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第二章列管式换热器的设计计算
第一节换热面积的估算
一、计算热负荷
二、估算传热面积
第二节换热器及主要附件的试选
一、试选管型号
二、换热器结构一些基本参数的选择
第三节换热器校核
一、核算总传热系数
二、核算压强降
第四节设计结果一览表
第五节设计总结及感想
一、设计总结
二、感想
参考文献
第一章文献综述(略)
第二章列管式换热器的设计计算
第一节换热面积的估算
一、计算热负荷(不考虑热损失)
由于设计条件所给为无相变过程。
由设计任务书可知热负荷为
Q=w原油Cp原油(t2-t1)=(50000/3600)×
2.20×
1000×
(110-70)=1222222W.
由热量守恒可计算柴油出口温度T2
Q=w柴油Cp柴油(T1-T2)=(38000/3600)×
2.48×
(175-T2)=1222222W
T2=128.31℃
二、计算平均温度差:
Δt1=175-110=65℃
Δt2=128.31-70=58.31℃
逆流温度差
℃
三.确定流体走向
由于原油温度低于柴油,为减少热损失和充分利用柴油的热量,选择原油走壳程,柴油走管程。
四.换热面积估算
由《化工原理课程设计》的表4-6,取K估=200W/(m2·
℃).
先假设换热器为单管程、单壳程的,且冷热流体逆流接触。
则
A估=Q/(K估×
Δtm逆)=1222222/(200×
61.6)=99.2m2.
预先估算传热面积为99.2m2。
五、选柴油的流速为u1=1m/s
取换热管的规格为Φ25×
2.5mm碳素钢管(8.3kg/6m)。
估算单管程的管子根数
=
=47.02≈47根。
根据传热面积A估计算管子的长度L’,有
式中:
d1----换热管的内径,为0.02m
d0----换热管的外径,为0.025m
五、管程数Nt的确定
由于L’数值太大,换热器不可使用单管程的形式,必须用多管程。
我们选择管程的长度为6m,则Nt=L’/6=27/6=4.5≈4.(管程数通常选择偶数)
六、校正温度差
R=(T1-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167
P=(t2-t1)/(T1-t1)=(110-70)/(175-70)=0.381
根据R,P的值,查化工原理教材中图4-25(a),得温度校正系数
φ=0.91>
0.9,说明换热器采用单壳程,四管程的结构是合适的。
Δtm=φ×
Δtm逆=0.91*61.6=56.06℃。
七、求实际换热面积A实际
换热管数为n’×
Nt=47×
4=188根。
A实际=L×
(π×
d0)×
n’=6×
(3.14×
0.025)×
188=88.55m2.
实际换热面积为88.55m2.
八、选择换热器壳体尺寸
选择换热管为三角形排列,换热管的中心距为t=32mm。
横过管束中心线的管数:
最外层换热管中心线距壳体内壁距离:
b'
=(1——1.5)d0,此处b’取一倍d0,即b'
=0.025m
壳体内径:
圆整后,换热器壳体圆筒内径为D=550mm,壳体厚度选择8mm。
长度定为5996mm。
壳体的标记:
筒体DN550δ=8L=5910。
筒体材料选择为Q235-A,单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为110*(5.910-0.156)=632.94kg。
(波形膨胀节的轴向长度为0.156m,见本设计设备图)
九、确定折流挡板形状和尺寸
选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板,直径为540mm,厚度为6mm。
缺口弓形高度为圆形板直径的约1/4,本设计圆整为120mm。
折流挡板上换热管孔直径为25.6mm,共有188-22-13/2=159.5个;
拉杆管孔直径为16.6mm,每个折流挡板上有4个。
折流挡板上的总开孔面积=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2。
折流挡板的实际面积=191126.3264-82963.2972=108163.0292mm2,重量为5.1kg。
选择折流挡板间距h=400mm。
折流挡板数NB=L/h-1=6000/400-1=14块.换热管排列的横截面如下图所示:
图中圆环形的剖切面表示换热器壳体的剖面.换热管分为四个管程,每个管程47根换热管(图中各个小菱形的顶点表示换热管横截面的中心).图中8个”十”字形表示拉杆的开孔,拉杆直径为16mm.
