化工原理课程设计之管壳式换热器选型.docx

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化工原理课程设计之管壳式换热器选型

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一、前言

热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门,尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。

换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:

直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大,据统计,这类换热器占总用量的99%。

间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化规范。

近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。

如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题。

本说明书对指定有机物进行冷却选择合适的换热器，并且合理安排操作管路以及选择合适的离心泵作出详细的计算说明。

2、设计任务

班级：

姓名：

学号：

任课老师：

选择一个合适的换热器，冷却78ºC的某液态有机物至60ºC，此有机物的流量为82kg/s；

（1）合理安排操作管路；

（2）选择一台合适的离心泵；

（3）有机物69ºC的物理性质：

（4）冷却水：

进口温度t1=20ºC；

（5）操作条件：

换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1MPa。

3、目录

一前言.........................................................................................................................................1

二设计任务.................................................................................................................................2

四计算明细表.............................................................................................................................4

1管壳式换热器规格.............................................................................................................4

2离心泵的型号规格.............................................................................................................4

3计算数据结果记录.............................................................................................................5

五计算过程.................................................................................................................................6

1选择合适的换热器.............................................................................................................6

1.1热力学数据的获取..........................................................................................................6

1.2计算热负荷和......................................................................................................6

1.3计算温差和估计传热系数..............................................................................................6

1.4估算换热面积..................................................................................................................7

1.5计算管程压降和给热系数..............................................................................................7

1.6计算壳程压降和给热系数..............................................................................................8

1.7计算传热系数..................................................................................................................9

1.8校核传热面积.................................................................................................................9

2安排管路和选择合适的离心泵........................................................................................9

2.1管径初选.........................................................................................................................9

2.2压头计算.........................................................................................................................10

六附录........................................................................................................................................12

七符号说明................................................................................................................................13

八设计说明................................................................................................................................15

九参考文献................................................................................................................................15

