1、化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)：換熱器班級：13 級化學(xué)工程與工藝（3）班姓名：魏苗苗學(xué)號：1320103090目錄化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 2設(shè)計(jì)概述3試算并初選換熱器規(guī)格61 .流體流動(dòng)途徑的確定62 .物性參數(shù)及其選型63 .計(jì)算熱負(fù)荷及冷卻水流量 74 .計(jì)算兩流體的平均溫度差75 .初選換熱器的規(guī)格76 藝計(jì)算101 .核算總傳熱系數(shù)102 .核算壓強(qiáng)降13設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表16經(jīng)驗(yàn)公式16設(shè)備及工藝流程圖 17設(shè)計(jì)評述17參考文獻(xiàn)181 / 18化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器二、操作條件：1、苯：入口溫度80C,出口溫度4

2、0Co2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 32.5 Co3、允許壓強(qiáng)降：不大于50kPa。4、每年按300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。三、設(shè)備型式：管殼式換熱器四、處理能力：109000噸/年苯五、設(shè)計(jì)要求：1、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。2、管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸的設(shè)計(jì)3、設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。4、設(shè)備簡圖。(要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸)5、對本設(shè)計(jì)的評述及有關(guān)問題的討論。六、附表：出口溫度40.5 C殼體內(nèi)部空間利用率70%選定管程流速u (m/s)11. 設(shè)殼程流體進(jìn)出口接管流1.1 體流速 u1 (m/s)1管程流體進(jìn)出口接管流體流速u2 (m/s)3 /

3、181.5計(jì)概述熱量傳遞化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)的概念與意義1.1.1 熱量傳遞的概念熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。1.1.2 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及

4、廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用。總之，無論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)是熱力學(xué)的擴(kuò)展。1.1.3 傳熱的基本方式根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式：1.1.3.1 熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等

5、微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。1.1.3.2 熱對流（簡稱對流） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對流。此外，流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。1.1.3.3 熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。1.2換熱器的

6、概念、意義及基本設(shè)計(jì)要求1.2.1 換熱器的概念及意義：在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要， 往往進(jìn)行著各種不同 的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進(jìn)行這些熱傳遞 過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低 的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動(dòng)力，原子能和其他許多工 業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中， 有時(shí)作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè) 備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分

7、廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外， 它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo) 地位。1.2.2換熱器設(shè)計(jì)要求:序號特別要求1對事故工況的校核2對管箱隔板強(qiáng)度的校核3各部件吊耳安裝位置的校核4浮頭式和U形管束固定管板外徑延伸，使管板兼作試壓法蘭時(shí)的強(qiáng)度校核5管板的剛度校核6風(fēng)載荷和地震載荷的校核7進(jìn)出口接管承受管線載荷的校核8疊裝換熱器中，底下那臺(tái)換熱器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的檢測11封頭熱壓成形時(shí)，終壓溫度的檢測12殼體直線度的檢測13氫工況的判別及材料要求1 . 3管殼式換熱器的簡介1.1.1 概述：管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括 ：固定管 板式換熱器、U型管殼

8、式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱 器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。1.1.2 工作原理：管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時(shí)， 溫度較高 的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流

9、體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。1.1.3 主要技術(shù)特性：1、耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用；2、制造應(yīng)用歷史悠久,制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟；3、選材廣泛，適用范圍大。2 .試算并初選換熱器規(guī)格2.1 流體流動(dòng)途徑的確定本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且水易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇循環(huán)水走換熱器的管程，苯走殼程。2.2 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式2.2.1 定性溫度冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為：25 C,出口溫度為：33 C;5 / 18化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)Tm -60苯的定性溫度：2C；水的定性溫度：t聲（25+33） /2=29 C ；

10、兩流體的溫差：Tm tm 60 27.5 32.5 c_兩流體溫差不大于50 C,不考慮熱補(bǔ)償；故選用固定管板式列管換熱器。2.2.2 物性數(shù)據(jù)苯=0.381 cp=0.381mPa s水=0.807 cp=0.807mPa- sCp苯=0=1.828KJ/( kg - oC)Cp水=4.176KJ/( kg - oC)苯=0.151W/(m oC)水=0.613W/(m oC)兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：物性流體密度kg/m3比熱 KJ/( kg oC)粘度mPa。s導(dǎo)熱系W/(m- oC)苯836.61.8280.3810.151水995.74.1760.8070.6132.3 計(jì)算

11、熱負(fù)荷和冷卻水流量2.3.1 熱流體流量：W=134000000/(300*24)= 18611.11111kg/h2.3.2 熱負(fù)荷：Q= W*C 苯*1000* (80-40) /3600= 378012.3457W2.3.3 冷流體的質(zhì)量流量：W=Q*3600/1000/C 水/(32-25)= 40753.60699 kg/h2.4 計(jì)算兩流體的平均溫度差按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算，逆流時(shí)平均溫度差為：2.4.1 平均溫度差 t m=(At2At1 ) /ln( At2/ At1)=(80-33)-(40-25)/ln(80-33)/(40-25)= 28.02C7 / 18化工原理課程

