化工原理課程設(shè)計--列管式換熱器的設(shè)計選型

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計題目：列管式換熱器的設(shè)計選型 </p><p>　　班 級：生物工程專業(yè)2010級本科班 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師：

2、 </p><p>　　設(shè)計時間： </p><p><b>　　二O一二年五月</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書......................................

3、..............</p><p>　　一 概述及設(shè)計方案的簡介..................................................</p><p>　　1 概述................................................................................</p>&

4、lt;p>　　2 設(shè)計方案的簡介............................................................</p><p>　　二 設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表..........................................</p><p>　　三 工藝設(shè)計計算..............................

5、....................................</p><p>　　1 確定物性方案............................................................</p><p>　　2 確定物性數(shù)據(jù)..........................................................

6、..</p><p>　　3 估算傳熱面積............................................................</p><p>　　4 工藝構(gòu)造尺寸............................................................</p><p>　　5 換熱器核算

7、................................................................</p><p>　　四 設(shè)計結(jié)果匯總表..............................................................</p><p>　　五 設(shè)計評述.................................

8、.........................................</p><p>　　六 工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖......................................</p><p>　　七 參考資料..........................................................................

9、</p><p>　　八 主要符號說明..................................................................</p><p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　一、化工原理課程設(shè)計的重要性</p><p>　　化工原理課程設(shè)計是學生學完基礎(chǔ)課程以及化工原理課程以后，進

10、一步學習工程設(shè)計的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學生工程設(shè)計能力的重要教學環(huán)節(jié)，也是學生綜合運用化工原理和相關(guān)選修課程的知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，完成以單元操作為主的一次工程設(shè)計的實踐。通過這一環(huán)節(jié)，使學生掌握單元操作設(shè)計的基本程序和方法，熟悉查閱技術(shù)資料、國家技術(shù)標準，正確選用公式和數(shù)據(jù)，運用簡潔文字和工程語言正確表述設(shè)計思想和結(jié)果；并在此過程中使學生養(yǎng)成尊重實際問題向?qū)嵺`學習，實事求是的科學態(tài)度，逐步樹立正確的設(shè)計思想、經(jīng)濟觀點和嚴謹、認真的工作作風，提

11、高學生綜合運用所學的知識，獨立解決實際問題的能力。</p><p>　　二、課程設(shè)計的基本內(nèi)容和程序</p><p>　　化工原理課程設(shè)計的基本內(nèi)容有：</p><p>　　設(shè)計方案簡介：對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進行簡要的論述。</p><p>　　主要設(shè)備的工藝計算：物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸

12、的設(shè)計計算。</p><p>　　輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計算，設(shè)備規(guī)格型號的選定。</p><p>　　工藝流程圖：以單線圖的形式描繪，標出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向、物流量、主要測量點。</p><p>　　主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。</p><p>　　編寫設(shè)計說明書：可

13、按照以下幾步進行：</p><p>　?、?課程設(shè)計準備工作</p><p>　?、?有關(guān)生產(chǎn)過程的資料；</p><p>　?、?設(shè)計所涉及物料的物性參數(shù)；</p><p>　?、?在設(shè)計中所涉及工藝設(shè)計計算的數(shù)學模型及計算方法；</p><p>　?、?設(shè)備設(shè)計的規(guī)范及實際參考圖等。</p><

14、p><b>　　⒉ 確定設(shè)計方案</b></p><p><b>　?、?工藝設(shè)計計算</b></p><p><b>　?、?結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p><b>　　⒌ 工藝設(shè)計說明書</b></p><p>　?、?封面：課程設(shè)計題目、學生

15、班級及姓名、指導教師、時間。</p><p><b>　?、?目錄</b></p><p><b>　　⑶ 設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　?、?概述與設(shè)計方案的簡介</p><p>　?、?設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表</p><p><b>　?、?工藝設(shè)計計

16、算</b></p><p>　?、?輔助設(shè)備的計算及選型</p><p><b>　　⑻ 設(shè)計結(jié)果匯總表</b></p><p><b>　?、?設(shè)計評述</b></p><p>　?、?工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖</p><p><b>　　⑾ 參考資

17、料</b></p><p><b>　　⑿ 主要符號說明</b></p><p>　　以上即為我們在課程設(shè)計中所涉及的主要內(nèi)容。</p><p>　　三、列管式換熱器設(shè)計內(nèi)容</p><p><b>　　1、確定設(shè)計方案</b></p><p>　　（1）選擇換熱

18、器的類型；（2）流程安排</p><p><b>　　2、確定物性參數(shù)</b></p><p>　?。?）定性溫度；（2）定性溫度下的物性參數(shù)</p><p><b>　　3、估算傳熱面積</b></p><p>　　（1）熱負荷；（2）平均傳熱溫度差；（3）傳熱面積；（4）冷卻水用量</p&

