化工原理课程设计答案参考模板 管壳式换热器选型.pdf

一、前言一、前言热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备 ,被广泛应用于各个工业部门 ,尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样 ,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、 蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大,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,其设计资料比拟齐全,在许多国家都有了系列化标准。 近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。如何确定最正确的换热器 ,是换热器优化的问题。本说明书对指定有机物进行冷却选择适宜的换热器，并且合理安排操作管路以及选择适宜的离心泵作出详细的计算说明。- 1 -二、设计任务二、设计任务班级：姓名： 学号：任课老师：选择一个适宜的换热器，冷却78C的某液态有机物至60C，此有机物的流量为82kg/s；（1）合理安排操作管路；（2）选择一台适宜的离心泵；（3）有机物69C的物理性质：997kg/m3; 0.6mPas;Cp 2.22kJ/kgC; 0.16W/mC.（4）冷却水：进口温度t1=20C；（5）操作条件：换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1MPa。- 2 -三、目录三、目录一一 前言前言.1二二 设计任务设计任务.2四四 计算明细表计算明细表.41 管壳式换热器规格.42 离心泵的型号规格.43 计算数据结果记录.5五五 计算过程计算过程.61 选择适宜的换热器.61.1 热力学数据的获取.61.2 计算热负荷Q和qm2.61.3 计算温差和估计传热系数.61.4 估算换热面积.71.5 计算管程压降和给热系数.71.6 计算壳程压降和给热系数.81.7 计算传热系数.91.8 校核传热面积.92 安排管路和选择适宜的离心泵.92.1 管径初选.92.2 压头计算.10六六 附录附录.12七七 符号说明符号说明.13八八 设计说明设计说明.15九九 参考文献参考文献.15- 3 -四、计算结果明细表四、计算结果明细表（1 1）管壳式换热器的规格）管壳式换热器的规格公称直径公称压力DN/mmPN/MPa70042574管程数N管子根数n中心排管数管程流通面积/m2192mm换热管长度L/mm管心距/mm换热面积/m2NT270.0507450025150.8（2 2）离心泵的型号规格）离心泵的型号规格型号转速n/(r/min)m /h3流量L/s扬程/m效率功率轴功率电机功率必需气蚀量质量 泵/NPSHr/m底座 /kg/%IS150-125-250145012020024033.355.666.722.52017.571817810.413.514.718.53.03.03.5758/158- 4 -3 3计算数据结果记录计算数据结果记录工程冷却剂出口温度循环水定性温度热负荷冷却水质量流量并流对数平均温差逆流对数平均温差估算换热面积管程流动面积管内冷却水流速管程给热系数摩擦系数管程压降壳程流动面积壳程有机物流速当量直径壳程给热系数壳程压降核算传热系数校核传热面积冷却水流量总局部阻力系数阻力损失压头扬程- 5 -结果结果40303276.7239.2535.739.0147.40.05070.7839690.03612539.70.1340.610.017313155483.32693121.2414421.647.515.96单位单位CCkWkg /sCCm2m2m/sW / m2CPam2m/smW / m2CPaW / m2Cm2m3/hmm五、计算过程五、计算过程一一 选择适宜的换热器选择适宜的换热器1 1 热力学数据的获取热力学数据的获取冷却剂： 河水， 从tm10及防止水中盐类析出为原那么， 选选择出口温度： t2=40C循环水的定性温度：入口温度为t1 20C，出口温度为t2 40oC循环水的定性温度为tm2040/2 30C两流体的温差Tmtm 69 30 39C 50C两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体有机物循环水温度6930密度kg/m3997995.7粘度mPas0.60.8012比热容kJ/(kg)2.224.174导热系数W/(m)0.160.61712 2 计算热负荷计算热负荷Q和和qm2由热量衡算Q qm1cp1(T1T2) 822.22(7860) 3276.72kWqm2Q3276.72 39.25kg /scp2(t2t1)4.174(40 20)3 3 计算温差计算温差tm和估计传热系数和估计传热系数K估并流时，t1 7820 58Ct2 6040 20Ctmt1t25820 35.7Ct158lnlnt220逆流时，t1 7840 38Ct2 6020 40Ctm逆t1t23840 39.0Ct138lnlnt240根据管程走循环水，壳程走有机物，总传热系数K现暂取：- 6 -K 570W/m2C4 4 估算换热面积估算换热面积Q3276.72103A估147.4m2Ktm逆570391根据A估可以选择下述标准换热器查附录得 ： 排列方式：正三角形公称直径DN/mm700公称压力PN/MPa42574管程数管子根N数n中心排管程流管数通面积/m2192mm换热管长度L/mm4500管心距/mm25换热面积/m2150.8NT270.05075 5 计算管程压降计算管程压降t及给热系数及给热系数i根据标准换热器提供的参数管程流动面积A1 0.0507m2管内冷却水流速qm2uiQ3276.72 39.25kg /scp2(t2t1)4.174(4020)qm239.25 0.78m/s2A1995.70.0507dui2Rei20.0150.78995.7145000.8012103管程给热系数ii 0.023diRei0.8Pr0.4cpii 0.023Rei0.8di0.4330.61710.8 4.17410 0.801210 0.023145000.0150.6171 3969W / m2C0.4取钢的管壁粗糙度为0.1mm，那么 e68 0.1dRei0.23680.1 0.115145000.23 0.036管程压降- 7 -ui4.5995.70.782lt 3 ftNp 0.03631.52d20.015212539.7Pa 