U型管换热器课程设计说明书.docx
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U型管换热器课程设计说明书
U型管换热器课程设计
说明书
设计题目
U型管换热器设计
专业班级建环1001
学生姓名xxxxx
学号XXXXXX
指导教师—XXXXX
日期2013.5.4
一、化工原理课程设计任务书
(换热器的设计)
(1)设计题目:
煤油冷却器的设计
(2)设计任务及操作条件:
1.处理能力:
15万吨/年煤油
2.设备型式:
列管式换热器
3.操作条件:
(1)煤油入口温度125C,出口温度40C;
(2)冷却介质循环水,入口温度25C,出口温度45C;
(3)允许压强降不大于105Pa;
(4)煤油定性温度下的物性数据:
密度为825kg/m3;粘度为:
7.15X10-4Pa.S比热容为:
2.22kJ/(kg.C);导热系数为:
0.14W/(m.C)
(5)每年按330天计,每天24小时连续运行。
(3)设计项目
1传热计算
2管、壳程数的确定及管、壳程流体阻力计算
3管板厚度计算
4U形膨胀节计算(浮头式换热器除外)
5管壳式换热器零部件结构
(4)绘制换热器装配图(A2图纸)
二、换热器的选用
换热器的选用(即选型)的过程大体如下,具体计算可参看列管式换热器设
计中有关内容。
1根据设计任务要求计算换热器的热负荷Q。
2按所选定的流动方式,计算出平均温度差(推动力)△tm及查出温差校
正系数。
若<0.8,应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器
串联。
3依所处理流体介质的性质,凭经验初选一总传热系数Ko(估),并由总传热速率方程计算传热面积S'o:
SO=Q/Ko估厶tm
式中Q热负荷W;Ko(估)凭经验选取的总传热系数W/(m2-K);
△tm平均温度差,C。
4根根据计算出的S'值,查有关换热器系列标准,确定型号规格并列出各结构主要基本参数。
5利用总传热系数关联式计算Ko(计),再由总传热速率方程式求出So(计)o
考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素,应使得所选用
换热器具有的传热面积9留有的裕度io%〜25%,即[(Sd-So(计))/So(计)]=(10%〜25%)。
否则需重新估计一个Ko(估),重复以上计算。
也可依所选用换热器具有的传热面积S3,通过总传热速率方程式求出Ko(选),然后比较K0(选)/Ko(计)之值是否在1.15〜1.25范围。
6计算出管、壳程压力降,验算是否满足要求
三、工艺计算及主要设备设计
1、确定设计方案
1.1选择换热器的类型:
两流体温度变化情况:
煤油进口温度为125C,出口温度40C,冷流体进口温度25C,出口温度45C;设煤油压力为0.3MPa,冷却水压力为0.4MPa。
该换热器用循环冷却水冷却,固定管板式换热器具有结构简单和造价低廉等优点,但它仅适用于壳程流体压强小于0.6MPa,管、壳程壁温温度差小于70C,且管间只能通过清洁流体的场合,因此初步确定选用固定管板式换热器。
1.2流程安排:
由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗,应使循环水走管程,煤油走
壳程。
选用巾25X2.5的碳钢管(换热管标准:
GB8163。
2、确定物性数据:
2.1定性温度:
可取流体进口温度的平均值。
煤油的定性温度为:
T込仝82.5(C)
2
冷却水的定性温度为:
T互£35
2
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在82.5C下的有关物性数
据
循环冷却水在35C下的物性数
据
密度
3
po=825kg/m
密度
pi=994kg/m3
定压比热容
cpo=2.22
kJ/(kg•K)
定压比热容
cpi=4.187kJ/(
kg•K)
导热系数
入o=0.140
导热系数
入i=0.626
W/(m-K)
W/(m-K)
粘度
ao=0.000715
粘度
ai=0.000727
Pa-s
Pa-s
3、估算传热面积3.1计算热负荷和冷却水用量
15100001000
Wh=18939.4(kg/h)
33024
Q=WhCphA10=18939.4X2.22X(125-40)=3.57x106kJ/h=992.7(kW)
忽略换热器的热损失,冷却水用量
Wc亠992736°°10342676.4(kg/h)
Cpcti4.187103(4525)
3.2计算两流体的平均温度差
先按理想逆流传热温度差进行计算,即
匕t2(12545)(4025)(「)
tm「!
