化工原理課程設(shè)計(jì)---換熱器

1、<p>　?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件：</p><p>　　某生產(chǎn)過程的流程如圖所示，出混合器的混合氣體經(jīng)過與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110℃進(jìn)一步冷卻至60℃之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中可溶組分。已知混合氣體的流量為227801kg/h,壓力為6.9Mpa,循環(huán)冷卻水的壓力為0.4Mpa，循環(huán)水入口溫度29℃，出口溫度為39℃，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。已知混合氣體在85℃下的物性

2、數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　（二）確定設(shè)計(jì)方案：</p><p>　　1.選擇換熱器的類型：該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫與殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。</p><p>　　(原因：固定管板式換熱器適用于殼程流體清潔，不易結(jié)垢，或者管外側(cè)污垢能用化學(xué)處理方法除掉的場(chǎng)合，同時(shí)要求殼體壁溫

3、與管子壁溫溫差不能太大。)</p><p>　　浮頭式換熱器能在較高的壓力下工作，適用于殼體壁溫與管壁溫差較大或殼程流體易結(jié)垢的場(chǎng)合。U型管式換熱器適用于殼程易結(jié)垢，或殼體壁溫與管壁溫差較大的場(chǎng)合，但要求管程流體較為清潔，不易結(jié)垢。)</p><p>　　2.流程安排：從物流操作壓力上來看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，

4、使傳熱器的傳熱能力下降，從總體上來看，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混合氣體走殼程。</p><p>　?。ㄈ┐_定物性參數(shù)：</p><p>　　定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取進(jìn)出口溫度平均值。</p><p>　　故混合氣體的定性溫度為 </p><p>　　管程流體的定性溫度為 </p><p>

5、;　　查表確定冷卻水在34℃下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　?。ㄋ模┕浪銈鳠崦娣e：</p><p><b>　　1.熱流量：</b></p><p><b>　　2.平均傳熱溫差：</b></p><p>　　先按純逆流計(jì)算（一般逆流優(yōu)于并流，在工程上若無特殊需要，均按逆流考慮）</p>

6、;<p><b>　　3.傳熱面積：</b></p><p>　　由于殼程氣體壓力較高，故選取較大的K值。假設(shè)K估=313W/(m2.K)，則估算的傳熱面積為</p><p><b>　　4．冷卻水的用量：</b></p><p>　?。ㄎ澹┕に嚱Y(jié)構(gòu)尺寸：</p><p>　　1.管徑

7、和管內(nèi)流速： 選用 高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），并取管內(nèi)流速ui=1.3m/s。</p><p>　　我國(guó)國(guó)標(biāo)換熱器中常見的換熱管規(guī)格有 以及</p><p>　　流速的選擇應(yīng)使流體處于穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，即雷諾數(shù)大于10000。對(duì)于傳熱熱阻較大的流體或易結(jié)垢的流體選取較大流速，以利于增加表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，降低結(jié)垢程度與速度。并要考慮合適的流速下

8、，換熱器有適當(dāng)?shù)墓荛L(zhǎng)和管程數(shù)。</p><p>　　2.管程數(shù)與傳熱管數(shù)：</p><p>　　若按單程管計(jì)算，所需傳熱管長(zhǎng)度為</p><p>　　按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，取傳熱管長(zhǎng)l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為</p><p>　　傳熱管的總根數(shù)：NT=616×2=1232

9、(根)</p><p>　　3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查標(biāo)圖得：</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　4.傳熱管排列與分程

10、方法：</p><p>　　對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式。各程內(nèi)采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用矩形排列方法。</p><p>　　故擬采用組合排列法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)用矩形排列。如圖</p><p>　　取管心距t=1.25d0，則</p><p>　?。▊鳠峁芘c管板連接采用脹接時(shí)，t=(1.3-

11、1.5)d0;焊接時(shí)，t=1.25d0）</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離</p><p>　　各程相鄰管的管心距為44mm。</p><p><b>　　5.殼體內(nèi)徑：</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可由下式估算。取管板利用率。（正三角形排列，2管程，=0.7-0.85，4管程

12、以上，=0.6-0.8）</p><p><b>　　則殼體內(nèi)徑為</b></p><p>　　按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=1450mm。</p><p><b>　　6、折流板：</b></p><p>　?。ㄗ饔谜f明：列管式換熱器殼程流體流通面積比管程流通截面積大，為增大殼程流體的流速，加強(qiáng)其湍

