换热器设计报告.docx
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换热器设计报告
化工流体传热课程设计任务书
(一)设计题目:
真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计
(二)设计任务及条件
1、蒸发系统流程及有关条件见附图。
2、系统生产能力:
85万吨/年。
3、有效生产时间:
300 天/年。
4、设计内容:
Ⅰ效预热器(组)第1台预热器的设计。
5、卤水分效预热器采用单管程固定管板式列管换热器,试根据附图中卤水预热
的温度要求对预热器(组)进行设计。
6、卤水为易结垢工质,卤水流速不得低于 0.5m/s。
7、换热管直径选为 Φ38×3mm。
8、卤水物性参数随温度的变化,当手册查不到时,可按水的变化规律推算。
(三)设计项目
1、由物料衡算确定卤水流量。
2、假设 K 计算传热面积。
3、确定预热器的台数及工艺结构尺寸。
4、核算总传热系数。
5、核算压降。
6、确定预热器附件。
7、设计评述。
(四)设计要求
1、根据设计任务要求编制详细设计说明书。
2、按机械制图标准和规范,绘制预热器的工艺条件图(2#),注意工艺尺寸和
结构的清晰表达。
设计流程图
1
确定物性常数,传热量、蒸汽流量及平
均温差,确定换热器类型及流体流动空
间
①
估计传热总数,计算传热面积初值计算
②
选择传热管参数,并计算管程相应参数
③
估计冷凝传热系数
④
计算管内传热系数
核算冷凝传热系数
计算
值与
假定
值相
差较
大
计
算
值
与
假
定
值
相
差
较
大
⑤
总传热系数核算
⑥
计算值与假定值
相差不大
折流板计算
⑦
壳侧压降和管侧压降计算。
⑨
确定换热器基本尺寸
2
⑩
计算换热器其余零件
第 1 章设计简介----------------------------------------------------------4
第 2 章热力学计算-------------------------------------------------------5
2.1 由物料衡算确定卤水流量---------------------------------------5
2.2 假设 K 计算传热面积--------------------------------------------5
2.2.1 热力学数据的获取------------------------------------------5
2.2.2 估算传热面积------------------------------------------------6
2.2.3 工艺尺寸的计算---------------------------------------------6
2.2.4 核算总传热系数---------------------------------------------8
2.2.5 核算压降------------------------------------------------------9
2.3确定预热器附件------------------------------------------------10
2.4泵的选用---------------------------------------------------------12
2.5换热器主要结构尺寸和计算结果---------------------------13
第 3 章设计评述-------------------------------------------------------14
第 4 章主要符号说明-------------------------------------------------16
第 5 章参考文献-------------------------------------------------------17
3
第一章设计简介
在工程中,将某钟流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备,称
为换热器,又叫热交换器。
在这种设备中,至少有两种温度不同的流体参与传
热。
在工业生产中,换热器的应用极为普遍,例如动力工业中锅炉设备的过热器,