19、gt;<p><b>　　4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　?。?）管徑和管內(nèi)流速；（2）管程數(shù)；（3）平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)；（4）傳熱管排列和分程方法；（5）殼體內(nèi)徑；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管</p><p><b>　　5、換熱器核算</b></p><p>　?。?）傳熱

20、能力核算；（2）壁溫核算；（3）換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p>　　四、設(shè)計任務(wù)和操作條件</p><p>　　某廠用井水冷卻從反應(yīng)器出來的循環(huán)使用的有機液。欲將6000kg/h的植物油從140℃冷卻到40℃，井水進、出口溫度分別為20℃和40℃。若要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于35kPa，試選擇合適型號的列管式換熱器。定性溫度下有機液的物性參數(shù)列于附表中。</p>

21、;<p><b>　　附 表</b></p><p>　　五、主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（示例）</p><p>　　根據(jù)設(shè)計結(jié)果，可選擇其它形式的列管換熱器。</p><p><b>　　六、設(shè)計進度</b></p><p>　　1. 設(shè)計動員，下達設(shè)計任務(wù)書； 搜集資料，閱讀教材，

22、擬定設(shè)計進度 1天；2. 設(shè)計計算（包括電算，編寫說明書草稿）2-3天；3. 繪圖2天；5. 整理，抄寫說明書 1天；6. 設(shè)計小結(jié)及答辯 1天。</p><p>　　七、設(shè)計成績評分體系</p><p>　　考核成績分為五檔：優(yōu)秀（90-100分）、良好（80-89分）、中等（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（＜60分）。</p><p>　　一 概述

23、及設(shè)計方案的簡介</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩 種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳

24、熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。</p><p>　　換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一

25、。由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種 典型的換熱器。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度

26、一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減?。蝗魝鳠崦娣e不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費，后者可節(jié)省操作費，故在設(shè)計或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。</p><p><b>　　2 設(shè)計方案的簡介</b></p><p>　　確定設(shè)計方案，包括

27、選擇換熱器的類型、流程安排；確定物性參數(shù)，包括定性溫度、定性溫度下的物性參數(shù)；估算傳熱面積，包括熱負荷、平均傳熱溫度差、傳熱 面積、冷卻水用量；確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸，包括管徑和管內(nèi)流速、管程數(shù)、平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)、傳熱管排列和分程方法、殼體內(nèi)徑、折流板、其它附件、接管；換熱器核算， 包括傳熱能力核算、壁溫核算、換熱器內(nèi)流體的流動阻力。最后畫出工程圖。 </p><p>　　二 設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表<

28、;/p><p>　　將 6000kg/h的植物油從140℃冷卻到40℃，井水進、出口溫度分別為20℃和 40℃。要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于35kPa。</p><p><b>　　三 工藝設(shè)計計算</b></p><p>　　1 確定物性方案 （1）選擇換熱器的類型 兩流體的變化情況：熱流體進口溫度 140℃，出口溫度 40℃；

29、 冷流體進口溫度 20℃，出口溫度 40℃。 </p><p>　　考慮冷熱流體間溫差大于50℃，初步確定選用浮頭式換熱器。 </p><p>　　（2）流程安排 與植物油相比，井水易于結(jié)垢，如果其流速太小，會加快污垢增長速度使換熱器傳熱速率下降。有機液被冷卻，走殼程便于散熱。因此，冷卻水走管程，有機液走殼程。</p><p><b>　　2 確定物性數(shù)

30、據(jù)</b></p><p><b>　　(1) 定性溫度</b></p><p>　　對于粘度低的流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。所以， 殼程流體的定性溫度為：T=（140 + 40）/2 = 90 ℃ </p><p>　　管程流體的定性溫度為：T=（20 + 40）/2 = 30 ℃ </p>

31、<p><b>　　(2) 物性參數(shù) </b></p><p>　　定性溫度下，管程流體(井水)、殼程流體（植物油）有關(guān)物性參數(shù)由《主要物性參數(shù)表》 得出。 </p><p>　　3 估算傳熱面積</p><p>　　(1) 熱流量 Q1= m1cp1 ?t1</p><p>　　=6000×

32、;2.261×(140-40)=1.3566×106kj/h =376.833kw </p><p>　?。?） 平均傳熱溫差 先按照純逆流計算，得</p><p><b>　　=℃</b></p><p>　　3.傳熱面積 </p><p>　　由于殼程有機液的壓力較高，故可選取較大的K值。假

33、設(shè)K=395W/(㎡·℃)則估算的傳熱面積為：</p><p><b>　　A=</b></p><p>　　考慮到估算性質(zhì)的影響，根據(jù)經(jīng)驗取實際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實際傳熱面積為：</p><p><b>　　A</b></p><p>　　4.井水用量：m==</p&