0.1MPa6 6 计算壳程压降计算壳程压降s及给热系数及给热系数0挡板间距B取0.9m，2d 0.0192A2 BD10 0.90.71 0.15ml0.025q82u0m1 0.55m s0.15997A2有3223224l d40.025 0.7850.0190242 0.0173mde d03.140.019deu0有0.01730.559974Re01.610有0.61032.221030.6103Pr 8.3250.16Cp壳程中有机物被冷却，W10.14 0.950.5530 0.36RePrdeW10.16 0.36160000.558.32530.950.01731315W / m2C0.14取折流挡板间距B 0.9m管束中心线管数NTC 27壳程流动面积A2 BD NTCd0 0.90.7270.019 0.17m2u0qm182 0.48m s有A29970.17d0u0Re00.0190.4899741.5100.6103因Re 500,f0 5Re0.228 5 1.5104管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15l4.51 4挡板数：NB1B0.90.228 0.56- 8 -壳程压降22B u0sFf0NTCNB1 NB3.5fsD220.90.4820.50.562741 43.51.159970.72 5483.32Pa 0.1MPa7 7 计算传热系数计算传热系数K计污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻R外 0.000176m2OC/ W管内侧污垢热阻R内 0.00021m2OC/W取钢管壁厚 2103m，热导率 45.4W m1K1K计11i R内1 R外011121030.0001760.000213969131545.4 693W/(m2OC)8 8 校核传热面积校核传热面积Q3276.72103A计121.24m2K计tm逆693391所选换热器：A 150.8m2A150.81.24A计121.24所以 选择的换热器符合要求。c二二 安排管路和选择适宜的离心泵安排管路和选择适宜的离心泵1 1 管径初选管径初选qm239.25kg sqvqm2139.253600 0.0394m3/s 141.9m3hr995.7初取水经济流速u 1.5m s- 9 -Alqm239.25 0.026m21u995.71.5Al4dl2 dl4Al40.026182mm3.14由于 182mm 不是标准管径，因此确定dl150mmqm239.25 2.23m/s1Al995.70.1524符合经济流速范围u 故确定：dl150mm,u 2.23m/ s2 2 压头压头 HeHe在水槽液面及压力表处列柏努利方程pap2u2 Hez Hfgg2g取 0.15mm，/d 0.001，Re dlu 0.15995.72.23/0.8012103 4.2105查图得 0.021局部阻力：底阀 1 个标准 90弯头 3 个球心阀 1 个8.52 0.753 9.52流入换热器1 A1A2 10.152/0.72 0.91流出换热器 0.51 A2A1 0.510.152/0.72 0.48故8.50.7539.50.910.48 21.64换热器压降t12539.7Pa22t15512539.7l u2.23Hf 0.02121.64 7.5md2gg0.1529.81995.79.81- 10 -p2 pau2He z Hfg2g200002.2387.5 15.96m995.79.8129.812u 2.23m/s qv uAl 2.2340.15 0.04m /s 144m /h233根据qv和He以及 IS 型离心泵系列特性曲线可以选择型号为 IS150-125-250 的离心泵。- 11 -六、附录六、附录1物理性质物性流体有机物循环水2管外侧污垢热阻R外 0.000176m2OC/ W管内侧污垢热阻R内 0.00021m2OC/W钢管热导率 45.4W m1K1- 12 -温度6930密度kg/m3997995.7粘度mPas0.60.8012比热容kJ/(kg)2.224.174导热系数W/(m)0.160.6171七、符号说明七、符号说明主要符号说明主要符号说明符号符号A意义意义面积定压比热容管径重力加速度单位重量流体的机械能损失lmppaBTttuqvqm管路长度质量虚拟压强流体压强大气压挡板间距周期时间时间温度流速体积流量质量流量绝对粗糙度局部阻力系数摩擦系数动力黏度密度有效压头换热器壳径校正系数- 13 -计量单位计量单位m2kJ/(kgK)cpdgmm/s2mmkgPaPaPamssm/sm3/sKg/smmPasHfHeDfKg/m3mmf0KNTQ壳程流体摩擦系数传热系数管子总数热流量给热系数热导率W /(m2K)W或J/SW /(m2K)W /(mK)数群数群Grgtl32格拉私霍夫数2努塞尔数普朗特数NuPrlcpRe雷诺数du下标下标gmwst有- 14 -气体的平均壁面的壳程的管程的有机物的八、设计说明八、设计说明（1）需要冷却的有机物走壳程，冷却剂走管程；（2）有机物可以采取逆流的方式；（3）换热器说明： 1 采用光滑管光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能缺乏。为了提高换热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。 2 选用192mm的管子。 3 本设计中采用 4.5 米长的管子。 4 管子的排列形式：本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。 5 采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置。 6 允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=0.9m（4）管路布置如下图：（5）管路选择内径150mm的钢管，至少使用以下零件：底阀1个；标准90弯头3个；球心阀1个。（6）由于计算所得有效压头为15.96m， 流量为144m3/h， 根据离心泵特性曲线和工作点，选取型号为IS150-125-250的离心泵。九、参考文献九、参考文献1 王元文，陈连.管壳式换热器的优化设计J.贵州化工，2005，301 ：27-31.2 陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理.3版.北京：化学工业出版社，2006.- 15 -