管式換熱器課程設計

1、<p>　　一．設計任務和設計條件</p><p>　　某生產(chǎn)過程的流程如圖所示，反應器的混合氣體經(jīng)與進料物流患熱后，用循環(huán)冷卻水將其從90℃進一步冷卻至30℃之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。循環(huán)水的入口溫度為30℃，出口溫度為50℃ ，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務。</p><p><b>　　物性特征：</b></p><

2、;p>　　煤油在60℃下的有關物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）：</p><p>　　密度 </p><p>　　定壓比熱容 =2.22kj/kg℃</p><p>　　熱導率 =0.14w/m</p><p>　　粘度 </p><p>　

3、　循環(huán)水在40℃ 下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　密度=992.2㎏/m3</p><p>　　定壓比熱容=4.174kj/kg℃</p><p>　　熱導率 =0.64w/m℃</p><p>　　粘度 </p><p><b>　　確定設計方案</b&

4、gt;</p><p><b>　　選擇換熱器的類型</b></p><p>　　兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度90℃ 出口溫度30℃；冷流體進口溫度30℃，出口溫度為50℃，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。</p><p>&l

5、t;b>　　管程安排</b></p><p>　　從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，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，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。</p><p><b>　　確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1定性溫度：

6、對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取煤油進出口溫度的平均值。故殼程煤油的定性溫度為</p><p><b>　　T= =60℃ </b></p><p>　　管程流體的定性溫度為</p><p><b>　　t=℃</b></p><p><b>　　2物性數(shù)據(jù)</b>

7、</p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。對煤油來說，最可靠的無形數(shù)據(jù)是實測值。若不具備此條件，則應分別查取混合無辜組分的有關物性數(shù)據(jù)，然后按照相應的加和方法求出煤油的物性數(shù)據(jù)。</p><p>　　煤油在60℃下的有關物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）：</p><p>　　密度 </p><

8、p>　　定壓比熱容 =2.22kj/kg℃</p><p>　　熱導率 =0.14w/m</p><p>　　粘度 =8.66×10-4Pas</p><p>　　循環(huán)水在40℃ 下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　密度=992.2㎏/m3</p><p>

9、;　　定壓比熱容=4.174kj/kg℃</p><p>　　熱導率 =0.64w/m℃</p><p>　　粘度 =0.653×10-3Pas</p><p><b>　　估算傳熱面積</b></p><p><b>　　熱流量 </b></p&

10、gt;<p><b>　　Q1=</b></p><p>　　=18939.4×2.22×(90-30)/3.4 =700757.43kw</p><p><b>　　2.平均傳熱溫差 </b></p><p>　　先按照純逆流計算，得</p><p><b&

11、gt;　　=</b></p><p>　　3.傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=320W/(㎡k)則估算的傳熱面積為</p><p><b>　　Ap=</b></p><p>　　4.冷卻水用量 m==</p><p><b>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b

12、></p><p>　　1．管徑和管內(nèi)流速 選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱 管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=1m/s。</p><p>　　2．管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　下 Ns=</p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為

13、 </p><p><b>　　L=</b></p><p>　　按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為</p><p><b>　　Np=</b></p><p>　　傳熱管總根數(shù) Nt=29×

14、5=145</p><p>　　3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)按式（3-13a）和式（3-13b）有 R=</p><p><b>　　P=</b></p><p>　　按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖3-9得</p><p>　　平均傳熱溫差 ℃ </p><p>　　

15、由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　4.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。見圖3-13。</p><p>　　取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25≈32㎜</p><p>　　隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（

16、3-16）計算</p><p>　　S=t/2+6=32/2+6=22㎜</p><p>　　各程相鄰管的管心距為44㎜。</p><p>　　管數(shù)的分成方法，每程各有傳熱管27根，其前后關鄉(xiāng)中隔板設置和介質(zhì)的流通順序按圖3-14選取。</p><p>　　5．殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式（3-19）估算。取管板利用率η=0.

