均推动力Δtm（°C）
37.8
初步计算的 A 估（m2） 冷却水质量流速 qm2/(kg/s) 管内流速 ui/(m/s) 管内流动雷诺系数 Re 管程给热系数αi/(W·m-2·K-1) 管程阻力损失ΔPt/(Pa) 横过管束中心线的管数 NTC 壳程流动面积 A0/m2 壳程流速 u0/m·s-1 壳程流动雷诺数 Re0 壳程流体摩擦系数 f0 壳程压降ΔPS/Pa 当量直径 de/mm 最大流动截面 A'/m2 壳程实际流速 u0/m·s-1 壳程实际雷诺数 Re0 壳程给热系数α0/(W·m-2·K-1) 计算传热系数 K 计/(W·m-2·K-1) 计算传热面积 A 计/m2 实际传热面积 A 实/m2
0.02
801.2 × 10−6
0.6171
= 3157.4W / m2
K
5
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3.1.3 换热器壳程的计算
压降计算中的各项参数：
NTC = 1.19( NT )0.5 = 1.19 × (32)0.5 = 6.73
A0 = B(D − NTCd0 ) = 0.15× (0.273 − 6.73× 0.025)m2 = 0.0157m2
在满足工艺过程要求的前提下， 换热器应达到安全与经济的目标。换热器设计的 主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。设计主要包括壳体形式、管 程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构、冷热流体的流动通道等工艺设计 和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算。
换热器的工艺设计计算，依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种，包 括计算换热面积和选型两个方面。一般已知冷、热流体的处理量和它们的物性。进出口 温度、压力由工艺要求确定。设计中需选择或确定的数据有三大类，即物性数据、结构 数据和工艺数据。具体来说，可以通过一下步骤来进行：初选换热器的尺寸规格，计算 管程的压降和给热系数，计算壳程压降和给热系数，计算传热系数、校核传热面积。考 虑到所用传热计算是的准确程度及其他未可预料因素，保持传热面积上的裕度，应使最 后A/A计=1.15~1.25，否则就要重新估计、选择，重复计算。
3.2.1 管道的选用……………………………………………… 7
3.2.2 泵的选型与计算说明…………………………………… 7
4.附录……………………………………………………… 8
4.1 物性明细表………………………………………………… 8
4.2 符号说明…………………………………………………… 8
5.参考文献………………………………………………… 9 1.设计任务
换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备， 又称热交换器。管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U 型 管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热器等。前3 种应用比较普 遍。
固定管板式换热器的结构：主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构 成。它的特点是结构简单，没有壳 侧密封连接，相同的壳体内径排管 最多，在有折流板的流动中旁路最 小，管程可以分成任何管程数，因 两个管板由管子互相支撑， 故在各 种管壳式换热器中它的管板最薄， 造价最低，因而得到广泛应用。这 种换热器的缺点是：壳程清洗困难， 有温差应力存在。。这种换热器适用 于两种介质温差不大， 或温差较大但壳程压力不高及壳程介质清洁，不易结垢的场合。
1.1 工艺要求
要将温度为 78°C 的某液态有机物冷却至 60°C，此有机物的流量为
6.55kg/s。先拟用温度为 t1= °C 的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的
压降皆不应超过 0.1MPa。一直有机物在 69°C 时的物性数据如下：
ρ=997kg/m3
μ=0.6mPa·s
Cp=2.22kJ/kg·°C λ=0.16W/m·°C
∆tm = ϕ∆tm逆 =0.97 ×39.0°C=37.8°C
A估
=
Q K ∆tm
=
261.74 ×103 600× 37.8
m2
= 11.54m2
根据以上计算值，选取换热器型号及其基本参数如下：
BES273-1.6-11.1-4.5/25-2 换热器
公称直径 DN/mm
273
管子尺寸 mm
Φ25×2.5
2.泵的选用与评价
泵指改变容积内流体的压力或输送流体的机器，主要用来输送液体包括水、油、酸 碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的 液体。化工生产设计的流体可能是强腐蚀性、有毒、易燃易爆、高温或低温以及含有固 体悬浮物等，其性质千差万别。为适应各种不同的需要，研制了多种形式的输送机械， 依作用原理不同，可将其分为：动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式等；容积式（正
3.计算过程
3.1 换热器的选型
综合考虑夏冬两季水温，将初温定为 20°C；考虑到化工生产中的实
际，将冷却水出口温度定为 40°C。 查的此时的物性参数如下：
t = t1 + t2 = 20 + 40 °C = 30°C 此时
2
2
ρ=995.7kg/m3 μ=801.2μPa·s Cp=4.174kJ/kg·°C λ=0.6171W/m·°C
要求：1.选用合适的换热器；2.合理安排管路；3.选用一台合适的离心泵。
1.2 流程与管路图
管路布置如右图，已知泵进口段管
长 L 进=5 米，泵出口段管长 L 出=15 米 （均不包括局部阻力损失）。
2.计算结果明细表
物理量 换热器选型 热流量 Q（kW）
数值 BES273-1.6-11.1-4.5/25-2 换热器
H = ∆Z + ∆P + ∆u2 + λ( l + Σle ) u2
ρg 2g
d 2g 计算求得。在实际选泵的过程中，还要合理配置，安
全运行，这样才能做到优质输送。 泵选型的原则是：使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀
