浮头式换热器课程设计.docx

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浮头式换热器课程设计

化工原理课程设计

题目：

列管换热器的设计

教学院：

专业：

学生姓名：

学号:

指导教师：

2021年6月16日

《化工原理课程设计》任务书

2012～2013学年第2学期

学生姓名：

专业班级：

化学工程与工艺（精细化工）2020

（1）

指导教师：

工作部门：

化工教研室

一、课程设计题目：

列管换热器的设计

二、课程设计内容（含技术指标）

1.工艺条件与数据

要求将某种物性和空气相近的加压气体由90℃冷却到40℃；气体的流率为3kg/s，以入口温度为20℃的冷却水作为冷却介质；

2.操作条件

冷却水走壳程，壳程装有弓形折流板；气体走管程，气体压力取为106Pa；管外径d0=25mm,内径di=20mm,管子中心距t=32mm,等边三角形排列；气侧污垢热阻Rsi=·℃/kW,水侧污垢热阻Rs0=·℃/kW,管壁导热系数λW=kW/（m·℃）

3．经济参数

拟用浮头式换热器，换热器的回归系数别离为a=27六、b=，换热器的压力校正系数ƒ1=一、材质校正系数ƒ2=；换热器的利用年限为8年，相应的年折旧率Fc=1/8；冷却水费用（不包括动力费）为3×10-3元/kg，电费为2元/（kW﹒h）；换热器年工作时刻为7200h/a。

4．流体的物性数据

（1）依照气体的定性温度Tm=（90+40）/2=65℃，查得空气（因为该气体物性与空气相近）的λi=×10-5kW/（m·℃），Cpi=kJ/（kg·℃）,μi=×10-5Pa·s，依照气体的定性温度和压力可确信ρi=kg/m3；

（2）水的出口温度在优化计算进程是转变的，因此水的定性温度tm也是不断转变的。

可依照水的定性温度按以下各式求水的物性：

ρ0=tm

λ0=×10-4+×10-7tm

μ0=×10-3×1065825[1/+tm）-1/]

式中tm—水的定性温度，tm=（t1+t2）/2,℃；

ρ0—水的密度，kg/m3；

Cp0—水的比热，kJ/（kg·℃）；

λ0—水的导热系数，kW/（m·℃）；

μ0—水的粘度，Pa·s。

5.设计内容

①设计方案的选择及流程说明；

②传热面积、换热管根数；

③确信管制的排列方式、程数、档次、隔板的规格、数量；

④辅助附件的选型与计算。

三、进度安排

1．6月3日：

分派任务；

2．6月3日-6月9日：

查询资料、初步设计；

3．6月10日-6月16日：

设计计算，完成报告。

四、大体要求

（1）格式标准，文字排版正确；

（2）要紧设备的工艺设计计算需包括：

热量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算；

（3）管制排列图：

以3号图纸绘制，标明管制的排列方式、程数、隔板的规格、数量；

（4）换热器工艺条件图：

以3号图纸绘制，图面应包括设备的要紧工艺尺寸，技术特性表和接管表；

（5）按时完成课程设计任务，上交完整的设计说明书一份。

教研室主任签名：

年月日

化工原理课程设计

题目：

列管换热器的设计

小组成员：

组长：

任务分派：

1、全部成员讨论确信课程设计的方案；

2、一起查阅相关资料，并由陈乔打印资料；

3、要紧负责整个课设设计的相关计算任务并设计工艺流程；

4、要紧负责绘制工艺流程图，且参与全塔的工艺计算；

5、参与文字整理、校正及板式塔的结构与附属设备的设计；

6、参与接管及其法兰的的尺寸设计；

7、要紧负责文字整理，编辑，参与了全数的课程设计流程；

8、工艺流程图要紧由陈乔设计，李飞绘制，审核，一起完成的；

9、完成草稿以后，由胡教师给予指导，经全部成员一起检查、审核、校正以后定稿；

10、本大型课程设计作业是全部成员一起尽力的结果，表现了咱们团结一致，协同合作的团队精神；

11、再次感激夏教师和胡教师的耐心指导。

一、设计任务和设计条件

生产进程的流程图如图1-1所示,出反映器的某种物性和空气相近的加压气体进入换热器的管程,用循环冷却水将其从90℃冷却至40℃以后,进入吸收塔。

已知气体的流量为3kg/s，压力为106Pa。

循环冷却水的入口温度为20℃，设计一台列管换热器，完成生产任务。

图1-1某生产进程流程

二、确信设计方案

选择换热器的类型

两流体温度转变情形:

热气体入口温度90℃,出口温度40℃;冷流体的入口温度为20℃,该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其入口温度会降低,考虑到这一因素,估量该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大,因此初步确信选用浮头式换热器.

