列管式换热器的设计讲解
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目录
一、方案简介 (1)
二、方案设计 (2)
1、确定设计方案 (2)
2、确定物性数据 (2)
3、计算总传热系数 (3)
4、计算传热面积 (3)
5、工艺结构尺寸 (4)
6、换热器核算 (5)
三、设计结果一览表 (8)
四、附图(主体设备设计条件图)(详情参见图纸) (8)
五、参考文献 (9)
六、主要符号说明 (9)
七、心得体会 (10)
附图··········································································
本设计任务是利用冷流体(水)给硝基苯降温。
利用热传递过程中对流传热原则,制成换热器,以供生产需要。
下图(图1)是工业生产中用到的列管式换热器.
选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。
换热器分为几大类:夹套式换热器,沉浸式蛇管换热器,喷淋式换热器,套管式换热器,螺旋板式换热器,板翅式换热器,热管式换热器,列管式换热器等。
不同的换热器适用于不同的场合。
而列管式换热器在生产中被广泛利用。
它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。
尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。
所以首选列管式换热器作为设计基础。
某厂在生产过程中,需将硝基苯液体从100℃冷却到45℃。
处理能力为1.5×105吨/年。
冷却介质采用自来水,入口温度30℃,出口温度40℃。
要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa 。
试设计能完成上述任务的列管式换热器。
(每年按330天,每天24小时连续运行)
1.确定设计方案
(1)选择换热器的类型
两流体温度变化情况:
热流体进口温度100℃,出口温度45℃冷流体。
冷流体进口温度30℃,出口温度40℃。
从两流体温度来看,估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大,因此初步确定选用固定管板式换热器。
(2)流动空间及流速的确定
由于硝基苯的粘度比水的大,因此冷却水走管程,硝基苯走壳程。
另外,这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热,提高冷却效果。
同时,在此选择逆流。
选用ф25×2.5的碳钢管,管内流速取ui=0.5m/s。
2、确定物性数据
定性温度:可取流体进口温度的平均值。
壳程硝基苯的定性温度为:℃=+=
5.72245
100T 管程流体的定性温度为: ℃=+=352
40
30t 根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
硝基苯在72.5℃下的有关物性数据如下: 密度 ρo =1153 kg/m 3
定压比热容 c po =1.559kJ/(kg ·℃) 导热系数 λo =0.129 W/(m ·℃) 粘度 μo =0.000979 Pa ·s
冷却水在35℃下的物性数据: 密度 ρi =994.3kg/m 3 定压比热容 c pi =4.24 kJ/(kg ·℃) 导热系数 λi =0.618 W/(m ·℃) 粘度 μi =0.000818 Pa ·s
3.计算总传热系数
(1)热流量
热流体的流量 W o =1.5×105
×1000÷330÷24≈18939kg/h
热流量 Q o =W o c po Δt o =18939×1.559×(100-45)=1623925 kJ/h=451kW
(2)平均传热温差
逆流操作
硝基苯: 100℃→45℃
水: 40℃←30℃
℃5.3230
4540100ln )
3040()45-100(ln 't 2121≈----=∆∆∆-∆=
∆t t t t m (3)冷却水用量
h g Q W O /k 38300304024.41623925t c i pi i =-⨯=∆=
)
( (4)总传热系数K
管程传热系数
12155000818
.03
.9945.002.0p u d i
i
i i e =⨯⨯=
=
μR
4
.0i
i pi 8.0i i i i i i i c p u d d 023.0)
()(λμμλα=4.038
.0618.0000818.0104.241215502.0618.0023.0)(⨯⨯⨯⨯⨯=
℃)(⋅=m /1.2625W
4、计算传热面积 壳程传热系数
假设壳程的传热系数αo=398 W/(m 2·℃);
23
m '
'87.345
.320.39810451t m K Q S =⨯⨯=∆=
考虑 15%的面积裕度,S=1.15×S''=1.15×34.87=40.1m 2
5、工艺结构尺寸 (1)管径和管内流速及管长
选用ф25×2.5传热管(碳钢),取管内流速ui=0.5m/s ,选用管长为3m (2)管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
根实1703025.014.31.40l d o s =⨯⨯==πA N
按单程管计算其流速为
s m W /2.04170
