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1、华东理工大学级化工原理课程设计 温乐斐 10103638 复材101 一．序言 1.换热器相关说明 换热器（heat exchanger），是将热流体部分热量传输给冷流体设备，又称热交换器。是进行热交换操作通用工艺设备。被广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它很多工业部门通用设备，在生产中占相关键地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用愈加广泛。 换热器种类很多，依据使用目标可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器；依据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；尤其是依据冷、热流体热量交换原理和方法基础上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式
2、在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。据统计,这类换热器占总用量99 %。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度可靠性和广泛适应性,在长久操作过程中积累了丰富经验,其设计资料比较齐全,在很多国家全部有了系列化标准。 多年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器挑战,但因为管壳式热交换器含有结构简单、牢靠、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器现在仍是化工、石油和石化行业中使用关键类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。怎样确定最好换热器,是换热器优化问题。 2．泵评价和选择 泵性能参数关键有流量和扬程，另外还有轴功率、转速和必需汽蚀余
3、量。流量是指单位时间内经过泵出口输出液体量，通常采取体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口能量增量，对于容积式泵，能量增量关键表现在压力能增加上，所以通常以压力增量替换扬程来表示。 3.设计任务书作用 本设计书对指定有机物进行冷却，怎样选择适宜换热器，怎样合理安排操作管路和怎样选择适宜离心泵作出具体计算说明。 二．设计任务 一．工艺要求 要求将温度为78℃某液态有机物冷却至60℃，此有机物流量为9.85kg/s。现拟用温度为t1=20℃冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧压降皆不应超出0.1Mpa。已知有机物在69℃时物性数据以下： 二．步骤： 管路
4、部署图（右方参考图），已知泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米，（均不考虑局部阻力损失） 三． 要求 1. 选择一个适宜换热器 2. 合理安排管路 3. 选择一台适宜离心泵 三．计算结果明细表 （1） 管壳式换热器规格 公称直径 DN/mm 公称压力 PN/ MPa 管程数 N 管子根数 N 中心排 管数 管程流通面积/m2 换热管长度L/mm 管心距/mm 换热面积/m2 325 —— 2 88 10 0.0078 3000 25 15.2 （2） 离心泵型号规格 型号 转速 n/
5、r/min) 流量 扬程 /m 效率 功率 必需气蚀量 （NPSH）r/m 质量（泵/底座）/kg m3/h L/s 轴功率 电机功率 IS65- 50-125 2900 15 4.17 21.8 58 1.54 3 2.0 50/41 25 6.94 20 69 1.97 2.5 30 8.33 18.5 68 2.22 3.0 （3）计算数据结果统计 项目 结果 单位 冷却剂出口温度 36 循环水定性温度 28 热负荷 393.606 kW 冷却水质量流量 5.894
6、 并流对数平均温差 38.53 逆流对数平均温差 40.99 估算换热面积 14.77 管程流动面积 0.0078 管内冷却水流速 0.759 管程给热系数 3891.74 摩擦系数 0.0358 管程压降 8741.72 Pa 壳程流动面积 0.0264 壳程有机物流速 0.659 当量直径 0.0144 m 壳程给热系数 1568.06 壳程压降 4903.46 Pa 核实传热系数 757.18 校核传热面积 12.68 冷却水流量 29.736 总局部阻力系数 1
7、8.65 阻力损失 4.57 m 压头（扬程） 16.236 m 四．计算过程 一．选择适宜换热器 1.确定物性数据 设计方案：冷却水：用温度t1=20℃河水进行冷却，从Δtm>10℃及预防水中盐类析出为标准，选择出口温度为36℃。考虑到冬季使用时，其进口温度较低，换热器管壁温和壳体壁温之差较大；夏季时河水温度改变也不是很大，所以选择管壳式换热器。从二种流体物性来看，因为冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加紧污垢增加速度，使换热器热流量下降，所以从综合考虑，应使冷却水走管程，有机液态化合物走壳程，而且确保冷却水流速不宜过慢。 入口温度为t1=20℃，出
8、口温度为t2=36℃ 冷却水定性温度为tm=（20+36）/2=28℃ 两流体温差Tm-tm=69-28=41℃ 两流体在定性温度下物性数据以下 物性 流体 温度 ℃ 密度 kg/m3 粘度 mPa·s 比热容 kJ/(kg·℃) 导热系数 W/(m·℃) 有机物 69 997 0.6 2.22 0.16 循环水 28 995.7 0.8012 4.174 0.6171 2.计算热负荷和 由热量衡算 换热器总换热量: 冷却水所需流量： 3.计算温差和估量传热系数 并流时，Δt1=T1-t1=78-20=58℃，Δt2=T2-t2