流量、吸程等工艺参数的要求；机械方面可靠性高、噪声低、振动小；经济上要综合考 虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。根据工艺流程 ,、专业要求,，应 将下面五个方面加以考虑, 既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运 转条件等。水泵的选取并不难，只要做到经验与理论计算相结合，充分利用各台水泵的 特性，就能做到使用最少的功率达到水泵的最大出水量，做到安全、优质、低耗输送。
工程压强 PN/MPa
1.6
管长 L/m
4.5
工程面积 m2 管程数 Np
11.1
管数 NT
32
2
中心管距 l/mm
32
管子排列方式
正三角形 中心排管数
7
qm2
=
Q cp2 (t2 − t1)
=
261.74 ×103 4.174 ×103 × (40 −
20)
kg
/
s
=
3.14kg
/
s
综合冷、热流体流动通道的注意事项，最终选择冷却水走管程通道，有
u0
=
qm1 ρ1 A0
=
6.55 997 × 0.0157
m
/s
=
0.418m
/
s
由于
Re0
=
d0u0 ρ1 µ1
=
0.025× 0.418× 997 0.6 ×10−3
= 17364.4〉500
所以
f0 = 5.0 Re−0.228 = 5 ×17364.4−0.228 = 0.540
3.1.1 换热器的选择………………………………………………4 3.1.2 换热器管程的计算……………………………………… 5 3.1.3 换热器壳程的计算……………………………………… 6 3.1.4 换热器的验证与说明…………………………………… 6
2
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3.2 管路的铺设与泵的选型……………………………………7
机液体走壳程通道的方式。选用 25%圆缺挡板，挡板间距 150mm。
3.1.2 换热器管程的计算
ui
=
qm2 NP
π 4
NT di2 ρ2
=
3.14 × 2 0.785× 32× 0.022
× 995.7
m/s=0.628m/s
ε值取 0.15mm，则 ε = 0.15 = 0.0075 进而求出λ值为 0.034.
目录
1.设计任务………………………………………………… 3
1.1 工艺与要求………………………………………………… 3 1.2 流程与管路图……………………………………………… 3
2.计算结果明细表………………………………………… 3 3.计算过程………………………………………………… 4
3.1 换热器的选型……………………………………………… 4
化工原理课程设计
管壳式换热器选型
姓名： 李鹏程 学号： 10091693 班级： 工 092 指导老师： 袁萍
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前言ห้องสมุดไป่ตู้
1.换热器的设备简介
传热是热能从热流体间接或直接传向冷流体的过程。其性质复杂，不但要考虑经过 间壁的热传导，而且要考虑到间壁两边流体的对流传热，有时还须考虑到辐射传热。在 化学工业中常遇到的热交换问题，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三 大类即：间壁式、混合式和蓄热式。其中间壁式换热器詹用量最大，据统计，这类换热 器占总用量的 99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类，其中管壳式换 热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期的操作过程中积累了丰富的经验，其设 计资料基本齐全，在许多国家都有了系列化的标准。因此，作为广泛应用于各个领域的 工业设备，它在国民经济中具有非常重要的作用。
A 实/A 计 泵的选型 管路内流速 u/m·s-1 泵的扬程 He/m 泵的体积流量 qv/m3·h-1 最大允许安装高度[Hg]/m
11.54 3.14 0.628 15609.1 3157.4 5855 6.73 0.0157 0.418 17364.4 0.540 8209.8 20.19 0.00896 0.733 15609.1 1428.3 712.8 9.71 11.3 1.164 IS50-32-125 型单级单吸离心泵 2.51 19.3 11.34 4.44
di 20
对于正三角形排列，管程结垢校正系数 ft 取 1.4，则压降为：
∆Pt
= (λ
L di
+ 3) ft N p
ρui2 2
= (0.034 ×
4.5
995.7 × 0.6282
+ 3) ×1.4× 2 ×
0.02
2
Pa
= 5855Pa〈0.1MPa
符合题目要求。
Rei
=
ρ2u2di µ2
=
995.7 × 0.628 × 0.02 801.2 ×10−6
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正位移式）：包括往复式、旋转式等；其他类型：如喷射式等。其中离心泵由于其效率 高，性能范围和适用领域广，因此是现代应用最广、产量最大的泵。
离心泵的性能, 是指离心泵在标准工 况下的流量、扬程、效率、功率、转度、 必需汽蚀余量等性能参数。流量是指单位 时间内通过泵出口输出的液体量，一般采 用体积流量；扬程是单位重量输送液体从 泵入口至出口的能量增量 ，对于容积式 泵，能量增量主要体现在压力能增加上， 所以通常以压力增量代替扬程来表示。泵 的效率不是一个独立性能参数，它可以由 别的性能参数通过公式
= 15609.1〉10000
算：α i
=
0.023 λ2 di
( diui ρ2 µ2
)0.8 ( c p2 µ2 λ2
)0.4
所以管程给热系数可用下式计
= 0.023× 0.6171 × ( 0.02 × 0.628× 995.7 )0.8 × ( 4.174× 103 × 801.2× 10−6 )0.4W / m 2 K
(78
− 40) − (60 − ln(78 − 40)
20)
°C
=
39.0°C
T2 − t1
60 − 20
R = T1 − T2 = 78 − 60 = 0.9 t2 − t1 40 − 20
P = t2 − t1 = 40 − 20 = 0.34 T1 − t1 78 − 20
由 R、P 的值从表上读出 ϕ =0.97>0.8，故流动方式选择有效。