u型管换热器课程设计说明书2Word格式.docx
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若
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0.8,应考虑采用多壳程结构的换热器或用多台换热器串联。
③依所处理流体介质的性质,凭经验初选一总传热系数K0(估),并由总传热速率方程计算传热面积S'
0:
S'
0=Q/K0估Δtm
式中Q———热负荷,W;
K0(估)———凭经验选取的总传热系数,W/(m2·
K);
Δtm———平均温度差,℃。
④根根据计算出的S’0值,查有关换热器系列标准,确定型号规格并列出各结构主要基本参数。
⑤利用总传热系数关联式计算K0(计),再由总传热速率方程式求出S0(计)。
考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素,应使得所选用换热器具有的传热面积S0留有的裕度10%~25%,即[(S0-S0(计))/S0(计)]=(10%~25%)。
否则需重新估计一个K0(估),重复以上计算。
也可依所选用换热器具有的传热面积S0,通过总传热速率方程式求出K0(选),然后比较K0(选)/K0(计)之值是否在1.15~1.25范围。
⑥计算出管、壳程压力降,验算是否满足要求。
三、工艺计算及主要设备设计
1、确定设计方案
选择换热器的类型:
两流体温度变化情况:
煤油进口温度为125℃,出口温度40℃,冷流体进口温度25℃,出口温度45℃;
设煤油压力为,冷却水压力为。
该换热器用循环冷却水冷却,固定管板式换热器具有结构简单和造价低廉等优点,但它仅适用于壳程流体压强小于0.6MPa,管、壳程壁温温度差小于70℃,且管间只能通过清洁流体的场合,因此初步确定选用固定管板式换热器。
流程安排:
由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗,应使循环水走管程,煤油走壳程。
选用ф25×
的碳钢管(换热管标准:
GB8163)。
2、确定物性数据:
定性温度:
可取流体进口温度的平均值。
煤油的定性温度为:
(℃)
冷却水的定性温度为:
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
煤油在℃下的有关物性数据
循环冷却水在35℃下的物性数据
密度
ρo=825kg/m3
ρi=994kg/m3
定压比热容
cpo=kJ/(kg·
K)
cpi=(kg·
导热系数
λo=W/(m·
λi=W/(m·
粘度
μo=Pa·
s
μi=Pa·
3、估算传热面积
计算热负荷和冷却水用量
Wh=
(kg/h)
Q=WhCphΔt0=×
(125-40)=h=(kW)
忽略换热器的热损失,冷却水用量
计算两流体的平均温度差
先按理想逆流传热温度差进行计算,即
(℃)
温度校正
平均传热温差校正系数:
R=(125-40)/(45-25)=;
P=(45-25)/(125-25)=
由R和P值,按单壳程查温度差校正系数图,得温度校正系数φ=>
,可行。
所以修正后的传热温度差为Δtm=φΔtm’=初步选型
传热面积
假设K=300W/(m2·
K),则估算面积为:
A=Q/(K×
Δtm)=×
103/(300×
=(m2)
管径和管内流速
换热管选用碳钢管ф25×
,取管内流速u=s
管程数和传热管数
换热管选用普通无缝钢管ф25×
,管内径d=,于是单程管根数n'
为
=
取n'
=38根
按单程管计算,所需的传热管长度为:
初选换热器类型与型号
由于Tm-tm=(125+40)/2-(45+25)/2=(℃)<
50(℃),两流体间的温差不大,不需要温度补偿;
但是为了便于壳程污垢清洗,以采用固定管板式列管换热器为宜,且初步选定的具体型号为
的具体参数
壳径/mm
600
管子尺寸
ф25×
公称压力/
1MPa
管长/m
6
公称传热面积/㎡
100
管子总数
216
管程数
管子排列方式
正三角形
壳程数
1
折流挡板形式
弓形折流板
传热管排列和分程方法
按单管程设计,传热管过长,宜采用多管程结构,根据本设计实际情况,采用标准设计,现取传热管长为l=6m,则该换热器的管程数为:
NP=L/l=6=6;
传热管总根数:
NT=38×
6=228(根)
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=,则t=×
25=≈32(mm)
横过管束中心线的管数
Nc=
=17根
壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率η=,则壳体内径为
圆整可取D=600mm。
折流板
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=×
600=150(mm)。