省煤器,空气预热器,电厂热力系统中的凝汽器,除氧器;冶金工业中的高炉
的热风炉,炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热;制冷工业中蒸汽压缩制
冷机或吸收式制冷机中的蒸发器;都是换热器的应用实例。
在化学工业和石油
化学工业的生产过程中,应用换热器的场合更是不胜枚举。
在航天航空工业中,
为了及时取出发动机及辅助动力装置在运动时所产生的大量热量,换热器也是
不可缺少的重要部件。
另外,由于世界上煤油,石油和天然气资源的储量有限而面临着能源短缺的
局面,各国都在致力于新能源的开发,因而热交换器的应用又与能源的开发与
节约紧密联系。
所以,换热器的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机
械制造、食品、医药及航空航天等各个部门。
根据换热器在生产中的低位和作用,它应满足多种多样的要求。
一般来说,
对其基本要求有:
(1) 满足工艺过程所提出的要求,热交换强度高,热损失少,在有力的平
均温度下工作。
(2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构,制造简单,
装修方便,经济合理,运行可靠。
(3) 设备紧凑。
(4) 保证较低的流动阻力,以减少换热器的动力消耗
这次设计的换热器要求单管程固定管板式列管换热器,以二次蒸汽为加热流
体预热卤水,将卤水由 83 摄氏度加热到 91 摄氏度
通过对换热器的设计,达到让学生了解换热器的结构特点,并能根据工艺要
求选择适当的构最共完成图纸。
可以说,这次设计作业从准备材料,估算,核算,到最后的作图,多方面的
4
年产量(纯
NaCl)
80 万吨/年
工作时间
300 天/年
卤水中 NaCl 含量
293.76g/L
第一效体积分率
28%
锻炼的学生们的设计能力,于此同时,还提高了团队合作能力。
第 2 章热力学计算
2.1 由物料衡算确定卤水的流量
由表格 2-1 知数据如下
根据任务书的要求,氯化钠的年产量为 85 万吨/年,根据公式进行计算得:
W总 =
85 ⨯1149 ⨯107
293.76 ⨯ 300 ⨯ 24 ⨯ 3600
= 128.2kg/s
从图中可以看出进入第三效的卤水流量 F 为:
Wc = W总⨯ 28% = 35.9kg/s
2.2 假设 K 计算传热面积
2.2.1 热力学数据的获取
(1)冷流体卤水的定性温度:
入口温度:
t1 = 83℃出口温度:
t2 = 91℃
循环水的定性温度为 tm =
t1 + t2
2
= (83 + 91)
2
= 87 ℃
查询数据得表 2-2:
表 2-2卤水的物理性质表
温度,密度,恒压热容粘度导热系数
℃kg/ m
3
kJ/(kg·K) mPa·s w/(m·℃)
5
871149.63.421.90.62
(2) 饱和水蒸汽的热力学性质
从图中我们看出第三效的加热蒸汽是 198.6kpa,通过查表得到此时的饱和水蒸
汽温度为 T=120℃,汽化热为 r =2204.6kJ/kg
2.2.2 估算传热面积
(1)计算传热量
Q = WcC p,c (t2 - t1) = 35.9 ⨯ 3.42 ⨯103 ⨯ 8 = 0.98⨯106 w
(2)水蒸气耗量
Wh =
Q
r
=
0.98⨯106
2204.6 ⨯103
= 0.44kg / s
(3)计算有效平均温度差
∆tm =
(T - t2 ) - (T - t1)
ln
= 32.8℃ 、
(4) 流体流经的选择冷流体卤水不洁净并且易结垢,所以走管程,便于清洗。
热流体为饱和水蒸气,宜走壳层以便于及时排除冷凝液,且蒸汽结晶,一般不
清洗。
(5) 估算传热面积
根据经验选取 K=1000 w /(m2 ⋅℃) 估算传热面积:
S =
Q
2.2.3 工艺尺寸计算
(1)管径与管内流速的确定根据设计说明书要求,选用 ø38×3mm 较高级不
锈钢传热管,管内流速取 u=0.6m/s。
(2)管长与传热管数选用 L=6m 的管长。
根据流量与流速确定管数:
n =
π
4
V
2
=
π
4
35.9 1149.6
⨯ (0.032)2 ⨯ 0.6
≈ 65
因此,实际换热面积为
S = nπdL = 65⨯ 3.14 ⨯ 0.038⨯ 6 = 46.53m2
采用此换热器,则要求过程的总传热系数为
