化工原理课程设计列管式换热器设计示例(13页).doc

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1、-列管式换热器设计说明书设计者： 班级：姓名 ：学号 ：日期 ：指导教师 设计成绩 日期 目录一、方案简介3二、 方案设计41、 确定设计方案42、 确定物性数据43、 计算总传热系数44、 计算传热面积55、 工艺结构尺寸56、 换热器核算7三、 设计结果一览表10四、 对设计的评述11五、 附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）六、 参考文献12七、 主要符号说明12附图一、方案简介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

2、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。二、方案设计某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从93冷却到50。处理能力为1105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度27，出口温度37。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300天，每天24小时连

3、续运行）出口水温是可以自行改动的。冷却水温差最好在510一年的工作日一般300340天。可以自行选定。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93，出口温度50冷流体。冷流体进口温度27，出口温度37。流程安排说理要充分。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 管内流体流态最好完全湍流。Re10000，d=0.02，=0.001，=1000，故ui0.5m/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

4、。同时，在此选择逆流。选用252.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/。 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：管程流体的定性温度为： 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71.5下的有关物性数据如下： 密度 o=1154 kg/m3定压比热容 cpo=1.558kJ/(kg)导热系数 o=418.430.910-50.129 W/(m)粘度 o=0.000979 Pas冷却水的定性温度，会随前面的出口温度变化而变化冷却水在32下的物性数据： 密度 i=994.3kg/m3定压比热容 cpi=4.24 kJ/(kg)导热系数

5、 i=0.618 W/(m)粘度 i=0.000818 Pas 3计算总传热系数 （1）热流量 Wo=110510003002413889kg/hQo=Wocpoto=138891.558(93-50)=930479.7 kJ/h=258.5 kW注意的计算。特别是各个温度在公式中的位置。最好绘制计算草图。（2）平均传热温差 （3）冷却水用量 （4）总传热系数K 管程传热系数 此处可以直接假设K值是多少，无需做复杂的运算。（5）壳程传热系数 假设壳程的传热系数o=290 W/(m2)； 污垢热阻Rsi=0.000344 m2/W , Rso=0.000172 m2/W管壁的导热系数=45 W/

6、(m)注意后面的校核，分别针对K值/裕度。4、计算传热面积 考虑 15的面积裕度，S=1.15S=1.1519.24=22.12m25、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速及管长 选用252.5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 管长是受限制的，1.0/1.5/2.0/3.0/6.0m。经过一般初算后，基本可以确认管长。依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算其流速为管内流速大于0.5m/S为佳。接近0.5m/s也可。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 (管程)传热管总根数 N=94 (根)（3）平均传热温差校

7、正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差（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 d0，则 注意：管心束17时，排管数的计算，必须加上弓形位置的管数。参见书中表格。t=1.2525=31.2532(mm)横过管束中心线的管数排管数的计算：1+（1+2+3+4+5）6=91此处计算有误。按照管心束13计算：1+（1+2+3+4+5+6）6=127127-4-13=110根。中心管束排列11根管，即正六边形可排5层。则实际排管数设为102根，其中4根拉杆，再扣除11根

8、中心管束（隔板占据）则实际换热器为87根。（5）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率0.7，则壳体内径为 圆整可取D400mm （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h0.25400100mm，故可取h100 mm。 取折流板间距B0.5D，则B0.3400200mm，可取B为200。 折流板数目与壳程接管位置密切相关。最好是奇数。折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(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 u1.0 m/s，则接管内径为 标准管径DN用于编号，与实际的管

9、径并不一致。取标准管径DN60为65 mm3mm。 管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u1.5 m/s，则接管内径为 取76mm6.5mm无缝钢管。6换热器核算 （1）热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 管程对流传热系数 管程流通截面积管程流体流速 普兰特准数传热系数K这个K值相差比较大，1-347.5/400=13%。应重新假定计算。与假定的K值相差13%，可以接受计算结果。传热面积S该换热器的实际传热面积Sp实际总管数是87根。该换热器的面积裕度为 要求在1030%

10、。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 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5由Re10064.6，传热管相对粗糙度0.01/200.005，查莫狄图得i0.037 W/m， 流速ui0.414m/s，994 .3kg/m3，所以 注意设计要求。管程压力降在允许范围之内。壳程压力降流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 注意设计要求。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）:22.2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，27/3793/

11、50流量，kg/h21945.313889流体密度，kg/m3994.31154流速，m/s0.4140.191传热量，kW258.5总传热系数，W/m2K347.5传热系数，W/（m2）2402.3866.6污垢系数，m2K/W0.0003440.000172阻力降，Pa2185.51800.8程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管数98管长mm:3000管间距，mm32排列方式正三角形折流板型式上下间距，mm200切口高度25%壳体内径，mm400保温层厚度，mm未知四、对设计的评述初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像其他课程一样是实验类的，听课的时候也一头雾水，根本不知道

12、该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。有一段时间都在观望。所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。裕度15，在合理范围内，但是，一看压力降，彻底崩溃了，12多千帕，天啊，完全不合理。再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不同，果真用这设计的话，也是谋财害命。所以我决定重新来过。这时离交作业还有三天，做出来的裕度居然一直都在50以上，重新分析计算的过程中也出现了几次错误，由于急于求成，算出来后的结果偏离太多，检查才发现部分数据出现了错误，而且老师给的模板里面也有一些错误，这样照搬下去

13、的一些公式就除了问题了，只好静下来认真地理解和消化原有的一些公式，这样又一次重新算过。因此，有花了一天的时间在计算上。那么接下来就是画图了，由于学过机械制图，以为画图比较简单，5个小时左右可以完成，谁知道，画图更难，这主要是因为在设计的时候，没有兼顾考虑到画图，因此设计出来的管数很难安排，冥思苦想了好久，换了好多方案，查了好多资料，换了多种排列方法，还是行不通。最终，只好把管数安排成易于排列的数目，才解决了这个问题。其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，比如如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可

14、能出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。我觉得，如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作完全没办法做，假如查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，而且很可能导致严重的后果。五、附图（见附页）六、参考文献化工原理，王志魁 编，化学工业出版社，2006.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.生物工程专业课程设计，尹亮，黄儒强 编.石油化工基础数据手册 化学化工工具书等.七、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o冷却水密度i硝基苯定压比热容cpo冷却水定压比热容cpi硝基苯导热系数o冷却水导热系数i硝基苯粘度o冷却水粘度i热流量Wo冷却水流量热负荷Qo平均传热温差总传热系数管程雷诺数温差校正系数管程、壳程传热系数 初算初始传热面积传热管数初算实际传热面积S管程数壳体内径D横过中心线管数折流板间距B管心距t折流板数NB接管内径 管程压力降当量直径壳程压力降面积裕度H这个隔板是不存在的。尺寸数据与计算结果不符。接管的位置应与折流板位置相一致。因此，应该在另一侧。否则，改折流板的数目为偶数。-第 13 页-