12、設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)2.4.2 溫度矯正系數(shù)P=(t2-t1)/(T2-T1)=(33-25)/(80-40)=0.145R=(T1-T2)/(t2-t1)=(80-40)/(33-25)=5由化工原理上冊 P238頁查圖419可彳導(dǎo):(|)At=0.92所以 tm-小 At * m=0.92*28.02= 25.77713598 C 不需要熱補(bǔ)償又因?yàn)?.920.8 ,故可選用單殼程的列管換熱器。2.5 試算和初選換熱器的規(guī)格2.5.1 初定K值：根據(jù)低溫流體為水，高溫流體為有機(jī)物(參見化工原理P355)有K值的范圍:2 o2.430 850W/( m C),假設(shè) K0=300W/(m - C )

13、2.5.2 單管程的管子根數(shù)：因?yàn)樗吖艹糖页踹x。25*2.5 , L= 6m的列管，所以設(shè) Ui=1m/sVui di2ni由4可求得：V=40753.60699 kg/h /(995.7*3600)=0.01137mA3ni =4V/(3.14*0.02*0.02)=36.2 取 37 根2.5.3 傳熱面積：&=Q/( tm*K0)=48.88mA22.5.4 單管程管長：Li=S/(3.14*d o*m)=16.83m2.5.5 管程數(shù)：Np=L/L=16.83/6=2.84初選管程為 Np=32.5.6 總管數(shù)：n=Np*ni =3*37=111 根2.5.7 管心距：t=1.25*

14、d 0=1.25*25=32mm2.5.8 橫過管束中心線的管數(shù)：2.5.9 計(jì)算殼徑：D=1.05*t*(111/0.7 ) A1/2=423mm 取整：450mm2.5.10 折流板：采用弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%則切去的圓缺高度為h=0.25*450=112.5mm ,取 h=110mm折流板間距取B=150mm 折流板數(shù)：此二傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-1=39塊 折流板圓缺面水平裝配2.5.11 接管：殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u1=1m/s,則接管內(nèi)徑為d1=4V/(3.14*u)A1/2=4*134000000/300/24/3600/836

15、.6/3.1針1/2=0.0887m取整d1=90mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u2=1.5m/s,則接管內(nèi)徑為d2=4V/(3.14*u)A1/2=4*0.01137/3.14/1.5A1/2=0.098m取整 d2=100mm2.5.12 將這些管子進(jìn)行排列有圖如下：/0OOO2.5.13初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為:殼 徑D450 mm管子尺寸 25 x 2.5mm管程婁N Np3管長L6.0 m管子總數(shù)n111管子排列方法正三角形2.5.14實(shí)際傳熱面積及總傳熱系數(shù):9 / 18化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)S1=3.14ndL=3.14*111*0.025* (6.0-0.

16、1 ) =51.40965mA2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：K1=Q/(S1*Atm)= 285.2506706 W/(m 2 C)3工藝核算3.1 核算總傳熱系數(shù)3.1.1 計(jì)算管程對流傳熱系數(shù)iUi=Vi/Ai=4*0.01137/(ni*3.14*diA2)=4*0.01137/(37*3.14/4*0.02A2)=0.979m/s與假設(shè)相一致合適Re=di*ui*995.7/(0.807*10A-3)= 24359.7142湍流Pn=Ck *(0.852*10A-3)/0.613=5.406735751圖 殼程摩擦系數(shù)f 0與Re0的關(guān)系所以ai =0.023*

17、( 水/di)*(R 0.8*Pri 0.3=0.023*0.613/0.02*(24359.7142)A0.8*(5.8)A0.4=4507.304891(W/( nf C )3.1.2 計(jì)算殼程對流傳熱系數(shù)0換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：Ao=hD(1-d0/t)=0.15*0.45*(1-0.025/0.032)= 0.014765625m式中h折流擋板間距，取150mmt管中心距，對 25 2.5mm, t 32mm。因?yàn)閃 18611.11111(kg/h) =18611.11111/(3600*836.6)=所以Uo=Vs/Ao=18611.11111/(3600*836.

18、6)/0.014765625=0.418504475 m/s由正三角形排列得：de=4( 33 /2 *t 23.14/4 *d 02)/(3.14 d 0=4*(V3 /2*0.032 2 3.14/4*0.025 2)/(3.14*0.025)=0.027151936mRe0deu0苯0.05 0.22 83660.381 10324154=0.027151936*0.418504475*836.6/(0.381*0.001)=25016.99652 Cp 1.828 100.381 10“Pr0 4.60.151因?yàn)镽e）在1 10范圍內(nèi)且殼程中苯被冷卻，取 （仙/ w）= 0.915

19、;0.5500.36 Re。 Pr0 3de所以a。 = 799.570385 W/( nf C )3.1.3 確定污垢熱阻管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為：Rsi= 0.0002 W/( itf c)Rso= 0.00017 W/( m2 - C)3.1.4總傳熱系數(shù)K211 / 18化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)Rsrd di忽略管壁熱阻、總傳熱系數(shù)K2為:doid1=513.347227嗎7 ” 懣 、191.7 102.0 10由前面計(jì)算團(tuán)84 ,選用該型號換熱器時(shí)，15 胸432的鹵傳熱系數(shù)為2285.2506706 W/（ 360叫/）lm在版任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的為513.347