流程

热气体走管程,冷却水走壳程,其示用意如图2-1

图2-1浮头式换热器示用意

三、确信物性数据

操作条件

气体压力106Pa，入口温度90℃，出口温度60℃。

循环冷却水常压，入口温度20℃，假定出口温度为30℃。

物性参数

关于一样气体和水等低黏度流体，其定型温度可取流体进出口温度的平均值。

故管程气体的定性温度为

T=（90+40）/2=65℃

壳程冷却水的定性温度为

Tm=（30+20）/2=25℃

管程气体在65℃下的有关物性数据如下：

密度ρi=m3

定压比热容Cpi=（kg.℃）

热导率λi=×10-5kW/（m.℃）

黏度ηi=×

2.壳程冷却水在25℃下的有关物性数据如下：

密度ρo=m3

定压比热容Cpo=（kg.℃）

热导率λo=×10-4kW/（m.℃）

黏度ηo=×

四、估算传热面积

传热量

Q=qm.Cpi.∆T=3×3600××50=

冷却水用量

qm,c=Q/Cpi.∆Tm=×10=s=h

平均温差

∆t=（∆T-∆Tm）/ln（∆T/∆Tm）=（50-10）/（50/10）=℃

初算总传热面积

管程压力较大，故K应合理取值，查文献:

热气体走管程冷却水走壳程的总的传热系数范围在10～240W/（m2·K），假定总传热系数K=200W/（m2·K），那么计算所需传热面积为：

S估=Q/K.∆t=×103/200×=

五、工艺结构尺寸

管径和管内流速

1.选用Φ25mm×较高级冷拔传热管（碳钢）

2.查文献管程气体流速范围在8～20m/s，取管内流速μi=18m/s

管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确信单程传热管数

Ns=q/（π/4di2μi）=3/×4××18=≈51根

按单程管计算，所需的传热管长度为

L=S估/πdoNs=××51=

按单程管设计，传热管太长，宜采纳多管程结构。

依照本设计实际情形，采纳双管程设计，那么传热管长l=，那么管程数为

Np=2（管程）

传热管总根数

NT=51×2=102根

平均温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

R=（90-40）/（30-20）=5

P=（30-20）/（90-20）=

按单壳程,双管程结构，查文献得温差校正系数应为

ε∆t=

平均传热温差

∆tm=ε∆t∆t=×=℃

由于平均传热温差校正系数大于，同时壳程流体流量较大，故取单壳程适合。

传热管排列和分程方式

采纳组合排列法，即每程内均按正三角形排列。

隔板双侧采纳矩形排列。

取管心距t=，那么

t=×25=≈32mm

隔板中心到离其最近一排管中心距离为

s=t/2+6=32/2+6=22mm

各程相邻管的管心距为44mm。

壳体直径

采纳多管程结构，进行壳体内径估算。

查文献可知管板利用率范围在～之间，本装置取管板利用率η=，那么壳体直径为

D=（NT/η）=×32×（102/=

按卷制壳体的进级档，可取D=400mm。

折流板

采纳弓形折流板，圆缺高度为壳体内径的25%，那么切去的圆缺高度为

h=×400=100mm

取折流板间距B=，则

B=×400=120mm，可取B为120mm。

折流板数NB

NB=传热管长/折流板间距-1==≈30块

折流板圆缺面水平装配。

其他附件

查文献拉杆数量与直径按标5-7-1和5-7-2选取

5-7-1拉杆直径

换热管外径（mm）

10

14

19

25

32

38

45

57

拉杆直径（mm）

10

12

12

16

16

16

16

16

5-7-2拉杆数量

公称直径/mm

拉杆直径/mm

<400

≥400

≤700

≥700

≤900

≥900

≤1300

≥1300

≤1500

≥1500≤1800

≥1800

≤2000

10

4

6

10

12

16

18

24

12

4

4

8

10

12

14

18

16

4

4

6

6

8

10

12

本换热器的传热管外径为25mm，其拉杆直径为16mm，共有4根拉杆

接管

壳程流体进出口接管：

查文献管程冷却水的流速范围在～3之间

取接管内冷却水流速为u1=s，那么接管内径为

D1=（4V/πu1）=（4×××3600×==

圆整后可取管内径为100mm。

管程流体进出口接管：

取接管内气体流速为u2=10m/s，那么接管内径为

D2=（4V/πu2）=（4×3/××10）==192mm

圆整后可取管内径为200mm。

六、换热器核算

热流量核算

（1）壳程表面传热系数用克恩法计算，即

h0=λ1/3（η/ηw）

三角形排列时，当量直径为

de=4×（

t2/2-πd02/4）/πd0=

壳程流通截面积

S0=BD（1-do/t）=××=

壳程流体流速及雷诺数别离为

u0=13035/3600××=s

Re0=×××10-4=8817

普朗特数

Pr=×=

黏度校正

（η/ηw）≈1

故壳程表面传热系数

h0=××3=3056[W/（m2K）]

（2）管内表面传热系数

hi=λi/管程流体流通截面积

Si=π（d/2）Ns=×2）×51=

管程流体流速

ui=3/×=s

Re=×××10-5）=184415

普朗特数

Pr=×10-3××10-5/×10-2）=

hi=××10-2/××（3）污垢热阻和管壁热阻

气侧污垢热阻Rsi=·℃/kW

水侧污垢热阻Rs0=·℃/kW

管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50W/。

因此

Rw=50=（4）传热系数KC

KC=1/（1/3056+×10-3+×10-4×25/+×10-3×25/20+25/20×1/495）

=[W/（m2K）]

（5）传热面积裕度

传热面积

AC=Φ/KC∆tm=151350/×=

该换热器的实际传热面积

A=πd0lNT=×××102=

该换热器的面积裕度计算为

H=（A-AC）/AC×100%=查文献一样换热器裕度范围在15％～25％，故传热面积裕度适合，该换热器能够完成生产任务。

壁温核算

由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的入口温度将会降低。

为确保靠得住，取循环水冷却水入口温度为15℃，出口温度为30℃计算传热管壁温。

另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。

但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。

计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取双侧污垢热阻为零计算传热管壁温。

于是有

壳程冷却水平均温度为

tm=×30+×15=21℃

管程气体平均温度为

Tm=（90+40）/2=65℃

传热管平均壁温

T=（65/+21

工原理（上册）.第三版.北京：

化学工业出版社，2006

[2]匡国柱，史启才等.化工单元进程及设备课程设计.北京：

化学工业出版社，2007

[3]陆振东等，化工工艺设计手册.北京：

化学工业出版社，1996

九、设计总结

这次化工原理课程设计题目是“列管换热器的设计”，因为上学期夏教师对传热与换热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，另外，从图书馆借阅的几本书也超级具有参考性，因此整体来讲这次课程设计没有碰到太大的难题。

但不可否定的是设计进程很考验人的耐心和毅力。

1.数据计算

这是设计第一时期的要紧任务。

数据计算的准确性直接阻碍到后面的各时期，这就需要咱们具有极大的耐心。

从拿到原始设计数据到确信最终参数，持续了快要一个礼拜：

确信需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。

我在确信传热面积的时候，因为取的管数太多致使后面取得的传热面积裕度超出规定范围，因此又得归去再算一遍，可见在设计进程中，细心是超级重要的，因为它能够减少很多没必要要的麻烦。

2.查资料

以前有个错误的熟悉：

查资料嘛，循序渐进就能够够了，简单！

可是这次课程设计却完全改变了我的熟悉。

其实查资料是很讲究技术的，也是相对照较灵活的。

另外，我这次用到的参考资料有快要10种之多，这在之前是难以想象的。

画图

这是第一次尝试用专业画图软件AutoCAD进行画图。

那个软件咱们很熟悉也很陌生，熟悉是因为大三上学期学习了化工制图，陌生是因为正真会用或用得好的同窗是凤毛麟角。

可是，没有压力哪来动力，在下定决心以后，马上借来几本AutoCAD学习的资料，重温各类操作工具及技术等。

在预备了两天天以后才开始正式画图，不断修改，查缺补漏，直到最后完成整个设计图。

4.完成设计说明书

这是最后总结性的时期。

需要对前面的数据进行整理归纳，需要必然的耐心。

耐心、细心、决心——是本次课程设计最大的感受。

最后，再次感激夏教师和胡教师在整个设计进程中给予的悉心指导！