化工原理课程设计--列管式换热器设计任务书.docx
列管式换热器设计任务书目录一、设计题目1二、设计条件1三、相关物性数据1四、设备形式2五、流动空间安排及流向的选择2六、设计计算31 .热力设计32 .初选换热器规格43 .总传热系数的核算44 .污垢热阻65 .计算总传热系数66 .传热面积裕度67 .壁温计算68 .核算压强降7七、辅助设备的计算及选型9八、设计结果一览表11九、附录12任务书一、设计题目用水冷却25%甘油的列管式换热器设计二、设计条件1 .甘油处理量：夕ZWO=4.5805xlYgz进口温度：T1=I(X)oC出口温度：=40oC压强降：PVIOL3枕。2 .冷却水进口温度：=20出口温度：弓=30压强降：p<03kPa三、相关物性数据1.计算定性温度壳程甘油定性温度：T=MjI=*40。C=70。C22管程循环水定性温度：，="2=空/=25222 .根据定性温度查询相关物性数据如下：(1)甘油70下的物性数据：密度：P=1048kgn3定压比热容：Cp=2651kJ(kgK)热导率：4=0.570W(nK)粘度：A=0.7255×103Pa5(2)循环冷却水在25下的物性数据：密度：p=997.0Ug/疗定压比热容：C=4.119kJ(kgK)热导率：4=0.609W(mK)粘度：=0.90275×104Pas循环冷却水在7。°C下的比热容：C=461kJ/(kg-K)根据C=G7+O(l-7)，其中C是水溶液的比热，G为无水甘油的比热，CB为水的比热，7为溶液中甘油的质量分数，则25%甘油的定压比热容为：CF=Cpi×25%+C1×75%=2.651X0.25+4.67X0.75=3.788ZJ/(ZgK)3 .每年按356天计，每天24小时连续运行。四、设备形式浮头式换热器管束膨胀不受壳体约束，所以壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。而且在清洗和检修时，仅需将管束从壳体中抽出即可，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。由于该过程温差较大，所以综合各个换热器的特点，确定选用浮头式换热器。五、流动空间安排及流向的选择因被冷却的流体走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。再加上廿油水溶液属于粘度较大的液体，在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，可以提高对流传热系数。另一方面，由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，25%甘油走壳程，循环冷却水走管程。当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。故在此过程中采用逆流。H.n.ryBMA。等.测定皂角甘油中油脂含量的快速方法J.日用化学工业译丛.1998,4(1):40-40六、设计计算1、热力设计（1）传热速率（热负荷）Q已知液体的质量流量夕痴=4.5805xl09gzz,传热的冷、热流体均没有相变化，且忽略热损失，则：Q=qmhCp.（7-7；）=4.5805×104×3.788×（100-40）=1041056Q4。/h（2）冷却水用量10410560 .44.179x10249116 kg!h 91 r1In-Lr2100-40 r=o30-20p 30-20 100-20= 0.125（3）平均温度差与暂按单壳程、多管程，且纯逆流计算，此时:=39.91 (100-30)-(40-20)1100-30In40-20平均传热温差校正系数:因R与P存在°"=（P,R）,按单壳程双管程结构，查有关图表判断流动形式。以1/H代替R,PR代替尸,查同一图线得e4=0.95。由于火,0.8,故应选用逆流传热。表1对数平均温差校正系数为壳侧1程，管侧2程或2程,疗整数0.K0.60.5£、assIss=;二S部.二sw.2,初选换热器规格根据25%甘油的粘度，参照管壳式换热器用作冷却器时，可以将25%甘油看做中有机物，其传热系数K的大致范围290698W(m2K),所以初取K=30W(m2K)f估算传热面积：10410560.4310x39.91x3.6=233.737An2壳径D(mm)1000管子尺寸(mm)025x2.5管长L(m)6管程数Np2管子排列方法正方形45°排列管子总数606中心排管数NC19管程流通面积Cm2)0.0952据此，由换热器系列标准中选定换热器，有关参数见下表:3.