34、gt;<p><b>　　四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p><b>　　1.管徑和管內(nèi)流速</b></p><p>　　選用選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=0.75m/s。</p><p>　　2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) </p><p>　

35、　可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：</p><p><b>　　Ns=（根）</b></p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為： L=</p><p>　　按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用標準管設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長L=8m，則該換熱器的管程數(shù)為：Np=（管程）</p><

36、;p>　　傳熱管總根數(shù)：Nt=20×2=40（根）</p><p>　　3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) </p><p>　　平均溫差校正系數(shù)： R= P=</p><p>　　按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖得：</p><p>　　平均傳熱溫差 ℃ </p><p>　　由于平均傳熱溫差

37、校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p>　　4.傳熱管排列和分程方法 </p><p>　　采用正方形錯列。取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25≈32mm</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22mm</p><p>　　

38、各程相鄰管的管心距為：22×2=44mm</p><p><b>　　5.殼體內(nèi)徑 </b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.85，則殼體內(nèi)徑為：</p><p><b>　　D=1.05t</b></p><p>　　按卷制殼體的進級檔，可取D=300mm&l

39、t;/p><p><b>　　6.折流板 </b></p><p>　　采用弓形折流板,取弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，</p><p>　　則切去的圓缺高度為：H=0.25×300=75m</p><p>　　取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×300=90mm 古可取B=100

40、mm </p><p><b>　　折流板數(shù)目：</b></p><p><b>　　7.其他附件 </b></p><p>　　拉桿數(shù)量與直徑按表選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為300mm，故：</p><p>　　拉桿直徑為Ф12，拉桿數(shù)量不得少于4。</p><p><

41、;b>　　8.接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：</p><p>　　取接管內(nèi)流體流速為u1=2m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　管程流體進出口接管：</p><p>　　取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　圓整后，取殼程流體進出口接管

42、（熱軋無縫鋼管）規(guī)格為：Φ150×10</p><p>　　取管程流體進出口接管（熱軋無縫鋼管）規(guī)格為：Φ150×10</p><p><b>　　四、換熱器核算</b></p><p><b>　　1.傳熱能力核算</b></p><p>　?。?）殼程流體傳熱膜系數(shù)</

43、p><p><b>　　用克恩法計算：</b></p><p><b>　　當量直徑：=</b></p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p><b>　　殼程流體流速：</b></p><p><b>

44、;　　雷諾數(shù)：</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p><b>　　粘度校正：</b></p><p><b>　　得：</b></p><p>　?。?）管內(nèi)傳熱膜系數(shù) </p><p>　　管程流體流通截

45、面積： </p><p><b>　　管程流體流速：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)：</b></p><p><b>　　普朗特數(shù)：</b></p><p><b>　　得：</b></p><p>　?。?）污垢熱阻

46、和管壁熱阻</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻： （井水）</p><p>　　管外側(cè)污垢熱阻： （有機液）</p><p>　　管壁熱阻：碳鋼在該條件下的熱導率為52.34w/(m·K)</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　（4）

47、傳熱系數(shù) </b></p><p>　?。?）傳熱面積裕度 </p><p><b>　　所計算傳熱面積為：</b></p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積為：</p><p>　　該換熱器的面積裕度為：</p><p>　　傳熱面積裕度合適（15%~20%），該換熱器能夠完成生

48、產(chǎn)任務(wù)。</p><p><b>　　2.壁溫計算 </b></p><p>　　由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。則：</p><p>　　式中：0.4×

49、40+0.6×20=28℃</p><p>　　0.4×140+0.6×40=80℃ </p><p>　　3520.6w/㎡·k</p><p><b>　　709.1/㎡·k</b></p><p><b>　　傳熱管平均壁溫：℃</b><

50、/p><p>　　殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90℃。</p><p>　　殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為： ℃。</p><p>　　該溫差較大，故需要設(shè)溫度補償裝置，選用浮頭式換熱器較為適宜。</p><p>　　3．換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p>　?。?）管程流體阻力：</p>

51、<p>　　, ,,（Φ25×2.5）</p><p>　　由柏拉修斯公式： 得：</p><p>　　流速u=0.75m/s，=995.71kg/，所以</p><p>　　則總阻力：＜35000Pa</p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　（2）殼程阻力：

52、 </p><p><b>　　, (液體)</b></p><p>　　流體流經(jīng)管束的阻力：</p><p>　　0.5×0.6×13×(27+1)×=3319.7a</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力：</p><p>　　B=0.2m ,

53、 D=0.3m</p><p>　　則總阻力：（3119.7+2216）×1×1.15=6136.06Pa＜35000Pa</p><p><b>　　設(shè)計結(jié)果匯總表</b></p><p>　　殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表：</p>

