化工原理换热器设计.doc

江西科技师范大学食品科学与工程专业化工原理课程设计说明书 题目名称 浮头式换热器的设计 专业班级 食品科学与工程1班 学 号 学生姓名 张开明 尚志勇 指导教师 常军 2012 年 1 月6 日- 11 -目录1设计方案12设计计算12.1 确定设计方案12.1.1 选择换热器类型12.1.2 管程安排12.2 确定物性数据12.3 估算传热面积22.3.1 热流量22.3.2 热流体用量22.3.3 平均换热温差22.3.4 初算传热面积22.4 工艺结构尺寸23.4.1 管径和管内流速22.4.2 管程数和传热管数22.4.3 平均传热温差校正32.4.4 传热管排列32.4.5 壳体直径32.4.6 折流板32.4.7 接管33换热器核算43.1 传热面积核算43.2 换热器内压降的核算64设备选型74.1 换热器的选择74.2 管径的选择74.3 折流板的选择74.4 材料的选择85附表及图纸96总结107参考文献101设计方案在某工业生产中，由反应器生产出来的热煤油流经换热器，用循环冷却水将其从160进一步冷却到60，在进入储存装置。已知热煤油的压力为0.1MPa，循环水的入口温度为20，出口温度为75，流量为25m3/h，压力为0.4MPa。试设计一台合适的换热器，能够完成该生产任务。2设计计算2.1 确定设计方案换热器是化工、炼油工业生产中普遍应用到的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占用总费用的10%20%。换热器在其他的部门如冶金、食品等也有着广泛的应用。因此，设计和选择使用高效的换热器对降低设备造价和操作费用成本具有重要的作用。本设计是针对浮头式换热器在生产过程中最主要的设备部件进行模拟设计和选型，进行工艺结构、主要设备及附件尺寸的设计。2.1.1 选择换热器类型两流体的温度变化情况如下：煤油的进口温度160，出口温度60；冷却水的进口温度20，出口温度75该换热器是用循环冷却水进行冷却，在冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计换热器的管壁温度和壳体的温度之差较大，需要考虑热膨胀的影响1。因此，从安全等因素考虑，可以初步确定选用浮头式换热器。2.1.2 管程安排已知两流体的操作压力分别为不大于0.4MPa和0.1MPa，两流体分别是冷却水和煤油。由于循环冷却水容易结垢，若其温度太低时，将会加快污垢增长的速度，使换热器的热流量降低，考虑到散热降温等方面的因素，因该使冷却水走管程，使煤油走壳程。2.2 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可以取流体进出口温度的平均值，则壳程(煤油)的定性温度为T=(160+60)/2=110；管程(冷却水)的定性温度为T=(20+75)/2=47.5在定性温度下，分别查取管程和壳程流体(冷却水和煤油)的物性参数，见下表：表1 流体物性参数表密度(kg/m3)比热容(kJ/kg)黏度(Pa s)导热系数(W/m)煤油水825988.12.24.1747.1510-45.4910-40.140.6482.3 估算传热面积2.3.1 热流量(忽略热损失)W2.3.2 热流体用量(忽略热损失)m3 / h2.3.3 平均换热温差 先按照逆流计算，得2.3.4 初算传热面积 根据浮头式换热器中K大致范围，参考从实际生产中总结出来的各种流体之间的传热时的总传热系数经验值，并参见列管式换热器中K值大致范围表2，而且壳程的压力也不是很大，故可以取K=480W/(m2)，则传热面积为2.4 工艺结构尺寸2.4.1 管径和管内流速根据浮头式换热器内常用流速范围表3，取管内流速为=0.5m/s。管内流量为Qc=25m3/h，则管径为mm。又管程走的是易结垢流体，故选用标准管规格为mm。2.4.2 管程数和传热管数可以依据传热管内径和流速确定单程管传热数按照单管程，所需的传热管长度为 按照单管程设计，由于传热管太长，故宜采用多管程设计。根据实际情况，采用非标准管长设计，取传热管长m，则该换热器的管程数为传热管总根数 根2.4.3 平均传热温差校正 平均温差校正系数计算如下按单壳程，双管程结构，查阅温差校正系数值图1，得，则平均传热温差 。故采取单壳程合适。2.4.4 传热管排列 采用组合排列法，每管程内采用正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距，则mm隔板中心到离其最近一排管中心距离为各程相邻管的管心距为44mm2.4.5 壳体直径 用多管程结构，壳体直径可由下式估算。