1 一 方案簡介一 方案簡介 1 二 方案設計二 方案設計 2 1 確定設計方案 2 2 確定物性數據 2 3 初選換熱器規格 3 4 計算傳熱面積 4 5 工藝結構尺寸 4 6 換熱器核算 6 三 設計結果一覽表三 設計結果一覽表 8 1 參考資料 9 2 主要符號說明 9 2 一 方案簡介一 方案簡介 本設計任務是利用循環水給熱水降溫 利用熱傳遞過程中對流 傳熱原則 制成換熱器 以供生產需要 下圖 圖 1 是工業生產 中用到的列管式換熱器 選擇換熱器時 要遵循經濟 傳熱效果優 方便清洗 復合實際需要 等原則 換熱器分為幾大類 夾套式換熱器 沉浸式蛇管換熱器 噴淋式換熱器 套管式換熱器 螺旋板式換熱器 板翅式換熱器 熱管式換熱器 列管式換熱器等 不同的換熱器適用于不同的場合 而列管式換熱器在生產中被廣泛利用 它的結構簡單 堅固 制造 較容易 處理能力大 適應性大 操作彈性較大 尤其在高壓 高 溫和大型裝置中使用更為普遍 所以首選列管式換熱器作為設計基 礎 3 二 方案設計二 方案設計 需將熱水液體從 80 冷卻到 60 處理能力為 2 105噸 年 冷卻介質采 用循環水 入口溫度 25 出口溫度 35 要求換熱器的管程和殼程的壓降不 大于 105Pa 試設計能完成上述任務的列管式換熱器 每年按 300 天 每天 24 小時連續運行 1 確定設計方案 確定設計方案 1 選擇換熱器的類型 選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況 熱流體進口溫度 80 出口溫度 60 冷流體 冷流體進口溫度 25 出口溫度 35 從兩流體溫度來看 估計換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差不會很大 因 此初步確定選用固定管板式換熱器 2 流動空間及流速的確定 流動空間及流速的確定 由于循環冷卻水較易結水垢 應使循環水走管程 熱水走殼程 選用 25 2 0 的不銹鋼管 2 確定物性數據 確定物性數據 定性溫度 可取流體進口溫度的平均值 殼程熱水的定性溫度為 70 2 6080 T 管程循環水的定性溫度為 03 2 5325 t 根據定性溫度 分別查取殼程和管程流體的有關物性數據 水在定性溫度 70 下的有關物性數據如下 密度 h 997 8 kg m3 定壓比熱容 cph 4 187kJ kg 導熱系數 h 0 6676 W m 粘度 h 4 061 10 4 Pa s 水在定性溫度 30 下的物性數據 密度 c 995 7kg m3 定壓比熱容 cpc 4 147 kJ kg 導熱系數 c 0 6176 W m 4 粘度 c 8 007 10 4 Pa s 3 初選換熱器規格 初選換熱器規格 按照殼層熱水計算熱負荷按照殼層熱水計算熱負荷 1 熱流量 熱流量 Wh 2 105 1000 300 24 27777 78kg h Qh Whcph th 27777 78 4 187 80 60 2326111 297 kJ h 646 1 kW 1 kW 1000W 3600s 3600kJ 2 計算兩流體的平均溫度差 暫按單殼程 雙管程進行計算 逆流時平均溫度為 計算兩流體的平均溫度差 暫按單殼程 雙管程進行計算 逆流時平均溫度為 79 39 5206 5380 ln 5206 5380 ln t 2 1 21 t t tt m P t2 t1 T1 t1 0 182 R T2 T1 t2 t1 2 采用外推法得知 0 95 0 8 故選擇單程 37 8 tt mm 3 冷卻水用量 冷卻水用量 hg Q W h 4k56091 4226 2535147 4 72326111 29 tc c cpc 初選換熱管為規格換熱器 具體參數如下 2 0mm25 公稱直徑 DN mm 管程 數 N 管子根數 n 換熱管長度 mm公稱面積 m2流速 m s 管子排列方法 4502126300028 70 5正三角形排列 4 總傳熱系數 總傳熱系數 K 管程傳熱系數 13059 14 8007000 0 7 9950 5021 0 pdu c cc