54、;<p><b>　　設(shè)計評述</b></p><p>　　在教師下達設(shè)計任務(wù)后，通過上網(wǎng)和多方查閱資料手冊，經(jīng)過近一個月左右時間緊張有序的設(shè)計后，終于完成了浮頭式換熱器的設(shè)計和校核。通過工藝計算，計算出所需要的一些參數(shù)，如總換熱面積為108.85m2，換熱管管數(shù)為154根。這些為后續(xù)的機械設(shè)計和繪制裝配圖奠定了良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計是課堂所學知識的全面應(yīng)用與考查，既涉及到化工工

55、藝方面，又涉及到設(shè)備設(shè)計及化工制圖等方面的內(nèi)容。正因為如此，這次我能順利完成任務(wù)，離不開老師、同學的支持和幫助，同時在完成此次過程中，我也學到了許多書本以外的知識。通過課程設(shè)計，讓我對以前學習的各科知識有了更系統(tǒng)的理解。比如《化工原理》、《工程制圖》等課程。這些專業(yè)知識必將為我今后實習、就業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)?？傊?，此次設(shè)計讓我受益匪淺。</p><p>　　工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖</p><

56、p>　　熱流體有機液(140℃)經(jīng)泵進入換熱器殼程，冷卻至40℃后，進入反應(yīng)器循環(huán)使用。冷流體井水(20℃)經(jīng)泵進入換熱器管程進行熱交換。工藝流程如圖所示：</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　譚天恩，竇梅，周明華等《化工原理（第三版）》化學工業(yè)出版社</p><p>　　《換熱器課程設(shè)計指導》</p&

57、gt;<p><b>　　主要符號說明</b></p><p>　　Ac——計算傳熱面積，m2 </p><p>　　Ap——實際傳熱面積，m2

58、 </p><p>　　B——折流板間距，m </p><p>　　cp1——熱流體的定壓比熱容，kJ/ (kg·℃)

59、 </p><p>　　cpi——冷流體的定壓比熱容，kJ/ (kg·℃)</p><p>　　d0——圓管外徑，m</p><p>　　di——圓管內(nèi)徑，m</p><p>　　de——當量直徑，m</p><p><b>　　D——殼體內(nèi)徑，m</

60、b></p><p>　　D1——殼程接管內(nèi)徑，m</p><p>　　D2——管程接管內(nèi)徑，m</p><p>　　f0——流體的摩擦系數(shù)，</p><p>　　Ft——結(jié)垢校正系數(shù)</p><p>　　FS——殼程結(jié)垢校正系數(shù)，</p><p>　　F——管子排列方式對壓力降的校正系數(shù)

61、，</p><p>　　h——折流擋板間距，m</p><p><b>　　H——裕度/%</b></p><p>　　K——總傳熱系數(shù)，W / (m2·℃)</p><p>　　Ke——核算得傳熱系數(shù)，W / (m2·℃)</p><p>　　L——換熱管長度，m</p

62、><p>　　l——換熱器每程管長，m</p><p><b>　　NB——折流擋板數(shù)</b></p><p>　　Np——每殼程的管程數(shù)</p><p>　　NS——串聯(lián)的殼程數(shù)</p><p><b>　　Nt——傳熱管總數(shù)</b></p><p>&

63、lt;b>　　Nu——努塞爾準數(shù)</b></p><p>　　Q——熱流量，kJ/h或kW</p><p>　　Pr——普蘭特準數(shù)；</p><p>　　R0——管外污垢熱阻，m2·k/w</p><p>　　Ri——管內(nèi)污垢熱熱阻，m2·k/w</p><p>　　Rw——管壁熱

64、阻，m2·k/w</p><p><b>　　Re——雷諾準數(shù)</b></p><p>　　t——換熱管中心距離，m</p><p>　　tw——傳熱管平均壁溫，℃</p><p>　　t2、t1——冷流體的進、出口溫度，℃</p><p>　　Δt——流體與壁面間溫度差的平均值，℃&l

65、t;/p><p>　　Δt1、Δt2——冷熱兩流體溫差，℃</p><p>　　Δtm——傳熱平均溫度差，℃</p><p>　　T1、T2——熱流體的進、出口溫度，℃</p><p>　　uo——殼程流速，m/s</p><p>　　ui——管程流速，m/s</p><p>　　Δpi——直管阻力

66、引起的壓力降，Pa</p><p>　　Δpr——局部阻力引起的壓力降，Pa</p><p>　　Δp0——流體流過管束的壓力降，Pa；</p><p>　　Δpi——流體流過折流擋板缺口壓力降，Pa</p><p>　　Δps——殼程阻力壓降，Pa</p><p>　　Δp1——管程阻力壓降，Pa</p>