取管板利用率，则壳体直径为 按照卷制壳体的进级挡，可以取D=600mm。2.4.6 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体直径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25500=125mm故可以取h=150mm。取折流板间距B=0.6D(0.2DBD)，则B=0.6500=300m折流板数目折流板圆缺面水平装配。2.4.7 接管 壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为m/s，则接管内径为 取管内径为D1=150mm管程流体进出口接管：取管内流体流速为m/s，则管内径为取接管内径为D2=100m3换热器核算3.1 传热面积核算3.1.1 管程传热膜系数 按照下式进行计算管程流体流通截面积管程流速和雷诺数分别为普朗特数所以 W (m)3.1.2 壳程传热膜系数 按照下式进行计算管子是按照正三角形排列，传热当量直径为壳程流通截面积为m2壳体流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数黏度校正 所以W (m2)3.1.3污垢热阻和管壁热阻 查阅相关资料2，管外侧的污垢热阻m2W，管内侧的污垢热阻m2 W，管壁厚度m，碳钢在该条件下热导率为W m3.1.4 总传热系数 总传热系数K0为W (m2)3.1.5 传热面积校核 根据下式计算出传热面积为m2换热器实际传热面积为m2换热器面积的裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.2 换热器内压降的核算3.2.1 管程阻力 管程总阻力可以采取下式计算：式中 、分别为直管和回弯管中因摩擦阻力而引起的压降，Pa 结垢校正因数，对mm 管子取1.4管程数串联的壳程数由，为湍流，传热管相对粗糙度为0.01，查阅相关文献中双对数表2 ，得，又流速为，所以有PaPa有，所以管程总阻力为 所以管程流体阻力在允许的范围内。3.2.2 壳程阻力 壳程阻力按照下式进行计算其中 ，流体流过管束的阻力所以有流体流过折流板缺口的阻力其中h=0.3m,D=0.4 m，则有Pa壳程总阻力为所以壳程流体的阻力在允许的范围内。4设备选型4.1 换热器的选择换热器型式有多种，按照传热方式不同分为：混合式、蓄热式和间壁式。本设计中我们选用的是间壁式换热器中的一种浮头式换热器。浮头式换热器两端的管板，一般不与壳体相连，可以自由沿着管长方向浮动，该端称为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可以在壳体内沿轴向自由伸缩，可以完全消除热应力；而且由于固定端的管板用法兰和壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。其特点为结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构型式1。在本设计中，由于考虑到管壁温度和壳体温度之差较大，所以我们选用的是浮头式换热器。4.2 管径的选择换热管中最常用的管径有mm和mm两种。小直径的管子可以承受更大的压力，且管壁较薄；同时，对于相同的壳体直径，可以排列较多的管子，从而提高单位面积的传热面积。因此，当管程流体较清洁，且允许的压降较高时，常采用mm的管子。但由于在本次设计中，管内流量为Qc=25m3/h，流速为= 0.5m/s，单程管数为44根，则管径为mm。又管程走的是易结垢的冷却水，且其流速较小，压降不是很高，为了清洗方便，故应该选用较大直径的管子，因此，我们选用标准规格为mm的碳钢管子，管子型号为GB/T8162-1999，生产于山东聊城市首发金属制造有限公司。标准管子的长度有：1500mm，2000mm，2500mm，3000mm，4500mm，5000mm，6000mm，7500mm，9000mm等。本设计中选用的管子为4000mm。4.3 折流板的选择安装折流板的目的是提高壳程对流传热系数，为了取得良好的换热效果，挡板的形状和间距必须适当。常见的折流板型式有多样，但主要以圆缺形(弓形)折流板最为常见。对于圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对于壳体流体的流动情况有重要影响，切去弓形高度约为直径的10%40%(一般取20%25%)。弓形缺口太大或是太小都不利于传热，且往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体流体的流动也有重要影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不利于制造和检修，阻力损失也大。相邻挡板的距离(板间距)一般取换热器外径你给的0.21.0倍1。浮头式换热器的板间距有150mm、200mm、300mm、480mm、600mm五种。在此次设计中，根据计算和综合各方面因素考虑，选择板间距为300mm，高度为450mm，型号为PSJJ7A132-0-4，生产于石家庄蓝宝机械制造有限公司，并且采用弓形折流板。4.4 材料的选择换热器材料应该根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。金属材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、铜和铝。非金属材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃。不锈钢和有色金属材料抗腐蚀性能好，但价格相对较高。综合考虑到经济、安全等因素，我们选择了碳钢管子。表2 换热器主要设备选型表名称规格型号数量厂家折流板换热管壳体管程接管壳程接管封头法兰支座定距管上管板下管板压力阀高450mm252.5mm厚2.5mm452.5mm201.5mmDN110mmRF 550-2.5耳式支座B2252.5mmSA4575PSJJ7A132-0-4GB/T8162-1999Q235-ABR01-ABR006Q235-AHG20615JB1165-732GB/14976-1994PSJJ7A132-0-2PSJJ7A132-0-6224528A-H12176122221265114石家庄蓝宝机械制造有限公司山东省聊城市首发金属制品有限公司淄博泰勒换热设备有限公司上海化工装备有限公司上海化工装备有限公司佛山市顺德区佛茂钢材贸易有限公司武汉威孚热工技术有限公司河北同力自控阀门制造有限公司上海斯普热能技术有限公司澳昭美金属材料有限公司澳昭美金属材料有限公司上海动威机电科技有限公司5附表及图纸4附表 1 换热器主要结构尺寸和计算结果项目结果单位水的流量水的进(出)口温度水的压力煤油的进(出)口温度水的密度水的比热容水的热导率水的黏度煤油的密度煤油的比热容煤油的热导率煤油的黏度热负荷水的定性温度煤油的定性温度热流体用量平均传热温差折流板的圆缺高度壳程接管内径管程接管内径管程流速壳程流速管程传热系数壳程传热系数管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻总传热系数传热面积裕度管程阻力壳程阻力25 20(75)0.4160(60)988.14.1740.648549.410-68252.20.147.1510-41575.347.58525777.656.41501501000.50.354536931.7210-41.7410-4580551.1513143.25334.6m3/hkg/m3kJ/(kg/)W/m Pa skg/m3kJ/(kg/)W/mPa skW/kJ/hmmmmmmm/sm/sW/(m2)W/(m2)m2/Wm2/WW/(m2)m2PaPa6、总结经过十几天的精心准备和细心计算，在我们两人的共同努力下，化工原理课程设计终于完成了。由于是第一次弄这样的课程设计活动，对于设计结果，我们还是比较满意的。这次的设计主要是针对现实工业生产中的换热器课题展开的，设计任务主要是实现热煤油的冷却，通过参照有关参考书和查阅相关网上资料，我们设计出来了这个浮头式换热器。此换热器选用的碳钢管，管径较大，易于清洗，因考虑到管程流体易结垢，故选用此种类型的管，而且压降不是很大，所以选用较合理；本换热器的缺点就是不可承受较大压力流体的换热，而且排列的管子数不多，故处理能力不是很好。不过总体来说，本设计还是较为成功的。7参考文献1 申迎华，郝晓刚化工原理课程设计M化学工业出版社，北京，2009，52 王志魁，刘丽英，刘伟化工原理M第四版化学工业出版社，北京，2010，53 黄英化学过程设计M西北工业大学出版社，西安，2005，44 齐玉来，牛勇胜，马婕AutoCAD建筑制图基础教程M清华大学出版社，北京，2006，7