列管式换热器设计

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题目换热器的设计设计基本参数处理能力：4000kg/h设备型式：列管式换热器操作条件：加热介质：水入口温度：98℃，出口温度：75℃果浆：入口温度：35℃，出口温度：65℃。locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 设计要求及内容1、设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。2、主要设备的工艺设计计算物料衡算、热量衡算、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、辅助设备的选型典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。4、编写设计说明书将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。应采用简练、准确的文字图表，实事求是地介绍设计计算过程和结果。设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。设计说明书内容：（1）封面（课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间）（2）目录（3）设计任务书（4）概述与设计方案简介（5）工艺及设备设计计算（6）辅助设备的计算机选型（7）设计结果汇总表（8）设计评述（9）参考资料（10）主要符号说明（11）致谢各阶段时间安排（以天为单位）用一周时间集中进行1、设计方案选定：0.5天2、主要设备的工艺设计计算：2天3、辅助设备的选型：0.5天4、编写设计说明书：2天列管式换热器设计一、概述1.概述与设计方案简介1.1换热器locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。换热器是化学工业、石油工业及其它一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。由于生产中的换热目的不同，换热器的类型很多，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。特别是随着化工工艺的不断发展，新型换热器不断出现。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍占有重要的地位。特别是在高温、高压和大型换热设备中仍占绝对优势。1.2列管式换热器的选择列管式换热器的应用已有很悠久的历史，在化工生产中主要作为加热（冷却）器，冷凝器、蒸发器和再沸器使用。现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。按材质分为碳钢列管换热器，不锈钢列管换热器和碳钢与不锈钢混合列管换热器三种。按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m²。列管式换热器按结构特点，主要分为以下四种：①固定管板式换热器；②浮头式换热器；③U形管式换热器；④填料函式换热器。列管换热器主要特点：1．耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100℃都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。2．耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174℃，因此一般使用温度可达110-125℃。3．无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。4．重量轻：对设备安装维修极为方便。二、设计方案的确定2.1列管式换热器类型的选择locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 因为我们要加热的材料是果浆，流体压力不大，管程与壳层温度差较大，所以初步确定选用固定管板式换热器。因为这种型式换热器的比较适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合，管束固定于管板上，单位体积的传热面积大，传热系数大，热损失小，结构简单且坚固，性能可靠。在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。因为本次所要处理的果浆与加热水的进出口温差都小于50°C，所以不需要焊接膨胀节。考虑到要进行加热的是果浆，所以选用不锈钢材质的固定板管式换热器。2.2流体流入空间及流速的选择该设计任务的热流体为水，冷流体为果浆，由于果浆较水易结垢，为便于提高流速清除污垢，应使果浆走管程，水走壳程。选用φ25mm×2.5mm的不锈钢管，管内流速取ui=0.5m/s。三、列管式换热器的设计计算3.1.物性参数的确定3.1.1定性温度，取流体进口温度的平均值壳程流体水的定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程水的定性温度为：T==86.5(℃)管程流体（果浆）的定性温度为：t==50(℃)3.1.2物性数据locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，水在86.5℃下的物性数据和果汁在50℃下的物性数据如下表：果浆在50℃下的有关物性数据如下：密度=1050kg/定压比热容=3.30kJ/(kg·℃)导热系数=W/(m·℃)黏度=2.1087×10-3Pa·s水在86.5℃下的有关物性数据如下：密度=967.6kg/定压比热容=4.203kJ/(kg·℃)导热系数=67.82×W/(m·℃)黏度=33.5×Pa·s四、总传热系数的计算4.1热流量=4000×3.30×(65-35)=3.96×105kJ/h=110(kW)4.2平均传热温差因为，所以===36.5（℃）4.3热水用量kg/h4.4总传热系数K4.4.1管程传热系数（过渡区）locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 又因为流体黏度=2.1087mPa·s>2.0mPa·s所以==1787W/(·℃)校正系数1732W/(·℃)4.4.2壳程传热系数假设壳程的传热系数W/(·℃)污垢热阻(·℃)/W(·℃)/W管壁的导热系数W/(m·℃)，==455.1W/(·℃)五、传热面积的计算S′=（）考虑15%的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×6.6=7.6（）locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 六、工艺结构尺寸6.1管径和管内流速选用φ25mm×2.5mm的不锈钢管，管内流速取ui=0.5m/s。