化工原理设计多管程列管式换热器的设计.docx
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化工原理设计多管程列管式换热器的设计
南京工程学院
化工原理课程设计
课程名称:
化工原理课程设计B
课题名称:
多管程列管式换热器的设计
期:
2013一12-2~2013—12・13
HU吕
一、符号说明:
1.物理量(英文字母)
2、物理量(希腊字母)
一、设计U的。
错误!
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三、参数与条件设置3。
1、已知参数
2、设讣条件啼误!
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四、设计计算
1、确定设讣方案
⑴、选择换热器的类型。
错误!
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(2)、流动空间及流速的确定。
错误!
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2、确定物性数据错课!
未定义书签。
3、计算总传热系数错误!
未定义书签。
(1)、热流量緒误!
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(3)、冷却水用量。
错误!
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(4)、总传热系数K
4、设讣传热面积嘴误!
未定义书签。
五、匸艺结构尺寸。
错误味定义书签。
1、管径和管内尺寸
2、壳程数和传热壳数
3、平均传热温差校正系数
4、传热管排列和分程方法喈误!
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5、壳体内径緒误!
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6、折流板緒误!
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7、接管嘴误!
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换热器核算
IS热量核算
(1)壳程对流传热系数,
(2)管程对流传热系数緒误!
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(4)、传热面积。
错误!
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2、换热器内流体的流动阻力
(1)、管程流动阻力0错误!
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(2)、壳程阻力
(3)、总阻力。
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设计总结
参考文献16。
六、
七、
八、
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错课!
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2
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前言
换热器是一种实现物料之间的热量传递的设备,广泛应用与化工,冶金,电力,食品等行业。
它不仅可以单独作为加热器,冷却器等使用,而且是化工单元操作的重要附属设备。
在化工装置中换热设备占设备数量的40%左右,占总投资的35%~46%。
目前在换热设备中,使用量最大的是列管式换热器,尤其在高温高压和大型换热设备中占有绝对优势。
一般来说,列管式换热器有易于加工制造,成木低,可靠性高,而且能适应高温高压的特点。
随着新型高效传热管的不断岀现,使得列管式换热器的应用范围得以不断夸大。
列管式换热器在化工生产中主要作为加热(冷却)器,蒸发器,再沸器及冷凝器使用。
固定管板式换热器即两端管板和壳体连接成一体,因此它具有结构简单和造价低廉的优点。
但由于管板和壳体间结构的原因,使得管外侧不能进行机械清洗,因而多用于壳侧流体清洁,不易结垢或污垢容易化学处理的场合。
当管壁于壳壁温度相差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生很大的温差应力,以至于管子扭曲或使管子从管板上松脱,以致毁坏整个换热器,因此,一般管壁和壳体的温度相差5crc以上时,换热器应有温度补偿装置。
、符号说明:
1v物理量(英文字母)
B折流板间间距m
Cp定压比热容kJ/(kg-^C)
管径m
换热器内径m
摩擦因数
系数
重力加速度m/s-压力pa指数
管数
传热面积
U流速m
2、物理量(希腊字母)
有限差值
导热系数W/(nV•C)
a对流传热系数W/(m2・°C)
下标0管外m平均
二设计目的
通过课题设计进一步巩固课程所学内容,培养学生运用理论知识进行化工单元过程设计的能力,使学生能够系统的运用知识。