20、2272W/( m2 ),其安全系數(shù)為:4=(513.3472272285.2506706)/285.2506706*100%=79.96354787%故所選擇的換熱器是合適的。3.1.5回溯試算：管數(shù)是主要影響因素之一， 可控安全系數(shù)過高，說明設(shè)計(jì)過程中材料浪費(fèi), 制其它條件不變，適當(dāng)降低管程數(shù)，減少總管數(shù)。 3.1.5.1回溯管程計(jì)算：Np=2K1=427.876006 (W/( nf C )K2=513.3472272 (W/( nf C )4=(513.3472272-427.876006)/ 427.876006*100%=19.97569858%符合條件Np=1：K1=855.75

21、20119(W/( itf C )K2=513.3472272(W/( itf C )刀 ” =(513.3472272-855.7520119)/ 855.7520119*100%=-40.01215071%不符合條件3.1.5.1 總管數(shù)：n=Np*ni=2*37=74 根3.1.5.2 管心距：t=1.25*d 0=1.25*25=32mm3.1.5.3 橫過管束中心線的管數(shù)：m=1.19*nA1/2=11 根# / 18化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)3.1.5.4 計(jì)算殼徑：D=1.05*t* (74/0.7 ) A1/2=345mm 取整：450mm3.1.5.5 折流板：采用弓形折流板

22、圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%則切去的圓缺高度為h=0.25*450=112.5mm ,取 h=110mm折流板間距取B=150mm折流板數(shù)：此二傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-1=39塊折流板圓缺面水平裝配3.1.5.6 接管：殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為u1=1m/s,則接管內(nèi)徑為 d1=4V/(3.14*u)A1/2=4*134000000/300/24/3600/836.6/3.14A1/2=0.0887m取整 d1=90mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u2=1.5m/s,則接管內(nèi)徑為 d2=4V/(3.14*u)A1/2=4*0.01137/3.14/1

23、.5A1/2=0.098m取整 d2=100mm3.1.5.7 將這些管子進(jìn)行排列有圖如2.5.123.1.5.8初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為：殼 徑D450 mm管子尺寸 25 x 2.5mm管程數(shù)Np2管長L6.0 m管子總數(shù)n74管子排列方法正三角形3.1.5.9實(shí)際傳熱面積及總傳熱系數(shù)S1=3.14ndL=3.14*74*0.025* (6.0-0.1 ) =34.273評2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為：K1=Q/(S1* Atm)= 427.876006(W/( nf C )3.2計(jì)算管程壓強(qiáng)降PP1P2 FtNpNs前面已算出：ui= 0.978596533

24、Rei=24359.7142(湍流)13 / 18化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)取不銹鋼管壁粗糙度0.1mm則相對粗糙度e/di= 0.005摩擦系數(shù)入=0.034所以:Pidi2Ui20.0334.5996.325 0.925 20.0154322 Pa計(jì)算得:P22Ui996.325 0.9255115Pa P1=4863.019702 Pa P2=1430.299912 Pa對于 25 x 2.5mm的管子Ft= 1.4 , Ns=1, Np=2EAP i= 17621.29492Pa500EAPo =( PV + P21 )*Fs*Ns取 Fs= 1.15Ns= 1其中:Fs1.15, N

25、s 1,P1Ffnc Nb 12U02管子為正三角形排列,取:F=0.5Nc=10.23676707 根取11根NB=3915 / 18化工原理課程設(shè)計(jì)換熱器設(shè)計(jì)0.2280.228f05.0 Re05.0 83440.=0.59097359所以 PT =2280.367627 P2 =2082.601873EA Po =5017.414926 Pa50000Pa由上面計(jì)算可知，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿足題目要求，故所選 換熱器合適。4設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表項(xiàng)目管程（循環(huán)水）殼程（苯）流量，kg /s9.214.21溫度，C （進(jìn)/出）32.5/40.580/40物性定性溫度，C36.5603號度

26、，kg /m994.0836.6比熱,kJ/ kg 4.1741.828粘度，Pai - s-30.720 X 10-30.318 X10導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/m 0.6280.151普蘭特?cái)?shù)5.295.27結(jié)構(gòu)參數(shù)殼體外徑，mm500臺(tái)數(shù)1管徑，mm 25*2.5殼程數(shù)1管長，m6管心距，mm32管數(shù)150管子排列正方形斜轉(zhuǎn)45傳熱面積，m269.47折流板數(shù)39管程數(shù)5折流板距，m0.15材質(zhì)不銹鋼主要計(jì)算結(jié)果殼程管程流速，m/s0.30640.983污垢熱阻，(m2 )/W1.7*10A-42.0 X 10A-4傳熱系數(shù)，W/(itf-C)799.5703854507.3048915經(jīng)驗(yàn)公式5.1 管程對流傳熱系數(shù)i 迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式:i0.023 Re0/0.3di5.2 殼程對流傳熱系數(shù)。，可用關(guān)聯(lián)式計(jì)算：1_0.55 ,00.36 Re0