6.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数===6.74根≈7根按单管程计算，所需的传热管长度为：L===13m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，采用非标设计，现取传热管长=6m，则该换热器的管程数为:N=≈4(管程)传热管总根数为：N=76.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数P==0.476R==0.767按双壳程，2n（n=2）管程结构，温度校正系数查表得：=0.93平均传热温差=°C6.4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=1.25，则t=1.2525=31.25mm≈32（mm）横过管束中心线的管数locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 6.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.6，则壳体内径为：D=1.05t=1.0532=229（mm）圆整可取D=325mm。6.6折流板数采用弓形折流板，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=0.25325=81.25（mm），故可取h=80mm。取折流板间距B=0.3D,则B=0.3325=97.5（mm），可取B为100mm。折流板数N=-1=-1=59（块）折流板圆缺面水平装配。6.7接管内径壳程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.0m/s,则接管内径为：=0.039（m）取标准管径为40mm。管程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.5m/s,则接管内径为：0.030（m）取标准管径为30mm七、换热器核算7.1热量核算7.1.1壳程对流传热系数对圆缺形折流板,可采用克恩公式：=0.36当量直径，由正三角形排列得d===0.020（m）壳程流通截面积：locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 =BD(1-)=0.10.325(1-)=0.00710（m）壳程流体流速及其雷诺数分别为==0.173（m/s）==11216普兰特准数Pr==2.08黏度校正（）≈1=0.36=2116W/(·℃)7.1.2管程对流传热系数管程流通截面积=0.785=0.0022（m）管程流体流速==0.481（m/s）Re==4810普兰特准数Pr==11.57黏度校正’=0.023=1738W/(·℃)校正系数locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 W/(·℃)7.1.3传热系数K==444.1W/(·℃)7.1.4传热面积SS=（m）该换热器的实际传热面积（m）该换热器的面积裕度为H=该换热器的面积裕度在15％-25％之间，则所设计换热器能够完成生产任务。7.2换热器内流体的流动阻力7.2.1管程流动阻力，由Re=4810，传热管相对粗糙度，查莫狄图得，流速=0.481（m/s），kg/，所以locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 =Pa=PaPa﹤10Kpa管程流动阻力在允许范围之内。7.2.2壳程阻力流体流经管束的阻力F=0.5Pa流体流过折流板缺口的阻力B=0.1m，D=0.325mPa总阻力Pa<10Kpa所以壳程流动阻力也比较适宜。locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 八、换热器的主要结构尺寸和计算结果表换热器形式：固定管板式换热面积（m2）：9.04工艺参数名称管程壳程物料名称果汁循环水操作压力，Mpa0.40.3操作温度，℃35/6598/75流量，kg/h40004282流体密度，kg/m31050967.6流速，m/s0.4810.173传热量，kW110总传热系数，W/m2.℃444对流传热系数，W/m2.℃17382116污垢系数，m2.℃/W0.0005100.000172阻力降，Mpa0.87690.004901程数41推荐使用材料不锈钢不锈钢管子规格Ф25*2.5管数，28管长，6000mm管间距，mm32排列方式正三角形折流板形式弓形上下间距，100mm切口高度25%壳体内径，mm325保温程厚度，mm2.5B——折流板间距，m；R——热阻，(·℃)/W；C——系数，无量纲；Re——雷诺准数；d——管径，m；S——传热面积，m；f——摩擦系数；t——冷流体温度，℃；F——系数；管心距，m；h——圆缺高度，m；T——热流体温度，℃；K——总传热系数，w/m℃；u——流速，m/s；locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13 L——管长，m；W——质量流量，kg/h；N——管程数；——指数、单程管数。NB——折流板数；D——换热器外壳内径，m；Qi——热流量；kJ/hNu——努塞尔特准数；Pr——普兰特准数；P——压力，Pa；因数希腊字母——对流传热系数，w/m℃；——有限差值；——导热系数，w/m℃；——密度，kg/；μ——粘度，Pa·s；——校正系数。下标c——冷流体；h——热流体；i——管内；m——平均；o——管外；s——污垢。locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame13