化工原理课程设计--用水冷却煤油产品的列管式换热器的设计Word文档下载推荐.doc
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40℃
压强降:
≤1.5105pa
(2)冷却水
10℃出口温度:
30℃
(3)每年按330天计算,每天24小时连续运行
3、设计项目
(1)选择适宜的列管式换热器并进行核算
(2)传热计算
(3)管、壳程流体阻力计算
⑷管板厚度计算
⑸绘制列管式换热器的装配图
目录
中文摘要1
第一章绪论2
1.1换热器介绍2
1.2换热器的用途2
1.3换热器的优点2
1.4换热器的应用2
1.5几种常用换热器介绍2
1.5.1板式换热器2
1.5.2管壳式换热器3
1.5.3板翅式换热器3
第二章设计方案简介3
2.1选择换热器的类型3
2.2管程安排3
2.3流向的选择3
第三章确定物性数据3
第四章工艺计算及主要设备设计4
4.1计算热负荷和冷却水流量4
4.2计算两流体的平均温度差4
4.3估算传热面积5
4.4换热器规格6
4.4.1管径和管内流速6
4.4.2管程数和传热管数6
4.4.3传热管排列和分程方法6
4.4.4壳体内径6
4.4.5折流板6
4.4.6接管6
4.5热流量核算7
4.5.1课程表面传热系数7
4.5.2管程对流传热系数8
4.5.3污垢热阻和管壁热阻9
4.5.4传热系数9
4.5.5传热面积裕度10
4.6换热器内流体的流动阻力10
4.6.1管程流体阻力10
4.6.2壳程流体阻力11
结论12
结束语13
参考文献14
主要符号说明14
摘要:
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
所需材质,可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。
在进行换热时,一种流体由封头的连结管处进入,在管流动,从封头另一端的出口管流出,这称之管程;
另-种流体由壳体的接管进入,从壳体上的另一接管处流出,这称为壳程列管式换热器。
为了克服温差应力必须有温差补偿装置,一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时,为安全起见,换热器应有温差补偿装置。
但补偿装置(膨胀节)只能用在壳壁与管壁温差低于60~70℃和壳程流体压强不高的情况。
一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿的作用,就应考虑其他结构。
关键词:
列管式换热器;
流体;
壳程;
管程;
封头
第一章绪论
1.1换热器介绍
换热器是以两种不同温度的流体进行热量交换的设备,又称热交换器。
换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料,因此,要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。
它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。
但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点,用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵,不锈钢则难耐许多腐蚀性介质,并产生晶间腐蚀。
1.2换热器的用途
换热器的作用可以是以热量交换为目的。
即在确定的流体之间,在一定时间内交换一定数量的热量;
也可以是以回收热量为目的,用于余热利用;
也可以是以保证安全为目的,即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。
换热器的作用不同,其设计、选型、运行工况也各不相同。
1.3换热器的优点
换热器的热损失要少,换热效率要高;
流动阻力要小;
要有足够的机械强度,抗腐蚀和抗损坏能力要强,维护工作量要少;
结构要合理,工作要安全可靠,即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂;
要便于制造、安装和检修;
经济上要合理,设奋全寿命期的总投资要少,生活热水系统的换热器应易于清除水垢,以上要求常常相互制约,难于同时满定,因此应视具体情况,在换热器的选型和设计中有所侧重,满足工程对换热器的主要要求。
因为换热器故障率较低,并且供暖为季节性负荷,有足够的检修时间,生活热水系统暂停供热也不会造成重大影响,所以可不设备用换热器。
换热器台数的选择和单台能力的确定应适应热负荷的分期增长,并考虑供热的可靠性。
1.4换热器的应用
换热器的应用广泛,日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等,都是换热器。
它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。
它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度,同时也是提高能源利用率的主要设备之一。
1.5几种常用换热器介绍
1.5.1板式换热器:
板式换热器主要由传热板片、固定盖板、活动盖板、定位螺栓及压紧螺栓组成得新型高效换热器,板片之间用垫片进行密封。
由于板片表面的特殊结构,能使流体在低流速下发生强烈湍动,从而强化了传热过程。
1.5.2管壳式换热器:
管壳式换热器又称列管式换热器。
是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。
这种换热器结构较简单,操作可靠,可用各种结构材料(主要是金属材料)制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类型
1.5.3板翅式换热器:
通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。
