化工原理课程设计换热器定稿版

化工原理课程设计换热

器

HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】

一、设计任务书

二、确定设计方案

2.1 选择换热器的类型

本设计中空气压缩机的后冷却器选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于下列情况：①温差不大；②温差较大但是壳程压力较小；③壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第②种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。

采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。

本设计中的固定管板式换热器采用的材料为钢管(20R钢)。

2.2 流动方向及流速的确定

本冷却器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。根据的原则有：

（1）因为热空气的操作压力达到1.1Mpa，而冷却水的操作压力取0.3Mpa，如果热空气走管内可以避免壳体受压，可节省壳程金属消耗量；

（2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。

（3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。

查阅《化工原理（上）》P201表4－9 可得到，热空气的流速范围为5～30 m·s-1；冷却水的流速范围为0.2～1.5 m·s-1。本设计中，假设热空气的流速为8 m·s-1，然后进行计算校核。

2.3 安装方式

冷却器是小型冷却器，采用卧式较适宜。

三、设计条件及主要物性参数

3.1设计条件

由设计任务书可得设计条件如下表：

注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全，必须使设计压力比最大操作压力略大，本设计的设计压力比最大操作压力大0.1MPa 。

3.2确定主要物性数据

3.2.1定性温度的确定

可取流体进出口温度的平均值。管程气体的定性温度为

952

42

148=+=

T ℃ 壳程水的定性温度为

292

33

25=+=

t ℃ 3.2.2流体有关物性数据

根据由上面两个定性温度数据，查阅《化工原理（上）》P243的附录六：干空气的物理性质（101.33kPa ）和P244的附录七：水的物理性质。运用内插法（公式为

()()/()b a b a b avg b y y y y t t t t =+--⨯- ）,可得壳程和管程流体的有关物性数据。

空气在95℃，1.2MPa 下的有关物性数据如下：

水在29

℃的物性数据如下：

注：空气的物性受压力影响较大，而水的物性受压力影响不大。空气密度校正，由《化工

原理实验》P31，公式2-36得：

ρi ＝1.293

T

273273'+P P ＝1.293×(1.2MPa/101.33kPa)×273/(273+95)＝11.36 kg ·m

-3

四、传热过程工艺计算

4.1 估算传热面积

4.1.1热流量

空气的质量流量为 m i = 60 V i ’ A i (0℃,1atm)=60×83×1.293=6439.14 kg/h

根据《流体力学（上）》P177，公式（4-109），热流量为

Q i = m i C pi (T 1－T 2) =6439.14×1.009×（148－42）

=6.887×105 kJ/h = 1.913×105 W

4.1.2平均传热温差

根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-11，

m t ∆=

1

2211221ln

)

()(t T t T t T t T -----= A i (0℃,1atm)=51.26℃

4.1.3传热面积

由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设K i ‘=200 W ·m -2·℃-1

。根据《传热传质过程设备设计》P14，公式1-2，则估算的传热面积为

66.1826

.51200191300t m '=⨯=∆=

i i K Q S m 2

4.1.4冷却水用量

根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-8

m o =206202533175.4106.887)(5

12=-⨯⨯=-）

（t t c Q po i kg/h

4.2主体构件的工艺结构尺寸

4.2.1管径和管内流速

选用φ25×2.5mm 的传热管(碳钢管)；由《传热传质过程设备设计》P7表1－3得管壳式换热器中常用的流速范围的数据，可设空气流速u i ＝8m/s ，用u i

计算传热膜系数，然后进行校核。

4.2.2管程数和传热管数

依《化工单元过程及设备课程设计》P62，公式3-9可依据传热管内径和流速确定单程传热管数

2

26439.14/(11.363600630.7850.0208

4

i s i i

V n d u π

⨯=

=

=⨯⨯）

(根) 按单程管计算，所需的传热管长度为

72.463

020.014.366

.18=⨯⨯==

s i n d S L πm 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l = 3 m ，则该换热器管程数为

N p =L / l =4.72/3≈2（管程）

传热管总根数 N = 63×2= 126 （根）。