1 设计题目
管壳式卧式换热器设计
2 设计条件
某厂用循环冷却水甲苯从80冷却到50,甲苯年处理能力为44500t/a,压力为6.5MPa,循环冷却水的入口温度为25,出口温度为35,要求冷凝器允许压降不大于500000Pa;试设计一台管壳式卧式换热器完成该生产任务。每年按330天计算,每天24h连续运行。
表1 主要物性参数
流体 甲苯 循环冷却水
定性温度/℃ 70 30
密 度
3
kg/m 866 994.3
粘度 mPa·s 0.455 0.742
比 热 容 1.91 kJ/(kg·K) 4.174 kJ/(kg·℃)
热导率 0.1273W/(m·K) 0.624W/(m·℃)
3 设计容和要求
(1)标题页 (2) 目录 (3) 确定设计方案 (4) 传热面积计算 (5) 工艺结构尺寸计算 (6) 换热器校核
(7) 换热器主要结构参数和设计结果一览表 (8) 换热器工艺条件图
(9) 自设计使用该换热器的工艺流程图 (10)对本设计的评价 (11)参考文献
4 设计容
4.1 选择换热器的类型
本设计中循环冷却水甲苯选用带有折流挡板的固定管板式换热器,这种换热器适用于下列情况:①温差不大;②温差较大但是壳程压力较小;③壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第②种情况。另外,固定管板式换热器具有单位体积传热面积大,结构紧凑、坚固,传热效果好,而且能用多种材料制造,适用性较强,操作弹性大,结构简单,造价低廉,且适用于高温、高压的大型装置中。
采用折流挡板,可使作为冷却剂的水容易形成湍流,可以提高对流表面传热系数,提高传热效率。
4.2流动方向
本冷却器的管程走循环冷却水,壳程走甲苯。热空气和冷却水逆向流动换热。
4.3 估算传热面积 4.3.1.热流量
甲苯的质量流
W=44500t/a=44500×10/(330×24)=5618.687 kg/h 热流量为
Q=Wcp (T1-T2) =5618.687×1.91×(80-60) =214633.8 kJ/h = 59620.5W
3
4.3.2.平均传热温差
(T1t1)(T2t2)=38℃
T1t1lnT2t2tm=
4.3.3.传热面积
初步设定设K=200 W·m·℃。则估算的传热面积为
‘
-2
-1
AQ59620.58.087 m2 Ktm20036.86取安全系数1.2,则A=9.705m
4.3.4冷却水用量
Wo =
Qcpo(t2t1)214633.85142.16 kg/h
4.174(3525)4.4主体构件的工艺结构尺寸 4.4.1管程数和传热管数
选用φ25×2.5mm的传热管(碳钢管);do=25mm,di=20mm 管子根数:n=A÷πdol=41.2≈42 中心线或中心线附近管子根数nc=11 取管程数为2,则N=n+拉杆+5=42+6+5=53
4.4.2平均传热温差校正
平均传热温差校正系数
RT1T28060==2
t2t13525Pt2t13525==0.182 T1t18060温度校正系数为
tR21×
R1ln1P1PR
22P(1RR1)ln2P(1RR21)=0.97
平均传热温差校正为△tm=t×△tm=0.97×38=36.86( ℃ )
’
4.4.3传热管的排列
采用组合排列法,即每程均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。其中,每程的正三角形排列,其优点为管板强度高,流体走短路的机会少,且管外流体扰动较大,因而对流传热系数较高,相同的壳程可排列更多的管子。
4.4.4壳体径
取管间距:t =32 mm ,则
(DDDN/3Pt)/D 2Pt2(/8)D2得D=489.38mm 可取D为509mm
4.4.5折流板
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体径的25%,则 取折流板数12,则折流板间隔:h=
lNB1=0.23
4.4.6计算接口直径
1.计算循环冷却水进出口管径d1,设流速u=0.5m/s
qv1qv14d12u
Wi5142.16kg/h331.4410m/s 33600i3600994.3kg/m41.44103d10.0605m60.5mm
3.140.5所以选用直径为65mm的管子。
2.计算甲苯进出口管径d2
qv24d22u