02.014.3)
3.9943600/(383004
n d 3.9943600/u 2
s 2i i =⨯⨯⨯=⨯=
π)( 按单管程设计,流速过小,宜采用多管程结构。
则该换热器管程数为
22
.05.0u u i p ≈==N (管程)
传热管总根数 N=340 (根)
(3)平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
5.5304045100=--=R
14.030
1003040=--=P
按单壳程,双管程结构,温差校正系数应查有关图表。
可得95.0t =∆φ 平均传热温差
℃9.305.3295.0t '
t m =⨯=∆⋅=∆∆m t φ
(4)传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。
取管心距t=1.25 d 0,则
t=1.25×25=31.25≈32(mm) 横过管束中心线的管数
根213.203401.1≈==C N
(5)壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率η=0.7,则壳体内径为
mm 5.7407
.0340
32
05.1t
05.1=⨯==η
N
D 圆整可取D =740mm (6)折流板
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h =0.25×740=185mm ,故可取h =185mm 。
取折流板间距B =0.3D ,则B =0.3×740=222mm ,可取B 为222。
折流板数 N B =传热管长/折流板间距-1=3000/222-1=12块 折流板圆缺面水平装配。
(7)接管
壳程流体进出口接管:取接管内硝基苯流速为 u =1.0 m/s ,则接管内径为
m 076.00
.114.311533600/189394u 4d 1≈⨯⨯⨯=⋅=
)
(πV
取标准管径为76mm ×2.5mm 。
管程流体进出口接管:取接管内冷却水流速 u =1.5 m/s ,则接管内径为
m 095.05
.114.33.9943600/383004d 2=⨯⨯⨯=
)
(
取ф108mm ×5mm 无缝钢管。
6.换热器核算 (1)热量核算
①壳程对流传热系数 对圆缺形折流板,可采用凯恩公式
14
.0w
3/155
.0o
e
o r e d 36
.0)(
μμλ
αP R = 当量直径,由正三角形排列得
m 020.0025
.014.3)025.04032.023(4)423(42222=⨯-⨯=-=
π
ππo o e d d t d 壳程流通截面积 m 0359.0032
.0025
.01740.0222.0t d 1o o =-⨯⨯=-=)()(BD S
壳程流体流速及其雷诺数分别为
2991
000979
.01153127.002.0e /m 127.00359
.011533600/18939u o o =⨯⨯==⨯=
R s
)
(
普兰特准数
8.11129
.0000979.010559.1r 3=⨯⨯=P
粘度校正 114
.0w
≈)(
μμ ℃)(⋅=⨯⨯⨯⨯
=23/155.0o m /43118.11299102
.0129
.036.0W α ②管程对流传热系数
4.08.0i
i
i r e d 023
.0P R λα=
管程流通截面积
22i m 0543.02/34002.0)4/14.3(=⨯⨯=S 管程流体流速
1
.4862000818.03.9942.002.0Re s
/m 2.00543
.03.9943600/38300u i i =⨯⨯==⨯=
)
(
普兰特准数
℃)
⋅=⨯⨯⨯==⨯⨯=24.08.0i 3/(1.12606.51.486202
.0618
.0023.06
.5618.0000818.01024.4r m W P α ③传热系数K
污垢热阻Rsi=0.000344 m 2·℃/W , Rso=0.000172 m 2·℃/W 管壁的导热系数λ=45 W/(m ·℃)
℃)(+
+++++++⋅=⨯⨯⨯⨯=
=
2o
so m o i o i i i o m /5.2514311
000172.00225.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.01.1260025.01
1d bd d d d d 1
W R R K αλα
④传热面积S
23
m '
'2.555
.3225110451t m K Q S =⨯⨯=∆=
该换热器的实际传热面积Sp
2o p m 5.78340)06.03(025.014.3l d ≈⨯-⨯⨯==N S π 该换热器的面积裕度为
%422
.552
.555.78%100'
'p =-=
⨯-=
S
S S H
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
(2)换热器内流体的压力降
①管程流动阻力
∑ΔPi=(ΔP 1+ΔP 2)FtNsNp Ns=1, Np=2, Ft=1.5
2
u 2u d l 2
22i
1⋅=∆⋅=∆ρξρλP P , 由Re =4862.1,传热管相对粗糙度0.01/20=0.005,查莫狄图得λi =0.031
W/m ·℃,
流速u i =0.2m/s ,ρ=994 .3kg/m3,所以
a k 10a 6.45625.17.595.92a
