换热器设计
徐州工业职业技术学院
实训 (实习) 计划
(2015/2016学年第2学期)
姓 名 尹 金 凤 学 号 [1**********] 实训(实习)名称:食品生产单元操作课程设计 班 级 食品工艺与营销141 周 数 第17~18周 共2周 指 导 教 师 王涛 教 研 室 食品工艺与营销
系 部 化工学院 制 定 日 期 2016 年 月 日
目录
㈠.化工原理课程设计任务 . .......................................................................................................... 3 ㈡.确定物理性质 . .......................................................................................................................... 3 ㈢.确定换热器基本要素 . .............................................................................................................. 3
3.1换热器类型和材质 . ............................................................................................................ 3 3.2管程安排 . ............................................................................................................................ 3 3.3设计主要构件 . .................................................................................................................... 3 ㈣.估算传热面积 . .......................................................................................................................... 4
4.1. 原油的传热量 . ................................................................................................................... 4 4.2. 原油的传热速率 . ............................................................................................................... 4 4.3. 水的传热量 . ....................................................................................................................... 4 4.4. 平均温度差△t m 和估算传热面积 .................................................................................... 4 先按逆流计算对数平均温度差: . ............................................................................................. 4 ㈤. 工艺结构尺寸 . ........................................................................................................................... 5
5.1. 管径和管内流速 . ................................................................................................................ 5 5.2. 管程数和传热管数 . ............................................................................................................ 5 5.3. 壳程数 . ................................................................................................................................ 5 5.4. 传热管排列方式 . ................................................................................................................ 5 5.5. 壳体外径 . ............................................................................................................................ 5 5.6. 折流挡板 . ............................................................................................................................ 6 5.7. 接管 . .................................................................................................................................... 6 ㈥. 换热器的核算 . ............................................................................................................................. 7
6.1. 壳程对流传热系数 . ............................................................................................................ 7 6.2. 管程传热系数 . .................................................................................................................... 7 6.3. 污垢热阻和管壁热阻 . ........................................................................................................ 8 6.4. 传热系数K . ........................................................................................................................ 8 6.5. 传热面积裕度 . .................................................................................................................... 8 6.6. 流体通过换热器的流动阻力 . .......................................................................................... 8
①管程压强降 . .................................................................................................................. 8 ②壳程压强降 . .................................................................................................................. 9