通过木次设计,学生应该了解设计的内容,方法和步骤,使学生具有调研技术资料,自行确定设计方案,独自设计计算,准确绘制图样,编写设计说明。
三、参数与条件设置
已知参数
热流体(油):
TI=130rT2=50CWh=6000kg/h
(2)冷流体(水):
t1=30°Ct2=4OC压力0.4
MPa
2、设计条件
管程数:
2
压力降;Ap<10"100kPa(液体)「10kPa(气体)
雷诺数:
Re<5000"20000(液体)10000~100000(气体)
流动空间管材尺寸:
e25mmX2・5nim
管内流速:
0•50ra/S
传热管排列方式:
正三角形排列
传热面积裕量S:
20%
传热管长L:
3
折流挡板切口高度与直径之比:
0.30
管壁内外污垢热阻:
自选
确定设计方案
⑴、选择换热器的类型
两流体温度变化情况:
热流体(油品)进口温度I30°C,岀口温度5(rc,冷流体(水品)进口温度3(TC,出口温度40°C。
该换热器用循环水冷却,冬季操作时进口温度会减低,考虑这一因素,估计该换热器的的管壁温和壳体壁温和壳体之差较大,因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
⑵、流动空间及流速的确定
油品走壳程,水品走管程。
选①25nimX2.5mm的碳钢管,管内流速取0.50m/So壳程流速0.3m/s
2、确定物性数据
定性温度:
可取流体进口温度的平均值。
油的定性温度为T=(130+50)2=90°C
水的定性温度为T=(30+40)/2=35C
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
油在90°C下的有关物性数据如下:
P0=825kg/m
水在35°C下的物性数据:
3、计算总传热系数
(1)、热流量
Qo=wocpoto=6000X2.22X(130-50)=1065600kj/h=296OOOKw/h
(2)、平均传热温差
△t'=(Ati+At:
)/(lnAti/At2)=((13-40)+(30-50))/1.5=47°C
(3)、冷却水用量
W-Qo/(C"AtJ=1065600/((40-30)X4.08)=26118kg/h
(4)、总传热系数K
I-管程传热系数
Re=dxUiPi/u.=0.02X0.5X994/0.0007=13170
Qi二0.023入i/di(d,u.Pi/uJ"(CpUi/hi)°"
=0.023X(0.626/0.02)(Re(pf"
=2733w/(nV・C)
II•壳程传热系数
a。
=0.023X半(Re严x(,=0.023xx(8653.8严x(11矿=479.6
w/(nf•C)
K=
缶;+心务+豊+心+/
°・°25+0.000I72X湮+°・°°25xO・O25+oooo344+丄
2733X0.020.0245x0.0225479.6
=311.43w/防弋)
4、设计传热面积
S'=Q/(KAt)=296000/(311.43X4.7)=21nV考虑20%的而积裕而
S=l・20XS'=2IX1.20=25.2nf
五、工艺结构尺寸
1v管径和管内尺寸
选用①25ramX2・5mm的碳钢管,管内流速取0.50m/s
2、壳程数和传热壳数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
“_V_26118/(994x3600)_^^
'Z和0.785x0.02^x0.5
4,
按单程管计算,所需的传热管长度为
S25.2…
L===6.8"?
加Ms3.14X0.025X47
按单程管设计,传热管过长,宜采用多管程结构。
取传热管长L二
3ID,换热器管程数位2,则
则每层的管道数n=111*2=56根
管内流速旳=亠=26隠(994x3600)=.彳
n,20.785x0.02-X56
40-30
130-30
根据R=8,P=0.1,按单壳程,双管程结构,温差校正系数查有关图
表,
△g==0.94X47=44°C
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正三角形排列。
取管心距t=1.25d。
则
t=1.25X25=31.25=32mm
横过管束中心线的管数
4=1・1佰=l・lxVm0l2根
5、壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率7=0.7,则壳体内径为
D=l.O5f0^=l.O5x
6、折流板
则切去的圆缺高度为h=0.2X450=90mm,故取h=90mm
取折流板间距B=0.3D,则B=0.3X450=135mm
折流板数Ng=蠶器為
聖巴-1=20块
135
折流板圆缺水平装配
7、接管
壳程流体进出口接管:
取接管内油品流速u=L0Di/s,则接管
—14x6000/■
取标准管径为50mm
3.14X1.0
内径为={—/(3600X825)=005,”
管程流体进岀口接管.取接管内水流速
内径为"屠『261%6oox994)=。
了伽
3.14x1.5
取标准管径为80mm
六、换热器核算
1v热量核算
(1)壳程对流传热系数,