厂硏爸38.83(C)
In—In
t24025
3.3温度校正
平均传热温差校正系数:
R=(125-40)/(45-25)=4.25;
P=(45-25)/(125-25)=0.2
由R和P值,按单壳程查温度差校正系数图,得温度校正系数©
°(KI0,20304叱0力0J0.8W13
1\
P
=0.81>0.8,可行。
所以修正后的传热温度差为△tm=^Atm'=0.81x38.83=31.45(C)
3.4初步选型3.4.1传热面积
假设K=300W/俑・K),则估算面积为:
A=Q/(KX△m)=992.7x103/(300x31.45)=105.2(m2)
3.4.2管径和管内流速
换热管选用碳钢管巾25X2.5mm取管内流速u=1.0m/s3.4.3管程数和传热管数
换热管选用普通无缝钢管巾25X2.5mm,管内径d=0.025-2x0.0025=0.02m,于是单程管根数n'为
42676.4/994
0.7850.0221.03600
取n'=38根
按单程管计算,所需的传热管长度为:
3.4.4初选换热器类型与型号
由于Tm-tm=(125+40)/2-(45+25)/2=47.5(C)<50(C),两流体间的
温差不大,不需要温度补偿;但是为了便于壳程污垢清洗,以采用固定管
板式列管换热器为宜,且初步选定的具体型号为G600VI-1.0-100
G600VI-1.0-100的具体参数
壳径/mm
600
管子尺寸
巾25X2.5mm
公称压力/
1MPa
管长/m
6
公称传热面积/m2
100
管子总数
216
管程数
6
管子排列方式
正三角形
壳程数
1
折流挡板形式
弓形折流板
3.4.5传热管排列和分程方法
按单管程设计,传热管过长,宜采用多管程结构,根据本设计实际情况,采用标准设计,现取传热管长为l=6m,则该换热器的管程数为:
NP=L/l=35.2/6=6;传热管总根数:
Nt=38X6=228(根)
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形
排列。
取管心距t=1.25d。
,则t=1.25X25=31.25〜32(mm)
横过管束中心线的管数
Nc=1.1N=1.1228=17根
3.4.6壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率n=0.7,则壳体内径为
1.05t!
圆整可取D=600mm 3.4.7折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去 的圆缺高度为h=0.25X600=150(mr) 折流板间距B=0.4D,则B=0.4X600=240mm 折流板数N二传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24(块) 折流板圆缺面水平装配 3.4.7接管 壳程流体进出口接管: 取接管内煤油流速为u=1.0m/s,则接管内径为: —(418939.y D=f4^J/(3600825)0.090(m),圆整后可取管内径为90mm V5V3.141.0 管程流体进出口接管: 取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为 442676.4d2(3600994)o.1O1(m)=100mm \3.141.5 4.换热器的核算4.1热流量核算 4.1.1壳程表面传热系数; 用克恩法计算: 当量直径,由正三角排列得: 壳程流通截面积: S0BD(1牛)0240.6(1需)=0.0315(m2) 壳程中煤油流体流速及其雷诺数分别为: 36 普朗特数: Pr=^^卫7151011.34; 0.140 0.14 粘度校正: 一1 w 00=0.3601404661.50.5511.34‘3=589.7〔W/俑•K)〕 0.02 4.1.2管内表面传热系数: i0.023」Re0,8Rr0.4di 管程流体流通截面积: S=0.785X0.022X216/6=0.0113(卅) 管程流体流速及其雷诺数分别为: i=426764/(3600994)=1.055(m/s) 0.0113 Re二O.°21.055"4=28849.2 0.000727 普朗特数: pr=4.181037271064.85 0.626 4.1.3污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取: Ko= 1 589.7 0.00034 0.025 0.020 0.0250 5008.10.020 =394 0.00017 5.1.4计算传热系数K(忽略管壁热阻): 计算传热面积Ac: 32 Ac=Q/(KcX^tm)=992.7x10/(394x31.45)=80.11(m)该换热器的实际传热面积A: 2 A=d。 lNt=3.14x0.025x6X(228-17)=99.38(m) 51-5该换热器的面积裕度为: H=^x100%=竝冷严x100%=24.05% 为了保证换热器的可靠性,一般应使换热器的面积裕度大于15%〜25%。 满足此要求,所设计的换热器较为合适传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。 5.2换热器内流体的流动阻力5.2.1管程流体阻力 计算公式如下: △Pt=(△R+APr)NSNPFs; Ns=1,Np=6,Fs=1.5; l2 △R二丄—。 