7.592
2.03.9943a 5.9222.03.99402.03031
.0i 2
22
1P P P P P P P <)(=⨯⨯+=
∆=⨯⨯=∆=⨯⨯⨯=∆∑ 管程压力降在允许范围之内。
②壳程压力降
15
.1s ,1s '2
'
1
o
==∆+∆=∆∑F Ns Ns F P P P )(
流体流经管束的阻力
Pa
P u N n f F u N n Ff P o B c o o B c o 4.10232
127.01153)112(218063.05.0127
.0,12,218063
.0299155
.02
)
1(2'1
228
.02'
1=⨯⨯+⨯⨯⨯=∆====⨯==⋅+=∆-ρ
流体流过折流板缺口的阻力
a k 101.154915.116.3234.1023a 6.3232
127.01153)740.0222.025.3(122)25.3(740.0,222.02
)
25.3(o 2
2
'22
'2
P Pa P P u D B N P m D m B u D B N P o
B o
B <)(总压力降=⨯⨯+=∆=⨯⨯⨯-⨯=⋅-
=∆==⋅-=∆∑ρρ
壳程压力降也比较适宜。
三、设计结果一览表
换热器形式:固定管板式
换热面积(m2):78.5
工艺参数
名称管程壳程
物料名称冷却水硝基苯
操作压力,Pa 未知未知
操作温度,℃30/40 100/45
流量,kg/h 38300 18939
流体密度,kg/m3994.3 1153
流速,m/s 0.2 0.127
传热量,kW 451
总传热系数,W/m2·K251.5
传热系数,W/(m2·℃)1260.1 431
污垢系数,m2·K/W0.000344 0.000172
阻力降,Pa 456.6 1549.1
程数 2 1
推荐使用材料碳钢碳钢
管子规格ф25×2.5管数340 管长mm:3000
管间距,mm 32 排列方式正三角形
折流板型式上下间距,mm 222 切口高度25%
壳体内径,mm 740 折流板数,12块保温层厚度,mm 表格 1
四、附图(主体设备设计条件图)(详情参见图纸)
五、参考文献
《化工原理上册》,谭天恩 编,化学工业出版社,第四版
《化工设备设计》,潘国吕,郭庆丰 编著,清华大学出版社,1996. 《化工物性算图手册》,刘光启等 编著,化学工业出版社,2002. 《石油化工基础数据手册 》《化学化工工具书》等.
六、主要符号说明
硝基苯的定性温度 T 冷却水定性温度 t
硝基苯密度 ρo 冷却水密度 ρi 硝基苯定压比热容 c po 冷却水定压比热容 c pi 硝基苯导热系数 λo 冷却水导热系数 λi 硝基苯粘度 μo 冷却水粘度 μi
热流量 W o 冷却水流量 i W
热负荷 Q o
平均传热温差 m 't ∆ 总传热系数 K
管程雷诺数 e R
温差校正系数 t ∆φ
管程、壳程传热系数 i α o α
初算初始传热面积 ''S
传热管数 s N
初算实际传热面积 S 管程数
p N 壳体内径 D 横过中心线管数 C N
折流板间距 B 管心距 t
折流板数
N B
接管内径 1d 2d
管程压力降 ∑∆i
P
当量直径 e d
壳程压力降
∑∆o P
面积裕度
H
表格 2
七、心得体会
这次为化工原理课程设计终于结束,这次的任务是设计一个列管式换热器。
虽然设计和学习的时间不长,却收获颇多,受益匪浅。
首先,这次课程设计是我们所接触的实践任务中最繁琐的、专业性最强的课程设计,让我认识到:课堂上理论知识掌握的再好,没有落实到实处,是远远不够的。
换热器的设计,从课本上简单的理论计算,到根据需求满足一定条件的切实地进行设计,不再仅仅包括呆板单调的计算,还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节,我觉得这是最大的一个挑战。
其次,这次课程设计还考验了我们的团队合作精神,以及严谨的工作态度、平和的心态。
这次设计工作量大,用到的知识多,而且我们又是第一次设计,所以单独靠自己是不法完满的完成本次课程设计。
我经常与同组同学一起讨论,甚至争论,这样,我们就能发现问题,并能因此产生比较合理的结果和方法。
大家都明白了,那其他的都不是问题。
同时争论让我更加清楚地了解自己,让我明白我要更加耐心的表达我的想法,把问题解析清楚,也要耐心的听其他同学的意见。
在同组同学无法通过讨论得出正确结果的时候,我们通过请教其他组同学或者与其讨论得到新的想法和正确的结论。
最后要提到的就是绘图了。
绘图过程中遇到了不少的麻烦,简直让人头疼。
刚开始整体的布局规划就很麻烦,要布局得当才能使图既能够画完,又表现得十分清晰。
而且因为换热器中有很多的零部件,它们的尺寸或者厚度很小,画的时候很难准确地按照比例将其绘画出来。
而且A1图纸又是非常的巨大,终于功夫不负有心人,经过几天的努力,最后将换热器图圆满顺利地完成了。
虽然在这次的换热器设计中遇到了很多的麻烦,但最终通过自己的努力、同学们的帮助,最终还是完成了任务。
通过这次的设计任务,我巩固了以前所学习的知识,并让我对化工知识有了更深的认识和理解,还增强了我的查阅能力以及动手能力。
总之,收获还是蛮多的。
通过这次化工原理课程设计,我收获颇丰,不但把之前学过的内容复习一遍,加深对该课程的印象。
通过与同学一起讨论,是我体会到团队精神的重要性,对于即将立足于社会的我们也有非常大的意义。
感觉做完之后非常累,但是也感觉这段时间过得非常充实!
10。