对圆缺形折流板,可采用克恩公式
0.14
当量直径,由正三角形排列得
(行A
4—X0.032--0.785X0.025-
12丿
=0.02/ZI
3.14x0.025
壳程流通截面积
So=£彳1-半
(0025、
=0.135x0.451--^
I0.032丿
=0.012»r
壳程流体流速及其雷诺数分别为
«0=
6000/、
二^®7必
0-000715
氏—So_0.025x(U7x825_伽
普朗特准数
0,14
Pr_q“o_2・22x1O'xO・715x1OT―口33
粘度校正
\0・14
A
=0.9501
%=0・36^Re;;$5pr%
040
=0・36x空x49(mExH・33%=601
0.02
(2)管程对流传热系数
管程流通截面积
S产黑宀呼心85x0.02\。
皿和
管程流体流速
2611场、
Re=°叫0.47x994“2冏
0.000725
普朗特准数
务“023X令胡计“心器x]2887S.72J2600w/(宀C)
(3)、传热系数
K=
.n4).bdon.—+尺灯〒+〒;—+尺$0+ad4加炳
0.025c“c"0.0250.0025x0.025八八“一1
+0.000172x++0.000344+——
2600X0,020.0245x0.0225601
=355w/(/zr-C)
(4)、传热面积
该传热器的实际传热面积Sp
Sp=屈0厶(N-4)=3・14x0・025x(3-0・06)x(lH-12)=22・8〃r该换热器的面积裕度为;/=^xl00%=a^x.00%=20%该换热器的面积裕度合适,能完成生产任务
2、换热器内流体的流动阻力
(1)、管程流动阻力
M=1Nn=2F=1.4
JpI
由传热管相对粗糙0.1/0.2=0,005,Re=12887,查莫狄图得
&=0.032•°C)
又因"d=0.47m/sp=994kg/m^所以AT。
/着竺产覆△沪3x竺产=329炯工g=(510.5+3294)x14x2=2351.7/76/
所以管程流动阻力在允许范围内
(2)、壳程阻力
工3o=(3;+3;MM
N$=\=1.15
流体流经管束的阻力
妙;=矶叫(心+1俘
因为是三角形。
所以F=0・5rt,=12=20n,=0.17
又因Re>500,所以To=5・OxRcJ228=5・Ox49O4g"=0.7203
所以A/?
;=0.5X0.7203xl2x(20+]严=j儁]仍皿
2
流体流过折流板缺口的阻力
(3)、总阻力
为3()=(3;+3;)斥M=(1081.95+69143)xL15=2039.39Pa 壳程流动阻力比较适宜 换热器主要结构尺寸和计算结果,换热器主要结构尺寸和计算结果见 表1-1换热器主要结构尺寸和计算结果 换热面积防) 25.2 管 口 尺寸 连接 形式 用途 工艺参数 A D”8 0 平面 油品 入口 名称 管程 壳程 B D”80 平面 油品 出口 物料名称 水 油 C D”50 凹凸 而 水品 入口 操作压力MPa 0.4 D D”5 0 凹凸 而 水品 出口 操作温度°C 30/40 130/50 E D “20 凹凸 而 排气 口 流Mm/s 26118 6000 F D «20 凹凸 而 放净 口 传热量kw 29600 29600 总传热系数 H'/(»r「C) 2733 对流传热系数 601 2600 污垢系数 0.0003 44 0.000172 阻力降 3.02 2.04 程数 2 1 直径 25*2-5m m 450ram 长度 3000 管子规格 111根,管间距32mm,正三角排列 折流挡板规格 20块,单弓形,立式,间距135inm,切口高度30% 七、设计总结 通过这次的课程设计,我学到了很多,虽然比较累,但是很开心, 感觉这两周的课程设计比上了十几周的课还要充实,从口天一直算到 晚上,有时候为了能把一个图画好赖在教室里很晚才走。 当然在这其 中我发现把学到的知识运用到实际操作中有很大的不同,要综合考虑 很多其他方面的事,现在就来说说我设计的换热器吧。 首先课程设计任务书里给了一些数据,然后我要根据所学的知识 去设计一个符合要求的换热器。 在正式写之前要试算,了解自己的数 据在哪个范内。 还有那庞大的计算量,如果有一步算错了,后而的 全错,要重新算,当然,我在这里也犯错了,把污垢系数弄反了,导致我 算了两遍,不过最后还是算好了。 画图也是个麻烦事,由于CAD是大 一学的,现在基木忘完了,我不得不把书拿出来边看边画。 还有一点 不得不说,同学之间的帮助也很重要,在这个过程中,有些不懂的问题 通过问同学也得到了解答。 总之,在这短短两周的课程设计中,我学到很多,不光定把课木 里的知识会运用,更主要的是知道了做一件事不能太着急,要有耐心,要一步一步慢慢来,只有这样才能做成事。 八、参考文献 化工传递与单元操作课程设计.贾绍义,柴诚敬。 天津大学出版社,200 2、 3、 2O 化工原理.陈迁乔,王娟,曲虹霞,马卫华。 国防工业出版社,2007。 化丄过程及设备设计.华南理工大学出版社,1986。 化工设计.王静廉,黄璐。 天津大学出版社,1989。
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- 化工 原理 设计 管程 列管 换热器