由Re=28849.2,传热管相对粗糙度0.1/20=0.005, di2 莫狄图(下图)得i=0.0338,流速u=1.055m/s,p=994kg/m3,故 △Pi=i丄£i=0.0338—9941.055=5609.18(R); di20.022 22 △Pr=—39941.055=1573(Pa) 22 △Pt=(△Pi+△Pr)FsNs=(5609.18+1573)x6X1.5=64639.62 (R)<105Pa 管程流体阻力在允许范围内 图12«牒按采数只与系诺数R®及相対粗極挖e/"的其条 522壳程阻力 公式有: △FS=(△F0+AP)FsNS 其中Fs=1.15;NS=1; 2 △F0=FfoNtc(Nb+1)*; 又F=0.5, fo=5Reo0.228=5X4661.5-0.228=0.729,Nc=1.1Nt0.5=1.1X228o.5=17 Nb=24;uo=O.2O2m/s 则流体流经管束的阻力: 2 II2 △FO二FfoNc(Nb+1)晋=0.5X0.729X17X(24+1)X825X0.202/2〜 2607.43(Pa) 流体流过折流板缺口的阻力 2 △R=Nb(3.5-2B/D)-u^,其中B=0.24m;D=0.6m;故 2 △R=24X(3.5-2X0.24/0.6)X825X0.2022/2〜1090.69(Fa), 则总阻力: c △Ps=APo+AF^=2607.43+1090.69=3698.12(Fa)<10Pa。 故壳程流 体的阻力也适宜。 综上所诉,该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压降100KPa均 符合要求,所以设计的换热器符合条件 四、设计结果设计一览表 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 参数 管程 壳 程 流率/(kg/h) 42676.4 18939.4 进仙温度「C 25/45 125/40 定性温度/C 35 82.5 密度/(kg/m3) 994 825 物 定压比热容/ /kJ/ /kg•K)) 4.18 2.22 性 粘度((Pa-s) 0.000727 0.000715 热导率/: w/ /m•K)〕 0.626 0.140 普朗特数 4.85 11.34 设 形式 固定管板式 台数 1 备 壳体内径/mm 600 壳程数 1 结 管径/mm 巾25X2.5 管心距/mm 32 构 管长/mm 6000 管子排列 △ 参 管数目/根 216 折流板数/个 24 数 传热面积/m2 100.0 折流板间距/mm 240 管程数 6 材质碳钢 主要计算结果 管程 壳程 流速/(m/s) 1.055 0.202 表面传热系数/〔w/(m2•K)〕 5008.1 589.7 污垢阻力/(w/m2•K) 0.00034 0.00017 阻力/MPa 0.06 0.0056 热流量/kW 992.7 传热温差/C 31.45 传热系数/〔w/(m2•K)〕 394 裕度/% 24.05 五、辅助设备的计算和选型 5.1封头(JBT4729_94) 标准椭圆形封头的几何形状如附图1所示。 形成这种封头的母线是由14 椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑连接而成,故它由半个椭圆球和一个 高度为h0的圆柱短节(称它为封头的直边部分)构成。 附表1所列椭圆封头尺寸与质量,摘自JBT4729_94标准。 1B)外控为处称虫& 附图1标准椭圆形封头 椭圆封头尺寸与质量(摘自JBT4729_94) 公称程径mm 曲面高度 mm 直边冉度 inin 内表面飙 F nr 容积 V 吗度 0 mm G 600 150 2? 0.438 0.03? 3 10 4 14 17 6 21 8 28 40 0.466 0.040 10 38 12 处 5.2压力容器法兰(TB4702—92) 压力容器法兰(TB4702—92)的类型有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。 用于不锈钢容器时,法兰端面焊有不锈钢衬环。 就法兰的密封面来说,又有平密封面、凹凸密封面和榫槽密封面之分。 5.3鞍式支座(JBT4712-92) 卧式容器的支座常用鞍式支座,简称鞍座。 它是由底板、腹板、筋板和垫板四种板组焊而成的焊制鞍座;或其中腹板与底板由同一块钢板弯制的弯制鞍座.这次设计采用重型弯制鞍座。 DN500〜900鞍座尺寸(JBT4712—92)mm 直径 允许 “kN 高度 h 底楣 £ 枝廉质晴kg 堵加 100mm高度增加的M慣ka A th ■5i k 忸长 0 带第 V-ir 临阪 1? 9 46Q 150 10 2X) 120 * 200 56 刑 J 550 163 510 275 650 360 ■^2 17 5 600 啼 >50 3W 7|fl 4QQ ;4 18 650 167 200 旳0 325 770 43€ 26 1» 5 700 170 640 350 和0 460 21 2X#20 F型配M16WttS® DN500〜900mm的型鞍式支座 DN500〜900mm的型弯制鞍式支座 5.4管板 焊接管板的最小厚度取决于焊接工艺及管板焊接变形的要求,对于固定管 rzm 板式换热器的管板结构见图1_12,主要尺寸见表1_12。 p.】OMPa 表I12阂定簣掖式氓热壽的管板〒卷尺寸 公称百禅 D />. 。 =D /> h J 攜丨{1数 殒玳M也括村环)/kg 单段 二親 四秤 ■>7 R沸器 5.5拉杆与定距管 折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。 拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆,一端拧入管板,折流板就穿在拉杆上,各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离,最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。 拉杆直径及数量可依换热器壳体内直径选定,各种尺寸换热器的拉杆直径和拉杆数,可参考表1_17选取。 定距管通常采用与换热管材料、直径相同的管子。 表I」了拉轩直径与最小拉杆数 拉杆直径/mm 戴小R杆數 200-250 10 4 27S.400t500.600 12 4 500.101X) 12 6 1200 12 g >1250 12 10 5.6折流板 安装折流板的目的,是为了加大壳程流体的湍流速度,使湍流程度加剧,提高壳程流体的对流传热系数。 在卧式换热器中折流板还起到支承管束的作用。 常用折流板有弓形(或称圆缺形)和圆盘一圆环形两种。 弓形折流板结构简单,性能优良,在实际中最为常用。 折流板直径De取决于它与壳体之间间隙的大小。 间隙过大时,流体由间隙流过而根本不与换热器接触;间隙过小时又会引起制造和安装上的困难。 折流板直径De与壳体内直径Di间的间隙可依表1_13中所列数值选定。 壳怵内直径n/mm ^25 400 >00 600 700 间滋/ram 2.0 3,0 15 3,5 40 壳休内宜轻dJmm 800 900 1000 1100 1200 冋曲/min 4.0 4,? 4.5 4,5 4.5 六、设计评述 本次化工课程设计是对列管式换热器的设计,通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实,本列管式换热器的设计可以说基本完成了。 一开始接到这个任务很迷茫,因为本来对换热器的设计这个概念就不清楚,而且对于画图一直也是我的弱项,所以心情很浮躁,过去了几天还是毫无头绪。 后来在答疑课上借到了上届的作业,开始一步一步地研究。 课程设计需要学生自己做出决策,自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算,并要对自己的选择做出论证和核算,经过反复的分析比较,择优选定最理想的方案和合理的设计。 所以,课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。 换热器的设计主要是核算比较麻烦,而且计算时遇到很多麻烦,关于管程壳径等概念很模糊,设计过程中遇到的麻烦很多,也正是因为这样,我开始不断地查阅资料问问题,突然间觉得自己虽然学过这些知识,但是 还是有很多的疑问。 也正是因为不断地发现问题分析问题解决问题,才提高自己的理解和学习能力。 通过这次设计我了解了换热器的工艺流程,知道了各种换热器的优缺点,通过一次次地计算,对于换热器的型号的选择依据有了更深刻的理解。 第二周开始作图,一开始面对A1的纸却不敢下笔,不敢画页不知道该怎么画,于是先画了个边框,接着在图书馆找了一下午资料,才知道自己知道的只是冰山一角,第二天在宿舍呆了一天去查法兰还有支座的尺寸和型号。 在画图的时候一边画一边问,在大家的讨论中明白了很多,也找出了自己很多的错误。 虽然现在自己的说明书和图还有很多的问题,图纸的线条不够清晰,有些线条甚至是画斜了,但是从这次课程设计中我懂了很多,不仅是换热器的只是,还学到了很多课本上没有的,知道不耻下问,知道坚持不懈,知道静下心来去做事。 七、参考资料 [1: 匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京: 化工工业出 版社,2002 [2: 姚玉英.化工原理.天津: 天津: 大学出版社,1999 [3: 刘巍.冷换设备工艺计算手册.北京: 中国石化出版社,2003 [4: 黄璐、王保国.化工设计.北京: 化学工业出版社,2001 [5: 谭天恩等.化工原理.北京: 化学工业出版社,2006 [6: 董振珂.化工制图.北京化学工业出版社,2001 [7: 王非、林英.化工设备用钢.北京: 化学工业出版社,2003 [8: 秦叔经、叶文邦.换热器.北京: 化学工业出版社,2002 [9: 李克永.化工机械手册.天津: 天津大学出版社,1991 [10: 贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.北京: 化学工业出版社,1989 八、主要符号说明 P—— 压力,Pa; Q ――传热速率,W R—- —热阻,怦•K/W; Re ――雷诺准数; s— 传热面积,怦; t ――冷流体温度,c; T—— -热流体温度,c; u 流速,m/s; qm_ ――质量流速,kg/h; h――表面传热系数W/(K); 粘度,Pa•s; ――校正系数。 r H—— —扬程,m A—— 2 -实际传热面积,m Pr NB— 板数,块 K qv_ -—体积流量 N Np- —管程数 l Kc— —传热系数,W/(m-K) 密度,kg/m3; ——转速,n/(r/min) (NPSH)r—必须汽蚀余量,m ――普郎特系数 ――总传热系数,W/(K) t管数,根 管长,m △tm――平均传热温差,C
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