固定管板式列管换热器设计

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数平均温度差△tm逆乘以校正系数,而校正系数是辅助量R与P的函数。
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其中,R=(T1-T2)/(t2-t1)=1.22 P= (t2-t1)/(T1-t1)=0.342
由《化工原理》图4-52(α)得出温差校正系数为0.94。
解得△tm逆=34.97℃
③估算总传热系数K值
由《化工原理》表4-4可知,有机物—水组合中,当有机物黏度 μ<0.5mpa*s时,K的取值范围为300~800W/(㎡*k),而苯的μ1
选择换热管为正三角排列,排列管 的中心距为t=25mm。横过管束中心线的
管数n=c 1.1* n
由n=88解得n=c 10.3≈11 最外层换热管中心线距壳体内
壁距离:b ' =(1~1.5)d。,此处 b' 取一倍d。,即b'=0.019m
壳体内径:Ds=(nc-1)*t+2* b' 解得Ds=0.288m
998.2kg/m³,知道质量流量qm=qV*ρ=998.2*9kg/h=2.4955kg/s;
在根据热负荷计算式 Q=ω1Cp1(T1-T2)= ω2Cp2(t2-t1)
可计算得水的出口温度 t2=40.505℃≈40.50℃
因此,水的出口温度设定为40.5℃。 其中,热负荷Q=213580J
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由此,笔者选定让水走壳程,苯走管程。
②对水的假定
假设所用水的水源来自于清河水,在使用它作为冷却介质前,需对其做 一定的化学处理:先通过一净水池将较大的颗粒除去;再通过另一净水池, 使用絮凝剂,将钙离子和镁离子沉淀,这样得到的水可近似认为是污垢热阻 很小的蒸馏水。同样的,考虑到设备是长期工作的,难免保证水不蒸发、泄 露而损耗,需进行定期的补给。
两种方法所得结果不同,但都可圆整 为最接近于他们的标准内径0.325m。
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七、附件设计
1、接管及法兰的选择
六个管口(两对进出口,一个排气口,一个排污口)及相应法兰 的选择(设计中均用凸面法兰),确定其尺寸(厚度、直径、高度)、 材料、重量,相应法兰的配备螺孔等。具体见设计任务书。
2、换热管的选择
20钢材质的无缝钢管,规格:19 * 2
长度:3000mm 与管板的连接采用热胀连接
3、左管板短节的选择
包括内径、壁厚、长度以及材料和重量。
4、左管箱封头的选择
同上
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5、左管箱隔板的选择
这里其厚度选为10mm(换热器公称直径小于或等于600时,碳钢 隔板的最小厚度为8mm)。
=0.000358Pa*s<0.5mpa*s。 由于纯苯可近似看做无污垢,而水也是经过处理的,因此总的影响传热系数
的值不大,因而K值可取大一些,这里,取K估=500W/( ㎡*k )。
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④由K估和△tm逆计算换热面积
由A=Q/( K估*△tm逆) 解得A=12.22㎡
⑤管根数NT估的计算
选择依据:1)有毒的流体走管程,减少泄漏的机会,而苯是一种可至白血病 有毒液体;2)粘性大的或流量小的液体宜走壳程,因流体在有折流板的壳程 流动时,在较小的雷诺数(Re<100)下,即可达到湍流,有利于提高传热系 数,而一般正常温度下,苯的粘性小,水的粘性大;3)苯是高温液体,在管 内热膨胀,水是低温流体,在壳内冷缩,从而使管子不会从管板上脱落。
③水入口温度的选定
笔者假定换热器的常年平均工作温度为20℃,亦即室外温度基本恒定在 20℃。符合这样条件的地区分布在大陆的低纬度地区,以广州地区为宜。所 以,水入口的温度选择为20℃。
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④水出口温度的设计思路
笔者是通过选择泵来确定水的出口温度的。下面即为设计的思路:
一般情况下,水的流速在1~2.5m/s之间取。 取TR32-160型离心式液下泵(《化工设备设计手册》P1530),已知其 体积流量qV=9m³/h,出口直径d为32mm,由u=qV/A解得出口流速为2.07m/s, 正好符合上述的流速范围内;由③的选定,得到20℃条件下水的密度为
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二、设计方案的确定及流程说明
1、确定设计方案
(1)已知设计条件
