换热器设计

化工原理课程设计1换热器的设计院系:班级:学号:姓名:指导老师:完成时间:化工原理课程设计2目录一．设计任务书.................................31.1设计题目...................................31.2设计任务及操作条件.........................31.3设计项目...................................3二．换热器概述.................................42.1换热器分类..................................42.2固定管板式换热器............................6三．设计方案简介...............................73.1换热器类型选择..............................73.2流体流动空间的确定.........................7四．换热器的工艺计算.............................84.1基础物性数据..................................84.2换热器面积估算...............................84.3换热器工艺结构尺寸的计算.....................94.4换热器核算...................................12五．辅助设备选型与计算..........................17六．设计结果一览表..............................18七．评述及有关问题的讨论........................19八．致谢........................................20九．参考文献....................................21十．主体设备工艺条件图（装配图）化工原理课程设计3一、列管式换热器设计任务书1、设计题目煤油冷却器设计2、设计任务及操作条件设备型式：列管式换热器处理能力：15+0.1×2×31万吨/年煤油。(n=1,2,为班号；m为学号后两位)操作条件：（1）煤油：入口温度140℃，出口40℃；（2）冷却介质：自来水；（3）允许压降：不大于105Pa；（4）煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，粘度：7.15×10-4Pa·s，比热容为2.22kJ/(kg·℃)，导热系数为0.14W/(m·℃)。（5）每年按330天计算，每天24小时运行。3、设计项目试设计选择适宜的列管式换热器并进行核算。根据设计项目绘出换热器装配图。化工原理课程设计4二、换热器概述1、换热器分类在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为热交换器。在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。换热器的分类方式：（1）按照用途来分：预热器（加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器等。（2）按照制造换热器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。（3）按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式（并流式）：两种流体平行地向着同一方向流动。如图（a）逆流式：两种流体也是平行流动，但它们的流动方向相反。如图（b）错流式（交叉流式）：两种流体的流动方向互相垂直交叉。如图（c）当交叉次数在四次以上时，可根据两种流体流向的总趋势将其看成逆流或顺流。如图（d）及（e）混流式：两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。如同（f）及（g）化工原理课程设计5（4）换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表1-1所示。表1-1换热器的结构分类类型特点间壁管壳式列管式固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮(a)(b)(c)（d）(e)(f)(g)化工原理课程设计6式双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合2.固定管板式换热器固定管板式即两端管板和壳体连结成一体，因此它具有结构简单造价低廉的优点。但是由于壳程不易检修和清洗，因此壳方流体应是较为洁净且不易结垢的物料。当两流体的温度差较大时，应考虑热补偿。有具有补偿圈（或称膨胀节）的固定板式换热器，即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束的热膨胀程度不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束的不同的热膨胀程度。这种热补偿方法简单，但不宜用于两流体温度差太大（不大于70℃）和壳方流体压强过高（一般不高于600kPa）的场合。化工原理课程设计7化工原理课程设计8三．设计方案简介1.换热器类型选择该换热器用循环冷却自来水进行冷却，冷却水的入口温度30℃，根据经验选定冷却水的出口温度40℃。本次设计换热器的最大使用温差小于120℃,且其压降损失要求小于105Pa，可选用固定管板式换热器，又因为管壳两流体温差大于60℃，故选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.