十、波形膨胀节
冷流体原油为黏度较高的流体,其定性温度为(110*0.4+70*0.6)=86℃;
热流体柴油的定性温度为(175*0.5+128.31*0.5)=87.5+64.155=151.66℃.冷热流体的定性温度差=151.66-86=65.66℃>
50℃,所以换热器壳体上要安装波形膨胀节。
波形膨胀节的壁厚与壳体相同,为8mm。
根据换热器壳体的公称直径550mm,可知波形膨胀节的公称直径也是550mm,根据公称直径,查《化工设备机械基础》(化学工业出版社,2008)书中表16-9的对应条目,获得波形膨胀节的具体尺寸(见换热器设备图)。
单个波形膨胀节的质量=4579586.3154mm3×
7.8×
10-3×
10-3kg·
mm-3=35.721kg。
十一、传热系数K的计算
1.管程对流传热系数αi
换热管内柴油流速:
雷诺数
,
普兰德数
柴油的黏度小于常温水黏度的两倍,是低黏度液体,且是被冷却,所以
w/(m2·
℃)
2.壳程对流传热系数αo
壳程流通截面积:
m2
壳程流速:
换热管为三角形排列,壳程的当量直径为
原油被加热,所以
3.污垢热阻
根据设计任务书,两侧的污垢热阻Rso=Rsi=1.72×
10-4m2·
℃/W。
4.总传热系数Ko
;
取管壁λw=45w/(m·
=287.2w/(m2·
A需要=Q/(Ko×
Δtm)=1222222/(287.2×
56.06)=75.91m2.
面积裕量:
〉15%
符合换热器设计规范的要求。
十二、压强降的计算
1.管程压强降
已知管程直管的绝对粗糙度ε=0.1mm,则ε/d1=0.1/20=0.005,雷诺准数
,查摩擦系数图1-28,得到λ=0.035,所以,每程直管的压降:
.75Pa;
柴油在每管程中局部阻力导致的压强降按经验公式计算如下:
Pa;
一般地,流体流经换热器进出口导致的压强降可以忽略。
对于Φ25×
2.5的换热管,结垢校正系数Ft=1.4;
因为是单壳程、四管程的换热器,所以Ns=1,Np=4;
Pa<
30000Pa,
符合任务书的要求。
2.壳程压强降
流体横过管束的压强降:
管子排列方法对压强降的校正因数F=0.5(正三角形排列);
壳程流体的摩擦系数fo,当Re2〉500时,fo=5.0×
Re2-0.228=5.0×
1943-0.228=0.89;
横过管束中心线的管子数nc=15;
折流板数NB=14;
壳程流速u2=0.354m/s;
ρ原油=815kg/m3
=5113Pa;
流体通过折流板缺口的压强降:
折流板间距h=400mm=0.400m;
壳体内径D=550mm=0.550m
=1462Pa
壳程总压降:
对于液体壳程压强降的结垢校正系数Fs=1.15;
壳程数Ns=1
=7561Pa<
30000Pa.符合任务书的要求。
十三、主要附件的选择
1.接管及法兰的选型
1)管口A
管口A为柴油出口。
①接管管径的确定:
流量为38000kg/h,密度为715kg/m3,相当于q=38000/715/3600=0.01476m3/s。
柴油为低粘度流体,在接管中的合理流速u=1——2m/s。
本设计取u=1m/s。
则接管的内径=
=0.1371m=137mm。
接管的外径选择为159mm,壁厚选择为4.5mm,材质为20钢,每米管子的重量17.14kg(GB-T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差)。
②接管长度的选择:
接管的长度L选择150mm,则重量为2.6kg。
接管的标记:
接管Φ159×
4.5L=150
③接管法兰的选择:
查《大学工程制图》(华东理工大学出版社,2005)表14-5,接管外径dH=159mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=150mm。
选择公称压力PN=0.6MPa的突面法兰,材料为Q235-A,标记为:
HG20592法兰PL150(B)-0.6RFQ235-A。
重量为5.14kg。
该法兰有8个均布在外周的螺孔,使用8个M16螺栓、螺母、垫片与工艺管道连接。
2)管口B
管口B为原油出口。
原油的流量为50000kg/h,密度为815kg/m3,相当于q=50000/815/3600=0.01704m3/s。
原油在接管中的合理流速u=1——2m/s。
=0.147m=147mm。
选择接管的外径、壁厚、材质、长度和接管法兰都与管口A的相同。
3)管口C
管口C为排气口。
接管的外径选择32mm,壁厚选择为3.5mm,材质为20钢,每米管子的重量2.46kg(GB-T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差)。
接管的长度L选择150mm,则重量为0.369kg。
接管Φ32×
3.5L=150
查《大学工程制图》(华东理工大学出版社,2005)表14-5,接管外径dH=32mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=25mm。
HG20592法兰PL25(B)-0.6RFQ235-A。
该法兰有4个均布在外周的螺孔,使用4个M10螺栓、螺母、垫片与配套的法兰盖装配。
4)管口D
管口D为原油进口。
接管、法兰与管口A和B的完全相同。
5)管口E
管口E为排污口。
接管的外径选择57mm,壁厚选择为3.5mm,材质为20钢,每米管子的重量4.62kg。
接管的长度L选择150mm,则重量为0.693kg。
接管Φ57×
查《大学工程制图》(华东理工大学出版社,2005)表14-5,接管外径dH=57mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=50mm。
HG20592法兰PL50(B)-0.6RFQ235-A。
重量为1.51kg。
该法兰有4个均布在外周的螺孔,使用4个M12螺栓
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