在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层,称为通道,将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来,钎焊成一整体便组成板束,板束是板翅式换热器的核心,配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。
第二章设计方案简介
换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备,故又称热交换器。
它是化工、炼油、动力和原子能及许多工业部门广泛应用的一种通用设备,是保证工艺流程和条件,利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。
在化工厂换热器约占总投资的10~20%;
由于工艺流程不同,生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。
通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体,以满足工艺需求。
2.1选择换热器的类型
两流体温度的变化情况:
热流体进口温度120℃出口温度40℃;
冷流体进口温度10℃,出口温度30℃,该换热器用循环冷却水冷却,冬季时其进口温度会降低,考虑这一因素,估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大,因此初步确定选用带有膨胀节的固定板管式换热器。
2.2管程安排
从两物流的操作压力看,应使煤油走管程,循环冷却水走壳程,但由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降,所以从总体考虑,应使循环水走管程,煤油走壳程。
2.3流向的选择
当冷、热流体的进出口温度相同时,逆流操作的平均推动力大于并流,因而传递同样的热流体,所需的传热面积较小。
逆流操作时,冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。
显然在一般情况下,逆流操作总是优于并流。
第三章确定物性数据
定性温度:
对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
管程冷却水的定性温度为:
t==20(℃)
壳程煤油的定性温度为:
T==80(℃)
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
定性温度下流体的物性,见表1:
表1定性温度下流体的物性
密度/
比热容
黏度
热导率
煤油
812
2.08
0.000725
0.141
水
998
4.18
0.001005
0.599
第四章工艺计算及主要设备设计
4.1.计算热负荷和冷却水流量
=1.188108/(33024)=15000kg/h
热负荷量:
=
=150002.08103(120-40)
=2.496109kg/h=693333
冷却水量:
=
=
=29856kg/h=8.29kg/s
4.2.计算两流体的平均温度差
暂按单壳程、多管程进行计算。
逆流时平均温度差:
热流体(煤油)140℃→40℃
冷流体(水)30℃←10℃
110℃30℃
=T1-t2=120-30=90℃
=T2-t1=40-10=30℃
逆流时的平均温差为:
而
查温差校正系数有关图表(见图1)可得:
平均传热温差:
℃
由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取2壳程换热器合适。
图1对数平均温度差校正系数
4.3估算传热面积
由常用《化工单元设备设计》表1-6,查的水与煤油之间的传热系数在290-698W/(m2.℃),假设K=600估算传热面积为:
S==693333/(60046.42)=24.89㎡
4.4.换热器规格
4.4.1.管径和管内流速选用Φ25×
2.5较高级冷拔传热管(碳钢),取管内流速u1=1.0m/s。
4.4.2.管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数
Ns=根
按单程管计算,所需的传热管长度为
L=11.75m
按单程管设计,传热管过长,宜采用多管程结构。
根据设计实际情况,采用非标设计,现取传热管长l=3m,则该换热器的管程数为
Np=
传热管总根数Nt=27×
4=108根
4.4.3.传热管排列和分程方法采用组合排列法,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=1.25d0,则t=1.25×
25=31.25=32㎜
横过管束中心线的管数nC=1.19×
10.3=13根
4.4.4.壳体内径采用多管程结构,取管板利用率η=0.7,则壳体内径为:
圆整可取D=1.05t
按卷制壳体的进级档,可取D=500mm
4.4.5.折流板采用弓形折流板,去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:
H=0.25×
500=125mm,故可取H=150mm
取折流板间距B=0.3D,则h=0.3×
500=150mm,可取h为150mm。
折流板数目NB=块
4.4.6接管
表2管壳式换热器中常用的流速范围
介质
流速
循环水
新鲜水
一般液体
易结垢液体
低粘度油
高粘度油
管程流速(m/s)
1.0-2.0
0.8-1.5
0.5-3
>1.0
0.8-1.8
0.5-1.5
壳程流速,(m/s)
0.2-1.5
>0.5
0.4-1.0
0.3-0.8
表3管壳式换热器中不同黏度液体的常用流速
液体黏度,
>
1500
1500-500
500-100
100-35
35-1
<
1
最大流速,m/s
0.6
0.75
1.1
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