①生产负荷(按每年7200小时计算):11.6万吨纯苯/年 ②苯进料状况:80℃的液体 ③苯出口状况:55℃的液体 ④冷却介质:循环水(15~35℃) ⑤管程和壳程压降:不大于10kpa
(2)设计的前期处理
①壳程和管程所走流体的选择
泵的流量富余量应尽量减少,这样所选泵的型号、规格的额定工况接近 操作工况,泵的一次性投资较小,操作效率高,节省操作费用。根据经验, 泵的流量富余量最好在泵的额定流量5%~10%的范围内。
而计算得富余量约为8%,符合要求。
⑥换热器设计压力的选定
由于条件中所给苯的进口温度为80℃,而苯的沸点也略高于这个值,因 而不宜在常压下进行工作,需要施加一定的压力,使其不宜蒸发出来,根据 后来计算出的压降值(很小)以及标准的几个公称压力值,因此这里的设计 压力定为0.6Mpa。
假设管长Ls=3m,根据NT估=A/(π * d。*Ls) 其中, A=12.22㎡,d。=19mm(标准的管有19*2和25*2.5两种规格,这
里取得是前者), 解得NT估=68.24(根)
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四、管子尺寸及数目的计算
上面最后解得NT估=68.24
(根),参照工具书上φ 19*2管的 标准参数,选择壳程为1,管程为2,
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一、固定管板式换热器的介绍
1、固定管板式换热器的 结构特点
此种换热器的特点是管束以 焊接或胀接在两块管板上,管 板分别焊接在外壳的两端并在 其上连接有顶盖,顶盖和壳体 上装有流体进出口接管。
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2、固定管板式换热器的 3、固定管板式换热器的
性能优点
性能缺点
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⑤输送苯对应泵的选择
由苯的年产量可知其质量流量,再由苯的进口温度查得其对应密度,结 合质量流量和入口密度即可求得苯入口的体积流量(为20.23m^3/h)。选用 ZA 型卧式离心泵,型号ZA40-200 对应C型叶轮 ,额定流量Q=22m^3/h(摘 自《化工设备设计手册》下卷P1512)
下面确定泵操作的流量富余量,以确定所选泵是否符合要求。
管总数为88根,管长L=3m的参数列,
对应的传热面积A选=15.2㎡。
选择管的排列方式为正三角形
排列。(后面有解释,详见五)
根据工具书,参考壳径Ds=
0.637 *
d CL * PR *
CTP LS o
其中,CL是指传热管配置角度对换 热器直径的影响系数,这里 CL=1;
CTP是指传热管程数对换热 管直径的影响系数,双程时, CTP=0.9
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②计算对数平均温差
为了增加传热的有效性,设计时采用逆流的方式。
根据计算式△tm逆=( △t1- △t2)/ln( △t1/△t2 )
其中, △t1 =80-40.5( ℃ )=39.5 ℃ △t2 =55-20( ℃ )=35 ℃
求得△tm逆=37.20 ℃
假设所选择的流程为单壳程、双管程,则流动的形式为折流,需对对
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水的流量:qm2=Q/Cp2*(t2t1)=2.496kg/s
水的流速:u2=qm2/(ρ2*S)=0.161m/s
三角形排列的当量直径:
de=
=0.041*7( 33
2
*
t
2
-
π 4
*
d
2 o
Байду номын сангаас
)
/

*
do
)
同理,Re2=3460
当Re2的取值介于2000与2000000之 间时,可用下式计算α2:
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(3)设计安排
本次设计首先通过换热面积的计算以及校核值确定所选 用的换热器是否合适,一旦选择好换热器后,其内部总管 子的数目以及换热面积都是确定的值。根据管子的尺寸和 数目即可进行相应的排列。当壁温和压力降的校核结果满 足后,即可进行附件的设计。当计算和校核的部分完成后, 即可进行作图。笔者作为组长,负责协调每一个人的分工, 从而为后续的设计扫除障碍。
流速 u1=4*qm1/(ρ1*π *n*d1*d1)=0.693m/s
Re1=d1*u1*ρ1/μ1 =214120 Pr1=Cp1*μ1/ λ1=5.197 Α = λ 1 0.023* 1 *(Re1)0.8(Pr1)0.3
d1
=1060W/(㎡*k)
②壳程的对流传热系数α2 壳程最大的流通截面积公式: S=h*D*(1-d。/t) 解得S=0.0156㎡