流体流动途径的确定本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，与煤油相比，水更易结垢，根据两流体的情况，故选择水走换热器的管程，煤油走壳程。化工原理课程设计9四．换热器的工艺计算1.基础物性数据的计算计算流体的定性温度，确定流体的物性数据煤油定性温度：Tm=140+402=90℃水定性温度：tm=30+402=35℃两流体的定性物性如下表所示物性流体密度kg/m3比热KJ/(㎏•℃)粘度Pa•s导热系数W/(m•℃)煤油8252.227.15×10-40.14水9944.1747.27×10-40.632.换热器传热面积的估算2.1计算热负荷和冷却水流量煤油流量W=15+0.1×2×31330×24×10000×1000≈26768kg/h传热量Q=Wcp（t1-t2）=26768×2.22×（140-40）=5.94×106KJ/h冷却水量：W=𝑄𝐶𝑝(𝑡2−t1)=5.94×1064.174×（40−30）=142309.5kg/h=39.53kg/s2.2计算对数平均温差Δ𝑡𝑚=𝛥𝑡1−𝛥𝑡2𝐼𝑛𝛥𝑡1/𝛥𝑡2=(140−40)−(40−30)𝐼𝑛(140−4040−30)=39℃2.3估算传热面积总传热系数可借鉴书籍中的参数或者生产中的实际数据，初步假定。当基本条件（设备型式、雷诺准数、流体物性）相同时，传热系数K值可采用经验数据。化工原理课程设计10此处假定总传热系数K=300W/m2·℃则所需传热面积A=𝑄𝐾∆𝑡𝑚=5.94×106/3.6300×39=141𝑚2可以取15%的面积裕度则S=S′×1.15=162.2(m2)3.换热器工艺结构尺寸的计算3.1管径和管内流速初选φ25mm×2.5mm的碳钢管，设流速ui=0.6m/s。3.2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𝑛𝑠=𝑣𝛱4𝑑𝑖2𝑢𝑖=39.53/9940.785×0.022×0.6≈211.1(根)按单程管计算，所需的传热管长度为：L=𝑆𝜋𝑑0𝑛=162.23.14×0.025×212=≈9.7(m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长为l=6m，则该换热器的管程数为：NP=L/l=9.7/6≈2传热管总根数：NT=212×2=424（根）3.3平均传热温差校正及壳程数的校正而𝐸𝐴=𝑡2−𝑡1𝑇1−𝑡1=40−30140−30=0.091化工原理课程设计11𝑅𝐴=𝑇1−𝑡2𝑡2−𝑡1=140−4040−30=10.0查图2，求温差修正系数Ft。由于该点难以从图上选取，进一步计算EB、RB代替EA、RAEB=RAEA=10.0×0.091=0.91RB=1𝑅𝐴=0.1从图2读得Ft=0.81,所以Δtm=39×0.81=31.6℃由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取単壳程合适。3.4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=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数𝑛𝑐=1.19√𝑁=1.19×√424=≈24.5(根)≈25(根)3.5壳体内径此处取管板利用率η=0.75，则壳体直径为D=1.05×32√4240.75=798.9mm经过圆整可取内径为800mm3.6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＝0.25×800=200（mm）化工原理课程设计12折流板间距B=0.3D,则B=0.3×800=240mm。折流板数NB==6000250-1=23(块)3.7其他附件的选择接管：取接管内煤油流速ui=1.0ms⁄壳程进出口接管：D1=√4qvπu1=√4×267683600×8253.14×1.0=0.107(m)=107(mm)管程进出口接管：取接管内循环水流速为u2=1.5ms⁄D2=√4qv′πu2=√4×39.539943.14×1.5=0.184(m)=184(mm)4、换热器核算4.1传热能力的核算4.1.1壳程传热膜系数壳程表面传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式：αo=0.36λodeReo0.55Pr13⁄(μoμw)0.14当量直径为正三角形排列时：de=4(√32t2−π4do2)πdo=4×(√32×0.0322−0.785×0.0252)3.14×0.025=0.02(m)壳程流通截面积：So=BD(1−dot)=0.24×0.8×(1−0.0250.032)=0.042(m2)化工原理课程设计13壳程流体流速：uo=qvSo=267683600×8250.042=0.2(ms⁄)雷诺数为：Re=douoρμ=0.02×0.2×8250.000715=4615普兰特数为：Pr=Cpoμλ=2.22×103×715×10−60.14=11.34粘度校正(μμw)0.14≈1α0=0.36×λodoRe0.55Pr13⁄(μoμw)0.14αo=0.36×0.140.02×46150.55×11.3413⁄=586.5(W(m2·℃)⁄)4.1.2管内传热膜系数管程对流传热系数αi=0.023λidiRe0.8Pr0.4管程流通截面积Si=nπ𝑑𝑖24=0.785×0.022×212=0.067(m2)管程流体流速ui=qvsi=39.539940.067=0.59(ms⁄)管程雷诺数Re=diuiρμ=0.02×0.59×9940.000725=16178化工原理课程设计14普兰特数Pr=cpiμλ=4.08×103×0.725×10−30.626=4.73αi=0.023×λidiRe0.8Pr0.4=0.023×0.6260.02×161780.8×4.730.4=3121.