总传热系数的核算管程传热系数：水的质量流速：q,=249116kg/h管程流通截面积：c乃42%九八2606八AnS2S=-di=×0.02×=0.0952m4'N,42循环水流速:qv249116÷997.04,八,U=2624.5/nIh=0.7290m/s,则：S0.0952Rei4up_0.02X2624.5÷3600997.040.90275×104161037>10000故该流动属于圆直管内湍流，根据流体无相变时的对流体传热系数表，有陈敏恒，丛德滋，方图南，齐明斋：化工原理(上册)第三版，化学工业出版社2013年版，第299页及203页。马江权，冷一欣：化工原理课程设计第二版，中国石化出版社2014年版，第65页。二().0234(3°SY产di=0.023×0.609z0.02×2624.5÷3600×997.04x08X(7)0.020.90275×W4z3.788×103×0.90275×10'°4×()0.609=3241W(mK)壳程传热系数管心距/=三-=50M+119+1由板间距一般为壳体内径的0.21.0倍，则选择板间距为500mm,流体通过的横截面面积为：A=BZXl）=0.50×LOX（I-2二二）=0.25n2I0.050流速：M0为=458O5±36OO=o.o486ms0.25×1048因为采用正方形45°排列，管间距为50mm时，管群的当量直径:de4«浮)?oJl、4(0.0502一一×0.0252)4=0.102/71×0.025_deu0pl_0.102×0.0486×10480.7255×10-3=7160.8Cplx3.788×103×0.7255×W31=4.8210.570壳程中甘油被冷却,=0.95,则J_ J_KaiAv13241+ 0.00034+1423.61+ 0.00017+0.02517.4八(4D°55n0.33Z"、%=。.36子.60P()deJUw=0.36××716O.8055×4.821033X0.950.102=423.6IWOK)4 .污垢热阻查阅资料得管侧、壳侧的污垢热阻分别取：ri=0.00034m2°CWF=0.00017m2°CW不锈钢管：Av=17.4W/(m)5 .计算总传热系数1M+-+%=4.616×10-3(m2oC)W故.K =-4.616x10-3= 216.6W(m2oC)6 .传热面积裕度计算传热面积S为10410560 .4310×39.91×3.6=233.737 m2根据管子数量为n=606根，则该换热器的实际传热面积:SO=ndL-606×3.14×0.025×6=285.57nr该换热器的面积裕度为口S-S。285.57-233.737iq1.o.ri=Io.13/0SO285.57为保证换热器操作的可靠性，一般使换热器的面积裕度大于15%25%.现在该换热器有18.15%的面积裕度，在15%25%范围，传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。Z壁温计算为检验所选换热器的型式是否合适，是否需要加设温度补偿装置等，所以要进行壁温计算。马江权，冷一欣：化工原理课程设计第二版，中国石化出版社2014年版，第66页，表29(1)换热管壁温已知02=423.61,R=L+4=工+0.00034=0.00069l32411由尸可得：0=38.101Wt(2)管体壁温壳体壁温的计算方法与传热管壁温的计算方法类似。己知/?=+0.00017=+0.00017=2.531×IO-3%423.611TiTwccx根据3TL=U,解得：7Jv=91.30oCAv-tR这里由于传热条件使壳体壁温接近于热流体温度，所以壳体壁温可取壳程流体的温度。且壳体壁温与传热管壁温之差为：r=91.30-38.10=53.2>50该温差大于50,故需要设置温差补偿装置。8.核算压强降(1)管程压力降多管程列管换热器，管程压力降Z巴.=(3+32)4NSNP,为直管中摩擦阻力引起的压力降，计算如下：1 IU2h万£APl=-=i-,其中4=9(Re，7),已求得Rej=I61037,设£=0.01,查OOCl-莫狄图得摩擦阻力系数2=0.03,故:八60.729020.03×X7,=蛔2_=25.12XkPa0.0952弯管阻力引起的压力降：p2=3×(pw2/2)=3×(997.04×0.72902÷2)=794.80耳为结垢校正系数，无因次，0257三x2.5如%的换热管取1.4NS为串联的壳程数，NP为管程数，设计Ns=LNp=2综上，=(25.121+794.80×103)×1.4×2=72.564<101.3管程流体压强在规定范围内。(2)壳程压力降用ESSO法计算，根据公式Za=M'+M)aNs其中，由于循环水是液体，则&=1.15NS=IM'=AM+1呼M=N6(3.53)与管子正方形45°排列,F=0.4nc=19取隔板间距500%,则折流板数目为:6 o3壳程流通面积：111Ao=B(D-ntJ=0.50×(1.0-19×0.025)=0.2625m245805÷36001048×0.2625= 0.04625加 /