6
K =
Q
S ⋅ ∆tm
=
0.98⨯106
46.53⨯ 32.8
= 642.1W /(m2 ⋅℃)
(3)平均温度差校正及壳程数
平均温度差校正系数有:
R=0
查参考文献有
P =
91- 83
120 - 83
ε ∆t = 1.0
由于平均温度差校正系数大于 0.8,同时壳层流体流量比较大,所以采用单壳
层合适。
(4)壳体内径
根据壳体内径公式
D = t(nc -1) + 2b'
其中 t=1.25 外管径,管子按正三角形排列时,横过管数中心线管的根数
nc = 1.1 n = 1.1⨯ 65 ≈ 9
b’=1.25 倍外管径
由此,算的壳体外径 D = 475mm
进行圆整,得外径 500mm
综上,立式单管程固定管板式列管式换热器的规格如下:
公称直径..................500mm
公称换热面积...............46.53 m2
管程数....................1
管数 n...................65
管长 L...................6m
管间距..................47.5mm
管子直径................ Φ38⨯ 3mm
管子的排列方式..................正三角形
7
(5)折流挡板结构的设计
本设计采用弓形挡板,弓形折流板圆缺高度为壳体外径的 20%,即
h = 0.2 ⨯ 475 = 95mm ,折流挡板间距取 B=600mm,所用到的板数 N =
2.2.4 核算总的传热系数
(1)管程对流传热系数
L
B
-1 = 9
αi = 0.023
λ
di
Re0.8 Pr 0.4
其中
Rei =
diuρ
μ
=
32 ⨯10-3 ⨯ 0.6 ⨯1149. 6
1.9 ⨯10-3
= 11617
Pr =
cpμ
λ
=
3.42 ⨯103 ⨯1.9 ⨯10-3
0.62
= 10
所以
αi = 0.023⨯
0.62
0.032
⨯116170.8 ⨯100.4 = 2000W /(m2 ⋅℃)
(2)污垢热阻和管壁热阻
根据查表,得管程壁面的污垢热阻 Rsi = 1.72 ⨯10-4 (m2 ⋅℃)/W ,
壳程壁面的污垢热阻 Rso = 0.86 ⨯10-4 (m2 ⋅℃)/W ,根据换热器不锈钢材质可以
查出管壁的导热系数 λ = 17.45W /(m2 ⋅℃)
(3)壳程对流传热系数
1
⎡ rρ 2 gλ3 ⎤ 4
⎥
其中蒸汽温度 ts =120℃,壁温 tw 需要通过估算来求解,估算公式为
t0 - tw
1
αo
=
tw - ti
1
αi
假设α0 ,带入计算,从而求解出壁温数值。
然后将壁温值带入再求壳程对流传
8
热系数,通过循环计算,使得壁温和壳程对流系数相对应。
通过计算,求的:
tw = 110.2 ℃,
α0 = 5045W /(m2 ⋅℃)
(其中,饱和水的定性温度为 115℃,物性参有
ρ = 948.6kg / m3, λ = 0.685W /(m ⋅℃),μ = 26.5⨯10-5 Pa ⋅ s
(4) 总传热系数 K
K核 =
d0
αidi
+
Rido
d
+
1
bd0
λdm
+ Ro +
1
α0
= 787.4W /(m2 ⋅℃)
K核/K选 = 787.4/642.1 = 1.23
所以换热器是合适的,安全系数为 22.6%
2.2.5核算压力降
(1) 管程压降
∑ ∆pi
= (∆p1 + ∆p2 )F Ns N p
其中
F = 1.5, Ns = 1, N p = 1
对于不锈钢,取管壁粗糙度 ε = 0.2mm
ε
di
=
0.2
32
= 0.00625
有 λ - Re 图中差查的 λ = 0.04
∆p1 = λ
L ρui
di 2
2
= 0.04 ⨯
6
0.032
⨯
1149.6 ⨯ 0.62
2
= 1551.96Pa
∆p2 = 3⨯
ρui2
2
= 3⨯
1149.6 ⨯ 0.62
2
= 620.78Pa
故
∑ ∆pi
= (∆p1 + ∆p2 )F Ns N p = (1551.96 + 620.78) ⨯1.5⨯1⨯1 = 3259.11Pa
9
(2)壳程压降
∑ ∆p
o
' '
Ns = 1, Fs = 1
流体流经管束的阻力
'
管子为正三角形排列 F=0.5
ρu02
2
壳程流通面积