13、動(dòng)程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。對(duì)于多殼程換熱器不僅需要設(shè)置橫向折流板，而且需要設(shè)置縱向折流板將換熱器分為多殼程結(jié)構(gòu)。對(duì)于多殼程換熱器，設(shè)置縱向折流板的目的不僅在于提高殼程流體的流速，而且是為了實(shí)現(xiàn)多殼程結(jié)構(gòu)，減少多殼程結(jié)構(gòu)造成的溫度損失。）</p><p>　　采用弓形折流板，可取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</p><p>　　并且折流板圓缺面水平

14、裝配。</p><p><b>　　7.其他附件：</b></p><p>　　拉桿數(shù)量與直徑可由國(guó)標(biāo)查?。ㄒ娤聢D），本換熱器傳熱管外徑25mm，其拉桿直徑為16mm，共8根拉桿。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。（如下圖）</p><p><b>　　拉桿直徑/mm</b></p><p><b&

15、gt;　　拉桿數(shù)量</b></p><p><b>　　8、接管:</b></p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。</p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為<

16、;/p><p>　　圓整后取管內(nèi)徑為360mm。</p><p><b>　　（六）換熱器核算</b></p><p><b>　　1.熱流量核算</b></p><p>　?。?）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，通過克恩法計(jì)算，可知</p><p>　?。ㄟm用條件：Re0=2×(1

17、03-106)，弓形折流板圓缺高度為直徑的25%。）</p><p>　　換熱管呈三角形排列時(shí)，</p><p><b>　　當(dāng)量直徑</b></p><p><b>　　殼程流體流通面積，</b></p><p>　　殼程流體流速及雷偌數(shù)分別為</p><p><b&

18、gt;　　普朗特?cái)?shù) </b></p><p><b>　　黏度校正</b></p><p><b>　　因此，</b></p><p>　?。?）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：</p><p>　?。ㄟm用條件：低粘度流體（<2×10-3Pa.S）；雷諾數(shù)Re>10000；普朗特

19、數(shù)Pr在0.6-160之間；）</p><p><b>　　管程流體流通截面積</b></p><p><b>　　管程流體流速</b></p><p><b>　　普朗特?cái)?shù) </b></p><p>　?。?）污垢熱阻和管壁熱阻：</p><p>&l

20、t;b>　　管外側(cè)污垢熱阻</b></p><p><b>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻</b></p><p>　　依表，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m·K),所以</p><p><b>　　管壁熱阻：</b></p><p><b>　　（4）傳熱系數(shù)KC&l

21、t;/b></p><p><b>　　（5）傳熱面積裕度</b></p><p><b>　　傳熱面積</b></p><p>　　該換熱器的實(shí)際傳熱面積</p><p><b>　　該換熱器的面積裕度</b></p><p>　　為了保證換熱器

22、操作的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于15%-20%。本換熱器傳熱面積裕度19.2%，滿足生產(chǎn)要求，故能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p><b>　　2.壁溫核算：</b></p><p>　　因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按下式計(jì)算：</p><p>　　由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確?？煽?/p>

23、，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為15℃，出口溫度為39℃計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是上式簡(jiǎn)化為：</p><p>　　式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度按下式計(jì)算：</p><p><

24、b>　　傳熱管平均壁溫</b></p><p>　　殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85℃</p><p>　　殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為</p><p>　　該溫度較大，故需設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程流體壓力較高，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。</p><p>　　3.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力：<

25、/p><p>　?。?）管程流體阻力（由流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和管程局部阻力兩部分組成）</p><p>　　由Re=34184，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄圖得=0.04，</p><p>　　且流速u=1.299m/s，=994.3kg/m3，所以</p><p>　?。ㄗ⒁话闱闆r下取值為3）</p><

26、p>　　其核算值小于5×104，故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　（2）殼程阻力</b></p><p>　　采用工程計(jì)算中常用的埃索法核算：</p><p>　　流體流經(jīng)管束的阻力為</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p><

27、b>　　總阻力為</b></p><p>　　該核算值大于一般液體流體的常值5×104，由于該換熱器殼程流體為混合氣體且操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。</p><p>　?。ㄆ撸Q熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見表</p><p>　　表 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表</p><p>　　（八）換熱

28、器主要結(jié)構(gòu)尺寸</p><p><b>　?。ň牛┰u(píng)價(jià)</b></p><p><b>　?。ㄊ﹨⒖嘉墨I(xiàn)：</b></p><p><b>　?。ㄊ唬└綀D</b></p><p><b>　　要求：手繪制圖</b></p><p&g