㈦. 确定设计结果 . ........................................................................................................................... 9 ㈧.绘制换热器基本图形 . ............................................................................ 错误!未定义书签。
㈠.化工原理课程设计任务
某工厂生产过程需要将0.4mpa,6000kg/h的原油从175℃冷却到130℃,用压力为0.3mpa 循环冷却水做冷却介质,进出口温度分别为25℃,55℃. 设计一台列管式换热器完成该生产任务。
㈡.确定物理性质
原油:175℃→130℃ △t1=152.5℃
水:25℃ → 55℃ △t2=40℃ 在定性温度下,原油和水的物理性质查得如下:
㈢.确定换热器基本要素
3.1换热器类型和材质
类型 由于要求中的热温差与冷流体温差较大(>70℃), 易引起管子变形发生泄漏;由于流体为原油,易结垢,此选择浮头式换热器。 材质 碳素钢 3.2管程安排
原油在流动过程中容易结垢,则应走易于清洗的一侧;因为热流体(原油) 的压力高于冷流体(水),且管子的直径较小,耐压程度较高,可以使压力较高的流体(原油) 安排在管程。 3.3设计主要构件
管子规格:选取Φ25m m ×2.5mm
管板:对管程和壳程起隔离作用;承受加热板与外壳热膨胀产生的轴向力。
一般浮头式换热器手里较小,厚度只要求满足密封性即可。因此板厚∮=0.7×0.025=17.5mm
管间距:查表得t=32mm 排列方式:选取正三角形排列
㈣.估算传热面积
4.1. 原油的传热量
m i =6000/3600=1.67kg/s 4.2. 原油的传热速率
Q=mi c ph (T1-T 2)=1.67 *2.20(175-130)=165 kw 4.3. 水的传热量
4.4. 平均温度差△t m 和估算传热面积 先按逆流计算对数平均温度差:
∆t 1-∆t 2
ln
t m ′=ln(∆t 1) =105=112.3℃
∆t 2
120-105
P=(t2-t 1)/(T1-t 2) =(55-25)/(175-25)=0.20 R=(T1-T 2)/(t2-t 1)=40/30=1.33
由图表查得温度差校正系数∮=0.98,由于平均传热温差校正系数大于0.8,因此选用单壳程即可。
△ t m =∮△t m ′=0.98*112.3=110.0℃
由于壳程压力较高,故可以选取较大的K 值。假设K 取300(W/(m 2·℃),则估算传热面积为:
A 估=Q/K估△t m =165×103/300*110.0=5m2
㈤. 工艺结构尺寸
5.1. 管径和管内流速
选用Φ25mm ×2.5mm 不锈钢板卷焊而成的管子,管内流速取u i =0.5m/s。 5.2. 管程数和传热管数
选定管子规格后,可先求出单管程所需的管子数目: n s=4V/πd i u i =1.32/992.2/(0.785*0.022*0.5)=8.7≈9根。 按单程管计算,所需传热管长度为: L=A/πd o n o =5/(3.14*0.025*9)=7.07m
为了保证流体在管内有一定的流速,可考虑将管束分程,根据要求,可以取换热长度为l=2.0m,则该换热器的管程数为: N o =L/l=7.07/2.0=3.5≈4 传热管总管数:N=ns N o =4*9=36根
5.3. 壳程数
由上知道温度差校正系数∮=0.98,由于平均传热温差校正系数大于0.8,因此选用单壳程即可。 5.4. 传热管排列方式
因为壳程流体为水,易清洗因此可选择正三角形排列,可使管子间的距离都相等,易加工。
由表查得外径25mm 对应的管心距为32mm 。 中心线管数n c =1.19√N=1.19√36=7.1≈8根 5.5. 壳体外径
采用多管程结构进行壳体内径估算,管板利用率c 取0.7,则壳体内径为: D=1.05t√N/c=1.05*32√36/0.7=240.96mm.按壳体直径标准系列尺寸进行圆
整:D=400mm。
壳体直径核算 换热器壳体内径应等于或略大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。可用下式计算壳体内径:
D p =t(n c -1)+2e=32*(8-1)+2*1.2*25=284mm 其中, n c —横过管束中心线的管数(4. 中得n c =8)
t —管心距,m
e —管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离(此处取e=1.2do )
经过圆整后D p =400mm。同时l/D的值为5,满足工艺条件。
5.6. 折流挡板
选择合适的挡板有利于加大壳程流体流速和湍动程度,从而提高壳程对流传热系数。查表得, 壳体内径为800mm 时对应的折流板与壳体间间隙为4.0mm 。折流挡板数量可由下式计算: N B =(L-0.1)/B-1 其中,L —传热管长(取2.0)
B —折流板间距。采用圆缺形折流板,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=0.25*400=100mm,取折流挡板间距B=0.3D,则B=120mm,所以B 可取150mm 。
代入上式得:N B =1.9/0.3-1=5.3≈6块,且挡板水平装配。 5.7. 接管
管程流体进出口接管:取接管内原油流速u i =0.5m/s,则接管内径为 d i =√(4V/πu i )=√(4*1.67/820/(3.14*0.5))=0.071m
壳程流体进出口接管:取接管内原油流速u o =0.2m/s,则接管内径为 d o =0.092m
㈥. 换热器的核算
6.1. 壳程对流传热系数
对圆缺形折流板可采用kern 公式: αo =0.36(λo /de )*Reo 0.55Pr 1/3(µo /µw ) 0.14 当量直径de 由正三角形排列得:
de=4(√3/2*t2-π/4do )/πd o =0.02m
壳程流通截面积:
S e =BD(1-d o /t)=0.15*0.4(1-25/32)=0.013m2
壳程流体流速、雷诺数和普朗特数:
uo =mo /ρ/A=1.32/992.2/0.013=0.102m/s
Reo =do u o ρo /µo =0.02*0.102*992.2/0.656×10-3=1548 Pro =co u o /λo =4.174*656×10-3/0.634=4.32 粘度校正:
(µo /µw ) 0.14≈1
αo =0.36×0.634/0.02×15480.55×4.321/3=1055.75 w/m2·k 6.2. 管程传热系数
αi =0.23(λi /di )Re 0.8Pr 0.3 管程流体流通截面积:
S i =π/4×0.022×36/2=0.0057m2 管程流体流速、雷诺数和普朗特数: u i =1.67/820/0.0057=0.357m/s
Re i =0.02*0.357*820/0.665×10-3=8804.2 Pr i =2.2*665×10-3/0.128=11.43
αi =0.23×0. 128/0.02×8804.20.8×11.430.3=4375.96w/m2·k
6.3. 污垢热阻和管壁热阻
由查表得:管外侧污垢热阻 R o =3.44×10-4m 2·k/w 管内侧污垢热阻 R i =1.72×10-4 m2·k/w
该温度下对应的碳素钢的热导率λ为50.2w/(m·K) ,管壁热阻为R w =bdo /λd m
其中,b —传热管的壁厚;
d m —传热管内外径的算术平均值(dm =0.0225) 代入数据得R w =0.00017 m2·℃/w 6.4. 传热系数K
1/K=do /αi d i +Ri d o /di +Rw d o /dm +Ro +1/αo 代入数据得1/K=0.00305, 即K=327.56w/m2·k 6.5. 传热面积裕度
计算传热面积 A c =Q/K·△t m =165×103/(327.56×110.0)=4.58 m2 实际传热面积 A p =πd o lN=3.14×0.025×2.0×36=5.65m2 则面积裕度为:
H=(Ap -A c )/Ac =(5.65-4.58)/5.65=23.4% 6.6. 流体通过换热器的流动阻力 ①管程压强降
△p i =(△p 1+△p 2)F t N s N p
其中,N s —串联的壳程数(N s =1); N p —管程数(已知为4);
F t —结垢校正系数(此规格管子值为1.4); △p 1=λi L ρu i 2/2di (其中λi =0.4513Rei -0.2653=0.04) =(0.04*2.0*820*0.3572)/2*0.02=209.02pa △ p 2=3ρu i 2/2 =3*820*0.3572/2=156.76pa
所以,△p i =(209.02+156.76)*1.4*1*4=2048.38pa.在允许范围内。
②壳程压强降
△p o =(△p 3+△p 4)F s N s
其中, △p 3=Fλo n c (NB +1)ρu o 2/2 △p 4=NB (3.5-2B/D)ρu o 2/2
F s —壳程压强降的结垢校正系数(液体取1.15) n c —管束中心线的管数; N B —折流板数;
F —校正系数(正三角形排列时取0.5); λo —壳程流体的摩擦系数;
代入数据得△p 3=147.42pa;△p 4=99.36pa;
所以△p o =(147.42+99.36)*1.15*1=283.79pa在允许范围内。
㈦. 确定设计结果