折流板间距B=,则B=×
600=240mm。
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24(块)
折流板圆缺面水平装配
接管
壳程流体进出口接管:
取接管内煤油流速为u=s,则接管内径为:
D1=
(m),圆整后可取管内径为90mm。
管程流体进出口接管:
取接管内循环水流速u=m/s,则接管内径为
(m)=100mm。
4.换热器的核算
热流量核算
壳程表面传热系数;
用克恩法计算:
当量直径,由正三角排列得:
de=
m
壳程流通截面积:
=(m2)
壳程中煤油流体流速及其雷诺数分别为:
u0=V0/A=
(m/s)
Re0=
普朗特数:
Pr=
;
粘度校正:
α0=
=〔W/(m2·
K)〕
管内表面传热系数:
i
管程流体流通截面积:
Si=×
216/6=(m2)
管程流体流速及其雷诺数分别为:
ui=
=(m/s)
Rei=
i=×
=〔W/(m2·
K)〕
污垢热阻和管壁热阻
查有关文献知可取:
管外侧污垢热阻R0=m2·
K/W
管内侧污垢热阻Ri=m2·
计算传热系数K(忽略管壁热阻):
=
+Rso+
+
Ko=
=394
计算传热面积AC:
AC=Q/(KC×
△tm)=×
103/(394×
)=(m2)
该换热器的实际传热面积A:
A=
=×
6×
(228-17)=(m2)
该换热器的面积裕度为:
H=
100%=
100%=%
为了保证换热器的可靠性,一般应使换热器的面积裕度大于15%~25%。
满足此要求,所设计的换热器较为合适传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
换热器内流体的流动阻力
管程流体阻力
计算公式如下:
△Pt=(△Pi+△Pr)NSNpFS;
NS=1,Np=6,FS=;
△Pi=
由Re=,传热管相对粗糙度20=,莫狄图(下图)得
=,流速u=s,ρ=994kg/m3,故
=(Pa);
△Pr=
=1573(Pa)
△Pt=(△Pi+△Pr)FsNs=(+1573)×
=(Pa)<
105Pa
管程流体阻力在允许范围内
壳程阻力
公式有:
△PS=(△P0+△Pi)FSNS
其中FS=;
NS=1;
△P0=Ff0NTC(NB+1)
又F=,
f0==5×
Nc==×
=17
NB=24;
u0=s
则流体流经管束的阻力:
△P0=Ff0Nc(NB+1)
17×
(24+1)×
825×
2≈(Pa)
流体流过折流板缺口的阻力
△Pi=NB(D)
其中B=;
D=;
故
△Pi=24×
(×
)×
2≈(Pa),
则总阻力:
△PS=△P0+△Pi=+=(Pa)<
105Pa。
故壳程流体的阻力也适宜。
综上所诉,该换热器管程与壳程的压力降均小于允许压降100KPa,均符合要求,所以设计的换热器符合条件。
四、设计结果设计一览表
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。
参数
管程
壳程
流率/(kg/h)
进/出温度/℃
25/45
125/40
物
性
定性温度/℃
35
密度/(kg/m3)
994
825
定压比热容/(kJ/(kg·
K))
粘度/(Pa·
s)
热导率/〔w/(m·
普朗特数
设
备
结
构
参
数
形式
固定管板式
台数
1
壳体内径/mm
600
管径/mm
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
△
管数目/根
216
折流板数/个
24
传热面积/m2
折流板间距/mm
240
6
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/(m/s)
表面传热系数/〔w/(m2·
污垢阻力/(w/m2·
阻力/MPa
热流量/kW
传热温差/℃
传热系数/〔w/(m2·
394
裕度/%
五、辅助设备的计算和选型
封头(JBT4729_94)
标准椭圆形封头的几何形状如附图1所示。
形成这种封头的母线是由14椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑连接而成,故它由半个椭圆球和一个高度为h0的圆柱短节(称它为封头的直边部分)构成。
附表1所列椭圆封头尺寸与质量,摘自JBT4729_94标准。
附图1标准椭圆形封头
椭圆封头尺寸与质量(摘自JBT4729_94)
压力容器法兰(TB4702—92)
压力容器法兰(TB4702—92)的类型有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰。
用于不锈钢容器时,法兰端面焊有不锈钢衬环。
就法兰的密封面来说,又有平密封面、凹凸密封面和榫槽密封面之分。
鞍式支座(JBT4712-92)
卧式容器的支座常用鞍式支座,简称鞍座。
它是由底板、腹板、筋板和垫板四种板组焊而成的焊制鞍座;