S0 = B(D - ncd0 ) = 0.6(0.5 - 9 ⨯ 0.038) = 0.0948m2
壳程流体流速及其雷诺数分别为:
uo =
Vs
So
=
0.44
1.127 ⨯ 0.0948
= 4.12m / s
Re0 =
dou0ρ气
μ气
=
0.038⨯ 4.12 ⨯1.127
0.000023
= 7671
fo = 5.0 Reo
-0.228
= 5.0 ⨯ 7671-0.228 = 0.65
'
流体通过折流板缺口的阻力
N B = 9
1.127 ⨯ 4.122
2
= 279.78Pa
'
D 2
)
2
= 9 ⨯ (3.5 -
2 ⨯ 0.6
0.5
) ⨯
1.127 ⨯ 4.122
2
= 94.7Pa
总阻力
∆po = 279.78 + 94.7 = 374.48Pa
2.3 确定预热器附件
10
(1)折流挡板本设计采用弓形挡板,弓形折流板圆缺高度为壳体外径的
20%,即
h = 0.2 ⨯ 500 = 100mm ,折流板按等间距布置,管束两端的折流板应
尽可能靠近壳程进、出口接管,缺口上下排列,名义外直径 500mm,厚度 8mm,
折流挡板间距取 B=600mm,所用到的板数 N =
L
B
-1 = 9 。
(2)拉杆拉杆是折流挡板定位不可缺少的原件。
拉杆采用定距管结构,
共 4 根,拉杆直径 16mm。
拉杆长度按实际需要确定,具体看尺寸图。
(3)外壳换热器外壳包括壳体与换热器两端的封头---管箱。
本设计中,
外壳采用碳钢材料,为了保证壳体具有足够的强度,壁厚设计为 8mm。
管箱设
计时在管箱上设计一平盖,便于拆洗。
封头与壳体用螺纹连接,以便卸下封头,
检查和清洗管子。
根据设计规格,本设计的封头为内径 500mm 的标准椭圆头,
厚度 8mm,直边高度 25mm。
(4)管板管板式本换热器上的重要零件之一,设计中要考虑管板厚度
的计算,以及管板与换热管,壳体及管箱的连接。
本设计中管板厚度定为 27mm
(5)管板开孔换热管排列原则如下:
换热管的排列应该使整个管束完
全对称。
在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板的距离规定的范围内,应该
全部布满换热管。
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。
在靠近折流板缺边的
位置处应布置拉杆,其间距小于或等 700mm。
拉杆中心与折流板缺边的距离应
尽量控制在换热管中心距的(0.5~1.5) 3 范围内。
(6)换热器接管管道中水溶液的流速定为 2m/s,所以卤水的进口管管
径为
d =
4Vs
πu
=
4 ⨯ 35.9
1149 ⨯ 3.14 ⨯ 2
= 0.141m
饱和蒸汽的流速定为 30m/s,因此饱和蒸汽进口管管径为
Din =
4V
πu
=
4 ⨯ 0.44
1.127 ⨯ 3.14 ⨯ 30
= 0.129m
11
因冷凝水的流速一般为 0.5m/s,所以冷凝水的出口管径为
D冷凝水 =
4V
πu
=
4 ⨯ 0.3
948.6 ⨯ 3.14 ⨯ 0.5
= 0.028m
(7) 主要连接方式对于换热器,主要是壳体与管板的连接,换热管与管
板的连接和管板与拉杆的连接。
管板与壳体之间采用焊接的形式,换热管与管板也采用焊接的形式,管板
与拉杆之间采用螺纹连接。
(8)支座对于本设计——立式换热器,支座采用耳式支座较好。
2.4泵的选用
泵的扬程:
H g = ∆z +
∆p
ρg
+
∆u 2
2g
+ H f
,
其中,ρ 为 t =
83 +105
2
= 94℃下卤水的密度,经查文献 1 附录,
得
ρ = 1148kg / m3
① 流动前后流速差:
∆u ≈ 0 ;
②本换热器采用立式结构,总高度 H = 6.5m ,
其他组员设计的换热器高度也是 6.5m,选取的高度即为 6.5m,
由泵到换热器接管高度选取1m , 由换热器到蒸发器水平高度选取1.5m ,
故 ∆z = 6.5 +1+1.5 = 9m ;
③ 静压头 ∆p = 198.6 -101.325 = 97.275kPa ;
④ 由上面计算可知,本换热器管程压降 ∑ ∆pi = 3259.11Pa ,
'
''
'''
故, H f =
i i i i
' ''
ρg
12
'''
换热器面积(㎡):
46.53
工艺参数
名称 管程 壳程