6、左管箱法兰和密封垫片的选择 7、左箱板的选择
管板厚度的确定(40mm)、管板的选型、管板的开孔布置。
8、右管板与右管箱的选择
与左边相对应的相同。
9、鞍座的选择
相应的尺寸(包括底板和垫板)以及质量。
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八、换热器校核(包括换热面积、壁温、压 力降)
1、换热面积的校核 ①管程的对流传热系数α1
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三、换热面积的估算
①计算定性温度,确定物理常数
管程
壳程
T=67.5℃
t=30.25℃
ρ1 =831kg/m^3 μ1 =0.000358Pa*s Cp1=1909J/(kg*k) λ1 =0.1315W/(m*k)
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ρ2=995.7kg/m^3 μ2=0.0008015Pa*s Cp2=4174J/(kg*k) λ2=0.618W/(m*k)
壁温、压力降)
• 九、设计结果概要或设计一览表
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目录
• 十、对本设计的评述或有关问题的 分析讨论
• 十一、参考文献 • 十二、工作总结 • 十三、设计创新点
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摘要
• 本次课程设计属于化工课程设计的一个重要方面,在工业生产中有着广泛的 应用。目的在于考察我们对相关化工原理基本理论知识的掌握程度,提高对 化工设备的认知以及培养分工与独立工作的能力。我们的课题为“固定管板 式列管换热器的设计”,通过已知的苯进口温度,管程壳程的压力降要求, 水的常温温度等条件设计一符合实际工作要求的换热器,并且通过一工艺流 程图展现其在某种特定用途下的操作流程。由于水的出口温度并不已知,笔 者通过选择合理的泵来推算出其出口温度,进而对后续的计算问题迎刃而解。 后期的校核计算中,所得的换热面积、压力降及壁温均符合要求,标明所设 计的换热器是满足一定生产负荷下正常工作要求的。
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PR=PT/d。,其中,PT为管间距,这里一般取得是25mm。 解得Ds=0.229m 选取Ds正好对应于0.325m,也较满足。 在一般情况下,取挡板间距为壳体内径的0.2~1.0倍,且一般为50mm 的倍数。 壳体内径D=0.325m 对应的挡板间距取值范围为0.065~0.325m 这里取200mm的间距,即h=200mm。 由折流板数目的计算式NB=L/h-1,得 NB=14(块) 即折流板的数目设计为14块。
与其他形式的换热器相比, 它的结构简单,制造成本较低。 管内不易积累污垢,即使产生 了污垢也便于清洗。
无法对管子的外表面进行
检查和机械清洗,因而不适宜 处理脏的或有腐蚀性的介质。 由于管子和管板与壳体的连接 都是刚性的,当管子与壳体的 壁温或材料的线膨胀系数相差 较大时,在壳体和管子中将产 生很大的温差应力,以致管子 扭弯或从管板上脱落,甚至损 坏整个换热器。
α2
=
0.36
*
λ2 de
*
(Re2
)
0.55
*
(Pr2
)1/3
(
μ2 μw
)0.14
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设 ,其中, ( μ2 )0.14 =1.03
μ2 =0.0008015Pa*s
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五、管子在管板上的排列
设计中之所以选择正三角形排列,是因为正三角形排列较紧凑、 对相同壳体直径的换热器排的管子较多,传热效果也较好,且所使用 的两种液体污垢热阻均很小,可以忽略不易清洗的因素。
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六、壳体内径的确定
四中已通过一种方法计算得的 Ds=0.229m,选定的一个内经标准为 0.325。下面选择另一种方法来确定壳 体的内径——
目录
• 一、固定管板式换热器的介绍 1、固定管板式换热器的结构特点 2、固定管板式换热器的性能优点 3、固定管板式换热器的性能缺点
• 二、设计方案的确定及流程说明 1、确定设计方案 2、流程说明
• 三、换热面积的估算 • 四、管子尺寸及数目计算 • 五、管子在管板上的排列 • 六、壳体内径的确定 • 七、附件设计 • 八、换热器校核(包括换热面积、
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