或其中腹板与底板由同一块钢板弯制的弯制鞍座.这次设计采用重型弯制鞍座。
DN500~900鞍座尺寸(JBT4712—92)mm
DN500~900mm的型鞍式支座
DN500~900mm的型弯制鞍式支座
管板
焊接管板的最小厚度取决于焊接工艺及管板焊接变形的要求,对于固定管板式换热器的管板结构见图1_12,主要尺寸见表1_12。
拉杆与定距管
折流板的安装固定是通过拉杆和定距管来实现的。
拉杆是一根两端皆带有螺纹的长杆,一端拧入管板,折流板就穿在拉杆上,各板之间则以套在拉杆上的定距管来保持板间距离,最后一块折流板可用螺母拧在拉杆上予以紧固。
拉杆直径及数量可依换热器壳体内直径选定,各种尺寸换热器的拉杆直径和拉杆数,可参考表1_17选取。
定距管通常采用与换热管材料、直径相
同的管子。
安装折流板的目的,是为了加大壳程流体的湍流速度,使湍流程度加剧,提高壳程流体的对流传热系数。
在卧式换热器中折流板还起到支承管束的作用。
常用折流板有弓形(或称圆缺形)和圆盘—圆环形两种。
弓形折流板结构简单,性能优良,在实际中最为常用。
折流板直径Dc取决于它与壳体之间间隙的大小。
间隙过大时,流体由间隙流过而根本不与换热器接触;
间隙过小时又会引起制造和安装上的困难。
折流板直径Dc与壳体内直径Di间的间隙可依表1_13中所列数值选定。
六、设计评述
本次化工课程设计是对列管式换热器的设计,通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实,本列管式换热器的设计可以说基本完成了。
一开始接到这个任务很迷茫,因为本来对换热器的设计这个概念就不清楚,而且对于画图一直也是我的弱项,所以心情很浮躁,过去了几天还是毫无头绪。
后来在答疑课上借到了上届的作业,开始一步一步地研究。
课程设计需要学生自己做出决策,自己确定实验方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备的计算,并要对自己的选择做出论证和核算,经过反复的分析比较,择优选定最理想的方案和合理的设计。
所以,课程设计是增强工程观念、培养提高学生独立工作能力的有益实践。
换热器的设计主要是核算比较麻烦,而且计算时遇到很多麻烦,关于管程壳径等概念很模糊,设计过程中遇到的麻烦很多,也正是因为这样,我开始不断地查阅资料问问题,突然间觉得自己虽然学过这些知识,但是还是有很多的疑问。
也正是因为不断地发现问题分析问题解决问题,才提高自己的理解和学习能力。
通过这次设计我了解了换热器的工艺流程,知道了各种换热器的优缺点,通过一次次地计算,对于换热器的型号的选择依据有了更深刻的理解。
第二周开始作图,一开始面对A1的纸却不敢下笔,不敢画页不知道该怎么画,于是先画了个边框,接着在图书馆找了一下午资料,才知道自己知道的只是冰山一角,第二天在宿舍呆了一天去查法兰还有支座的尺寸和型号。
在画图的时候一边画一边问,在大家的讨论中明白了很多,也找出了自己很多的错误。
虽然现在自己的说明书和图还有很多的问题,图纸的线条不够清晰,有些线条甚至是画斜了,但是从这次课程设计中我懂了很多,不仅是换热器的只是,还学到了很多课本上没有的,知道不耻下问,知道坚持不懈,知道静下心来去做事。
七、参考资料
[1]匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京:
化工工业出版社,2002
[2]姚玉英.化工原理.天津:
天津:
大学出版社,1999
[3]刘巍.冷换设备工艺计算手册.北京:
中国石化出版社,2003
[4]黄璐、王保国.化工设计.北京:
化学工业出版社,2001
[5]谭天恩等.化工原理.北京:
化学工业出版社,2006
[6]董振珂.化工制图.北京化学工业出版社,2001
[7]王非、林英.化工设备用钢.北京:
化学工业出版社,2003
[8]秦叔经、叶文邦.换热器.北京:
化学工业出版社,2002
[9]李克永.化工机械手册.天津:
天津大学出版社,1991
[10]贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.北京:
化学工业出版社,1989
八、主要符号说明
P——压力,Pa;
Q——传热速率,W;
R——热阻,㎡·
K/W;
Re——雷诺准数;
S——传热面积,㎡;
t——冷流体温度,℃;
T——热流体温度,℃;
u——流速,m/s;
——质量流速,㎏/h;
——表面传热系数W/(㎡·
K);
——有限差值;
——导热系数,W/(m·
——粘度,Pa·
s;
——密度,㎏/m3;
——校正系数。
r——转速,n/(r/min)
H——扬程,m
——必须汽蚀余量,m
A——实际传热面积,
Pr——普郎特系数
NB——板数,块K——总传热系数,W/(㎡·
K)
——体积流量Nt——管数,根
Np——管程数l——管长,m
KC——传热系数,W/(m·
K)△tm——平均传热温差,℃