qv2W5618.687kg/h331.810m/s 336003600866kg/m41.8103d20.0678m67.8mm
3.140.5所以选用直径为70mm的管子。
4.5换热器主要传热参数核算 4.5.1热量核算
(1)壳程对流传热系数
对于圆缺形折流板,可采用克恩公式
ho = 0.36其中:
①当水做冷却剂时,粘度校正为(λμoRe0.55Pr1/3(o)0.14 deμwμo0.14)=1.05 μw②当量直径,管子为正三角形排列时,
4(de=
32π2tdo)24 πdo4(=
3π0.03220.0252)24=0.0202 m
3.140.025③壳程流通截面积
So = hD(1-
do0.0252
)=0.23×0.509×(1-)=0.0257 m t0.032④壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为
Go=
Wo2
=5618.687÷0.0257=218625.95kg/(s·m) SoReo=
deGo0.020260.73==2696
0.000455μ⑤普朗特准数
Pr=
cpooo =
19100.000455=6.83
0.1273
因此,壳程水的传热膜系数ho为
ho = 0.36×0.1273/0.0202×2696=329.6 W/(m·℃)
(2)管程对流传热系数 其中:hi = 0.362
0.55
×6.83×1.0
1/3
λiμRe0.55Pr1/3(i)0.14 deμw①管程流通截面积
Si =
di2n•=0.0066 m2
42②管程空气的流速及其雷诺数分别为
Gi=
Wi22
=779115.2kg/(h·m)=216.42 kg/(s·m)SidiGi0.02216.42==5833.45 μi0.000742Re=
4(de=
32π23πtdi)4(0.03220.022)2424==0.029m πdi3.140.02③普兰特准数
Pr=
cpiii =
41740.000742=4.96
0.624因此,管程空气的传热膜系数hi为
hi0.360.6245833.40.554.961/31.0 0.0292
=1548.64 W/(m·℃) (3)基于管表面积的总传热系数Ki
污垢系数:
管侧Ro=0.000344m·℃·W 管外侧Ri=0.0005191m·℃·W
管子材质金属的导热系数λ=116.3W·m·℃
-1
-1
2
-1
2
-1
tdd111doRos(o)RioKhowdwdmhidi
1(0.0250.02)/20.0250.02510.0250.00051910.0003440.0048329.6116.3(0.0250.02)/20.021548.640.02=0.0048
解得:Ki=208W/ (m·℃)
2
此计算值与前面的初设值Ki=200 W/ (m·℃)的关系: 该换热器的传热系数裕度为
‘2
KK2082004.17% K200满足换热器设计所要求的5%之的围,初选的换热器合适。 (4) 传热面积
换热器的实际传热面积Sp
A=ndo(l1)=3.14×0.025×42×2.9= 9.56m2
该换热器的面积裕度为
HAA9.568.087100%= 100%=18 % A8.087满足要求的30%以下的围,该换热器符合实际生产要求。
4.5.2壁温核算
因管壁很薄,且管壁热阻很小,该换热器用自来水作为冷却水,设定冷却水进口温度为25℃,出口温度为35℃来计算传热管壁温度。 传热管平均壁温
twtcho329.6(Thtc)30(7030)
hi(di/do)ho1548.64(0.02/0.025)329.6=38.4℃39℃
33查的在该温度下甲苯的粘度w0.5410Pas,水的粘度w0.66810Pas
0.140.000742对管侧()w0.0006680.141.01
0.140.000455对壳侧()w0.000540.140.976
4.5.3换热器流体的流动阻力(压降)
(1)管程流动阻力
管流体在Re=5833.45时,查的摩擦阻力系数ft=0.011 直管部分的压降:
4ftGi2lnt40.011779115.22322△p1==31.73(kg/m)=311Pa 82qcdi21.2710弯管回路中的压降:
4Gi2nt4779115.2222
△p2==57.7(kg/m)=565.46 Pa 82qc21.2710994.3总压降:∑△pi=(△p1+△p2)=(311+565.46)=876.46Pa (2)壳程阻力: 用概算法:
Gcl218625.96232
△p1= 10.4=13.6(kg/m) 10.48qc1.2710866’
管侧,壳侧的压力损失均满足要求,该设计可行
5 计算结果总汇
表2 设计结果一览表
换热器形式: 管壳卧式 换热面积/m2: 8.65 工艺参数 名称 物料名称 操作压力/MPa 操作温度/℃ 流量/(kg/h) 管程 循环水 0.5 45 5142.16 994.3 0.5 59.62 208 1548.64 0.0003344 876.46 2 碳钢 φ25×2.5 32 上下 509 管数38 排列方式 间距 切口高度 壳程 甲苯 6.5 90 5618.687 866 0.5 59.62 208 329.6 0.0005159 133.416 1 碳钢 管长3000mm 正三角形 230mm 127.25mm 流体密度/(kg/m3) 流速/(m/s) 传热量/kw 总传热系数/(w/mk) 传热系数/(w/mk) 污垢系数/22(m2k/w) 阻力降Pa 程数 推荐使用材料 管子规格 管间距/mm 折流板形式 壳体径/mm
设计感想
此次化工原理课程设计题目是“空气压缩机后冷却器设计”,因为上学期老师对传热与换热设备相关容讲得很详细,印象还比较深,加上这学期正好学习了《过程设备设计》。另外,从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性,所以总体来说这次课程设计没有遇到太大的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。 一 数据计算
这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段,这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数,持续了将近一个星期:确定需要求的参数,查资料找公式、标准值等,一步一步进行计算。我在确定传热面积的时候,因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定围,所以又得回去再算一遍,可见在设计过程中,细心是非常重要的,因为它可以减少很多不必要的麻烦。 二 查资料
以前有个错误的认识:查资料嘛,按部就班就可以了,简单!但是这次课程设计却完全改变了我的认识。其实查资料是很讲究技巧的,也是相对比较灵活的。另外,我这次用到的参考资料有将近10种之多,这在之前是难以想象的。 三 AutoCAD绘图
这是第一次尝试用专业绘图软件AutoCAD进行绘图。这个软件我们很熟悉也很陌生,熟悉是因为大一学工程制图时有接触到这个软件,陌生是因为正真会用或用得好的同学是凤毛麟角。但是,没有压力哪来动力,在下定决心之后,马上借来几AutoCAD学习的资料,重温各种操作工具及技巧等。在准备了几天之后才开始正式画图,不断修改,差漏补缺,知道最后完成整个设计图。 四 完成设计说明书
这是最后总结性的阶段。需要对前面的数据进行整理归纳,需要一定的耐心。 耐心、细心、决心——是本次课程设计最大的感受。 最后,再次感柯老师在整个设计过程中给予的悉心指导!
参考文献
【1】钟理, 伍钦,马四朋. 《化工原理(上)》. ,化学工业,2008.8. 【2】《材料与零部件(上)》. 科学技术. 1982.7. 【3】钱颂文. 《换热器设计手册》,,化学工业,2002.8
【4】匡国柱. 《化工单元过程及设备课程设计》. ,化学工业,2002 【5】锦昌. 《计算机工程制图》. ,华南理工大学,2006.8.
【6】津洋,董其伍,桑芝富. 《过程设备设计》. ,化学工业,2009.1. 【7】军. 《化工设备机械基础》. ,化学工业. 2000.
附 录:
1.符号说明
表3 符号说明一览表
符号 W G Q △Tm K
代表意义 流量 质量流速 热负荷 对数平均温度 传热系数 温度修正系数
符号 μ Pr λ α Re r
代表意义 粘度 普兰特准数 热导率 传热膜系数 雷诺数 污垢系数
t
A l N D h
传热面积 管长 管数 壳径 折流板间隔
ft L Sc d P
摩擦阻力系数 管箱长度 流道面积 管径 压强
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