四、计算结果明细表

（1）管壳式换热器的规格

公称直径

DN/mm

公称压力

PN/

MPa

管程数

N

管子根数

n

中心排

管数

管程流通面积/m2

换热管长度L/mm

管心距/mm

换热面积/m2

700

4

2

574

27

0.0507

4500

25

150.8

（2）离心泵的型号规格

型号

转速

n/（r/min）

流量

扬程

/m

效率

功率

必需气蚀量

（NPSH）r/m

质量（泵/底座）/kg

m3/h

L/s

轴功率

电机功率

IS150-

125-250

1450

120

33.3

22.5

71

10.4

18.5

3.0

758/158

200

55.6

20

81

13.5

3.0

240

66.7

17.5

78

14.7

3.5

（3）计算数据结果记录

工程

结果

单位

冷却剂出口温度

40

循环水定性温度

30

热负荷

3276.72

kW

冷却水质量流量

39.25

并流对数平均温差

35.7

逆流对数平均温差

39.0

估算换热面积

147.4

管程流动面积

0.0507

管内冷却水流速

0.78

管程给热系数

3969

摩擦系数

0.036

管程压降

12539.7

Pa

壳程流动面积

0.134

壳程有机物流速

0.61

当量直径

0.0173

m

壳程给热系数

1315

壳程压降

5483.32

Pa

核算传热系数

693

校核传热面积

121.24

冷却水流量

144

总局部阻力系数

21.64

阻力损失

7.5

m

压头（扬程）

15.96

m

五、计算过程

一选择合适的换热器

1热力学数据的获取

冷却剂：

河水，从Δtm>10℃及防止水中盐类析出为原则，选选择出口温度：

t2=40ºC

循环水的定性温度：

入口温度为，出口温度为

循环水的定性温度为

两流体的温差

两流体在定性温度下的物性数据如下

物性

流体

温度

℃

密度

kg/m3

粘度

mPa·s

比热容

kJ/（kg·℃）

导热系数

W/（m·℃）

有机物

69

997

0.6

2.22

0.16

循环水

30

995.7

0.8012

4.174

0.6171

2计算热负荷和

由热量衡算

3计算温差和估计传热系数

并流时，

逆流时，

根据管程走循环水，壳程走有机物，总传热系数K现暂取：

4估算换热面积

根据可以选择下述规范换热器（查附录得）：

（排列方式：

正三角形）

公称直径

DN/mm

公称压力

PN/

MPa

管程数

N

管子根数

n

中心排

管数

管程流通面积/m2

换热管长度L/mm

管心距/mm

换热面积/m2

700

4

2

574

27

0.0507

4500

25

150.8

5计算管程压降及给热系数

根据规范换热器提供的参数管程流动面积

管内冷却水流速

管程给热系数

取钢的管壁粗糙度为0.1mm，则

管程压降

6计算壳程压降及给热系数

挡板间距B取0.9m，

壳程中有机物被冷却，

取折流挡板间距

管束中心线管数

壳程流动面积

因

管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15

挡板数：

壳程压降

7计算传热系数

污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻

管内侧污垢热阻

取钢管壁厚，热导率

8校核传热面积

所选换热器：

所以选择的换热器符合要求。

c

二安排管路和选择合适的离心泵

1管径初选

初取水经济流速

由于182mm不是规范管径，因此确定

符合经济流速范围

故确定：

2压头He

在水槽液面及压力表处列柏努利方程

取，

，

查图得

局部阻力：

底阀1个

规范90°弯头3个

球心阀1个

流入换热器

流出换热器

故

换热器压降

根据和以及IS型离心泵系列特性曲线可以选择

型号为IS150-125-250的离心泵。

六、附录

（1）物理性质

物性

流体

温度

℃

密度

kg/m3

粘度

mPa·s

比热容

kJ/（kg·℃）

导热系数

W/（m·℃）

有机物

69

997

0.6

2.22

0.16

循环水

30

995.7

0.8012

4.174

0.6171

（2）

管外侧污垢热阻

管内侧污垢热阻

钢管热导率

七、符号说明

主要符号说明

符号

意义

计量单位

A

面积

m2

定压比热容

d

管径

m

g

重力加速度

m/s2

单位重量流体的机械能损失

m

l

管路长度

m

m

质量

kg

虚拟压强

Pa

p

流体压强

Pa

pa

大气压

Pa

B

挡板间距

m

T

周期时间

s

t

时间

s

t

温度

℃

u

流速

m/s

qv

体积流量

m3/s

qm

质量流量

Kg/s

绝对粗糙度

mm

局部阻力系数

摩擦系数

动力黏度

密度

Kg/m3

He

有效压头

m

D

换热器壳径

m

f

校正系数

f0

壳程流体摩擦系数

K

传热系数

NT

管子总数

Q

热流量

W或J/S

给热系数

热导率

数群

Gr

格拉私霍夫数

Nu

努塞尔数

Pr

普朗特数

Re

雷诺数

下标

g

气体的

m

平均

w

壁面的

s

壳程的

t

管程的

有

有机物的

八、设计说明

（1）需要冷却的有机物走壳程，冷却剂走管程；

（2）有机物可以采取逆流的方式；

（3）换热器说明：

1采用光滑管

光滑管结构简单，制造容易。

缺点是它强化传热的性能不足。

为了提高换热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。

2选用的管子。

3本设计中采用4.5M长的管子。

4管子的排列形式：

本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。

5采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置。

6允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=0.9m

（4）管路布置如图所示：

（5）管路选择内径150mm的钢管，至少使用下列零件：

底阀1个；规范90°弯头3个；球心阀1个。

（6）由于计算所得有效压头为15.96m，流量为144m3/h，根据离心泵特性曲线和工作点，选取型号为IS150-125-250的离心泵。

九、参考文献

[1]王元文，陈连.管壳式换热器的优化设计[J].贵州化工，2005，30

（1）：

27-31.

[2]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理.3版.北京：

化学工业出版社，2006.