物料名称
卤水
饱和水蒸气
操作温度,℃
流量,kg/s
83~91
120
流体密度,
35.9
0.44
流速,m/s m3 kg/
1149.6
1.127
传热量,kW
0.6
4.95
总传热系数,
980
2
w /(m ⋅℃)
787.4
型号
流量
3
/( m / h)
扬程
/ ()m
转速
/ (r / mi n)
功率/ kW
效率
/%
气蚀
余量
/ m
质量(泵/
底座)/kg
轴
电机
IS150-125-250
120
22.5
1450
10.4
18.5
71
3.0
188/158
=
3259.11+ 4429.84 + 3246.40 + 2723.25
1148⨯ 9.81
= 1.21
H g = ∆z +
∆p
ρg
+
∆u 2
2g
+ H f
= 9 +
97.275⨯103
1148⨯ 9.81
+ 0 +1.21 = 18.85m
输送流体卤水的流量V =
35.9
1149
= 0.0312m3 / s ,
得到泵的工作点:
V = 112.32m3 / h ,
H g = 18.85m ,
输送流体为卤水,黏度比水大。
综上,查阅文献 1 附录 24,选用 IS150—125—250 型单级单吸离心泵,
泵的性能参数如下:
2.5 换热器主要结构尺寸和计算结果
13
污垢系数, 2
wm ⋅
2000
5045
℃)
2
m ⋅℃
0.000172
0.000086
压力降,Pa /w
2659.11
508.69
程数
不锈钢1
碳钢1
使用材料
管子规格,mm
38×3mm
管数
65
管长,m
6
管间距,mm
正三47.5角形
排列方式
壳体内径,mm
475
通过两周的资料查阅、计算核实、画图,本次列管式换热器设计大体完成,
当然,还有很多不足之处有待修改,下面是我对本次设计的一些评价与感受。
1、资料查询要有足够的针对性起初,我为了设计这次的换热器,查询
了大量的文献书籍,不同书上有不同的方法,而且部分方法都十分复杂,所以
把设计放到了一个特别高的位置,开始研究计算方法,然而问题却没有得到解
决,反而更难了。
结果,索性就按照书籍上的来,结果计算起来才有了思路,
在计算得过程中遇到了难题再去查阅书籍,参考文献,这样效率才得到了大幅
度的提高。
看来查阅资料不是越多越好呀。
2、计算方法有技巧这次设计的重点之一就是核算换热器的总传热系数,
这个决定了结果是否正确,所以这个也就理所当然是难点之一了。
估算了换热
器的面积 S 和传热系数 K,接下来就设计换热器的结构和核算传热系数了。
设
计结构倒是没费太多时间,可是到了核算就头疼了,错了不要紧,一次肯定算
不对,可是前面假设的数据太多,数据与数据之间有有联系,牵一发而动全身,
一下子就不知所措了。
例如,改变了管数,流速,传热面积,对流传热系数等
等全都变化。
在经过反复计算和总结后,我得出了一定的规律,改变设计的流
速对结果很是关键,而且不会把计算得思路搅乱,最后在增大几次减少几次流
速之后,最终算出了符合规定的 K 值。
3、很多不足需补充本次设计完全是纸上谈兵,所有的东西都是从纸上
来最终又落到了纸上,所以在考虑问题时势必会有所欠佳。
列如很重要的一点,
14
安全问题。
由于参考资料有限,经验不足,安全问题没有考虑很多,算是只能
完成换热器的设计要求。
除此之外,换热器的组合安装、拆洗、整体大小重量、
经济费用等问题都没有过多的涉及在其中。
接下来谈谈收获与感受吧。
首先,我学会了按相应的条件查阅资料到筛选
有用的资料,并且如何把文献上的资料合理的用到设计中。
其次,我更加深入
的了解了换热器这个设备的工艺与工程,特别是换热器的零部件的组成和其工
作的原理。
对于我第一次完成两年内的一项我认为较大型的设计,还是很满足
与高兴的,这其中的不足之处我也会多加总结经验,相信下一次设计会更加成
果。
第 4 章主要符号说明
英文字母
B ------------折流挡板间距,md----------管径,m
C-------------系数,无量纲D----------壳体内径,m
f -------------摩擦系数F----------系数
h ------------圆缺高度,mS------------传热面积,㎡
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