17、7 ，則殼體內(nèi)徑為</p><p><b>　　D=1.05t</b></p><p>　　按卷制殼體的進級檔，可取D=500mm</p><p>　　6．折流板 采用弓形折流板，去弓形之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>　　H=0.25×500=125m，故可取h=150

18、mm</p><p>　　取折流板間距B=0.4D，則 B=0.4×500=200mm，可取B為200mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)目NB=</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配，見圖3-15。</p><p><b>　　7．其他附件 </b></p

19、><p>　　拉桿數(shù)量與直徑按表3-9選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm，故其拉桿直徑為Ф12拉桿數(shù)量不得少于10。</p><p>　　殼程入口處，應設置防沖擋板，如圖3-17所示。</p><p><b>　　8．接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為&l

20、t;/p><p>　　圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　圓整后去管內(nèi)徑為80mm</p><p><b>　　換熱器核算</b></p><p><b>　　熱流量核算</b&g

21、t;</p><p>　?。?）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計算，見式（3-22）</p><p>　　當量直徑，依式（3-23b）得</p><p><b>　　=</b></p><p>　　殼程流通截面積，依式3-25 得</p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p>

22、;<p><b>　　普朗特數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p>　?。?）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按式3-32和式3-33有</p><p><b>　　管程流體流通截面積</b></p><p><b>　　管程流

23、體流速</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)</b></p><p>　?。?）污垢熱阻和管壁熱阻 按表3-10，可取</p><p><b>　　管外側(cè)污垢熱阻</b></p><p><b>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻</b></p><

24、p>　　管壁熱阻按式3-34計算，依表3-14，碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(m·K)。所以</p><p>　　（4） 傳熱系數(shù)依式3-21有 </p><p>　　傳熱面積裕度 依式3-35可得所計算傳熱面積Ac為</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積為Ap</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p

25、><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。</p><p><b>　　壁溫計算 </b></p><p>　　因為管壁很薄，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式3-42計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽浚⊙h(huán)冷卻水進口溫度為30℃，出口溫度為50℃計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)

26、污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，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。計算中，應該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，按式4-42有</p><p>　　式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為</p><p>　　0.4×50+0.6×30=24.6℃</p><

27、;p>　　(90+30)/2=60℃ </p><p><b>　　4698w/㎡·k</b></p><p>　　687.93w/㎡·k</p><p><b>　　傳熱管平均壁溫</b></p><p><b>　　℃</b></p>

28、<p>　　殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 ℃。</p><p>　　該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。</p><p>　　3．換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p><b>　?。?）管程流體阻力</b></p>

29、;<p><b>　　, , </b></p><p>　　由Re=28565.64，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖得，流速u=0.94m/s,</p><p><b>　　,所以，</b></p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　?。?）殼程阻力

30、按式計算</p><p><b>　　, , .15</b></p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p><b>　　F=0.5</b></p><p>　　0.5×0.701×13.25×(29+1)×=48

31、83.31Pa</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p>　　, B=0.2m , D=0.5m</p><p><b>　　Pa</b></p><p><b>　　總阻力</b></p><p>　　4883.31+2716.32=7599.4Pa&l

32、t;/p><p>　　由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。</p><p>　　（3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表：</p><p>　　工藝設計主要符號說明</p><p><b>　　1.英文字母</b></p><p><b>　　2.下標</

33、b></p><p><b>　　3.希臘字母</b></p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　1． 劉積文主編，石油化工設備及制造概論，哈爾濱；哈爾濱船舶工程學院出版社，1989年。</p><p>　　2． GB4557.1——84機械制圖圖紙幅面及格式<

34、/p><p>　　3． GB150——98鋼制壓力容器</p><p>　　4． 機械工程學會焊接學會編，焊接手冊，第3卷，焊接結(jié)構(gòu)，北京；機械工業(yè)出版社 1992年。</p><p>　　5． 杜禮辰等編，工程焊接手冊，北京，原子能出版社，1980</p><p>　　6． 化工部六院編，化工設備技術圖樣要求，化學工業(yè)設備設計中心站，1991年