9、60-36=24℃ 逆流时，Δt1=T1-t2=78-36=42℃，Δt2=T2-t1=60-20=40℃ 因为在相同流体进出口温度下，逆流流型含有较大传热温差，所以选择逆流。 因为水和中有机物传热系数K在290～698 之间, 故取总传热系数K现暂取： 4.估算换热面积 5.依据条件选择适宜换热器 依据能够选择下述标准换热器（查附录得）： 公称直径 DN/mm 公称压力 PN/ MPa 管程数 N 管子根数 N 中心排 管数 管程流通面积/m2 换热管长度L/mm 管心距/mm 换热面积/m2 325 —— 2
10、 88 10 0.0078 3000 25 15.2 Ⅰ.传热管排列和分程方法： 采取组合排列法，即每程内均根据正三角形排列，隔板两侧采取正方形排列。 取管心距l=1.25d0则l=1.25*19=23.75mm 取l=24mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离为： S=l /2+6=24/2+6=18mm 则各程相邻管管心距为36mm 管束分程方法，每程各有传热管44根，其前后管箱中隔板设置和介质流通次序按书上图所表示 Ⅱ. 壳体内径： 采取多壳程结构，其壳程内径： 取管板利用率η =0.7 则D=282.55mm 按卷制壳体进级挡可取D=300mm Ⅲ. 折
11、流板间距： 挡板间距对壳程流动相关键影响，间距太大，不能确保流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。通常取挡板间距为壳体内径0.2～1.0 倍。故取B=240mm 6.计算管程压降Δрt及给热系数 依据标准换热器提供参数管程流动面积: 管内冷却水流速: 管程给热系数： 取钢管壁粗糙度ε为0.1mm，则 管程压降： 7. 计算壳程压降Δрs及给热系数 壳程中有机物被冷却， 其大于估算K值,故可行。 管束中心线管数 壳程流动面积： 因 管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15 壳程压降：
12、8.计算传热系数 污垢热阻和管壁热阻： 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 取钢管壁厚，热导率 9.校核传热面积 所选换热器： 所以选择换热器符合要求。 二．安排管路和选择适宜离心泵 1．管径初选 初取水适宜流速 因为71.36mm不是标准管径，所以确定d=73mm壁厚3mm热轧无缝钢管 符合经济流速范围 故确定： d=73mm壁厚3mm 2.压头He 在水槽液面及压力表处列柏努利方程 取， ， 查图得 局部阻力： 底阀一个 标准90°弯头3个 球心阀1个（全开） 另外：忽然减小=0.5
13、忽然增大=1.0 故 换热器压降 对泵压头安全系数取1.1，=1.114.76=16.236m 对流量安全系数取1.4，qve=1.421.24=29.736 3.泵选择 因为是输送河水，而且依据和和IS型离心泵系列特征曲线能够选择清水泵，由以上数据查表得取泵：IS65-50-125 其参数为：转速：2900 r / min 流量30 m3 / h 扬程：H=18.5m 效率：68% 轴功率：2.22kW 必需汽蚀余量:3m 五．附录 （1）相关流体物理性质 物性 流体 温度 ℃ 密度 kg/m3 粘度 mPa·s
14、 比热容 kJ/(kg·℃) 导热系数 W/(m·℃) 有机物 69 997 0.6 2.22 0.16 循环水 28 995.7 0.8012 4.174 0.6171 （2）计算使用物理数据 管外侧污垢热阻 ： 管内侧污垢热阻 ： 钢管热导率 ： 六．符号说明 关键符号说明 符号 意义 计量单位 A 面积 m2 定压比热容 d 管径 m g 重力加速度 m/s2 单位重量流体机械能损失 m l 管路长度 m m 质量 kg 虚拟压强 Pa p 流体压强
15、 Pa pa 大气压 Pa B 挡板间距 m T 周期时间 s t 时间 s t 温度 ℃ u 流速 m/s qv 体积流量 m3/s qm 质量流量 Kg/s 绝对粗糙度 mm 局部阻力系数 摩擦系数 动力黏度 密度 Kg/m3 He 有效压头 m D 换热器壳径 m f 校正系数 f0 壳程流体摩擦系数 K 传热系数 NT 管子总数 Q 热流量 W或J/S 给热系数 热导率 数群 Gr 格拉私霍夫数 Nu
16、努塞尔数 Pr 普朗特数 Re 雷诺数 下标 g 气体 m 平均 w 壁面 s 壳程 t 管程 有 有机物 七．设计说明 需要冷却有机物走壳程，冷却剂走管程； 有机物能够采取逆流方法； 换热器说明： 1.采取光滑管 光滑管结构简单，制造轻易。缺点是它强化传热性能不足。为了提升换热器传热系数，可采取结构形式多样化管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。 2.选择 换热管。 3.本设计中采取3米长换热管。 4.管子排列形式：本设计中采取正三角形错列排列方法，而在隔板两侧采取正方形直列。 5.采取多管程，故管板中间要留有隔板
17、位置。 6.许可折流板间距和管径相关，取折流板间距B=0.15m 管路部署图所表示： （1） 管路选择73mm×3mm钢管，最少使用下列零件：底阀1个；标准90°弯头3个；球心阀1个。 （2） 因为计算所得有效压头为14.76m，（安全压头为16.236m）；有效流量为21.24m3/h（安全流量为29.736 m3/h），依据离心泵特征曲线和工作点，选择型号为IS65-50-125离心泵。 八．参考文件 [1] 陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋 化工原理第三版（上册）化学工业出版社 [2] 王元文，陈连.管壳式换热器优化设计[J].贵州化工，，30（1）：27-31. [3]匡国柱，史启才。化工单元过程及设备课程设计 版
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