e R 4 0 c cpc 8 0 c ccc c c c c pud d 023 0 4 0 3 8 0 6176 0 0008007 0 104 147 13057 14 021 0 6176 0 023 0 5 m 2600W 殼程傳熱系數 假設殼程的傳熱系數 2000 W m2 污垢熱阻 Rsc 0 000344 m2 W Rsh 0 000172 m2 W 管壁的導熱系數 17 W m h sh m h c h c cc h 1 d bd d d d d 1 RR K 2000 1 000172 0 0225 0 17 025 0 0025 0 021 0 025 0 000344 0 021 0 2600 025 0 1 m 587 27W 4 計算傳熱面積 計算傳熱面積 2 3 m 29 1 8 73587 27 10646 1 t m K Q S 考慮 15 的面積裕度 S 1 15 S 1 15 29 1 33 5m2 5 工藝結構尺寸 工藝結構尺寸 1 管徑和管內流速及管長 管徑和管內流速及管長 選用 25 2 0 傳熱管 不銹鋼 取管內流速 uh 0 5m s 選用管長為 3m 2 管程數和傳熱管數 管程數和傳熱管數 依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數 根 實 142 3025 0 14 3 33 5 ldh s A N 按單程管計算其流速為 sm W 0 32 4 142021 0 14 3 7 5993600 56091 4 4 nd 7 5993600 u 2 s 2 c c 按單管程設計 流速過小 宜采用多管程結構 則該換熱器管程數為 2 傳熱管總根數 N 142 根 6 4 傳熱管排列和分程方法 傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法 即每程內均按正三角形排列 隔板兩側采用正方形排列 取 管心距 t 1 25 d0 則 t 1 25 25 31 25 32 mm 橫過管束中心線的管數 根13 11261 1 C N 得到各程之間可排列 13 支管 即正六邊形可排 6 層 則實際排管數設為 126 根 其中 6 根拉桿則實際排管數設為 142 根 5 殼體內徑 殼體內徑 采用多管程結構 取管板利用率 0 7 則殼體內徑為 478 7 0 142 3205 1 t05 1 N D 圓整可取 D 500mm 6 折流板 折流板 采用弓形折流板 取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的 25 則切去的圓缺高 度為 h 0 25 500 125mm 故可取 h 125 mm 取折流板間距 B 0 5D 則 B 0 5 500 250mm 可取 B 為 250 折流板數 NB 傳熱管長 折流板間距 1 3000 250 1 11 塊 折流板圓缺面水平裝配 7 接管 接管 殼程流體進出口接管 取接管內熱水流速為 u 1 0 m s 則接管內徑為 99m0 0 0 114 3 997 83600 27777 784 u 4 d1 V 取標準管徑為 108 mm 11mm 管程流體進出口接管 取接管內冷卻水流速 u 0 5 m s 則接管內徑為 105m 0 50 14 3 995 73600 15579 94 d2 取 76mm 6 5mm 無縫鋼管 6 換熱器核算 換熱器核算 1 熱量核算 熱量核算 殼程對流傳熱系數 對圓缺形折流板 可采用凱恩公式 14 0 w 3 1 55 0 h e h re d 36 0 PR 當量直徑 由正三角形排列得 7 m020 0 025 0 14 3 025 0 4 032 0 2 3 4 42 3 4 2222 h h e d dt d 殼程流通截面積 27m0 0 032 0 025 0 15 025 0 t d 1 h o BDS 殼程流體流速及其雷諾數分別為 14963 3 0004061 0 8 99729 0 021 0 e 29m 0 270 0 8 9973600 78 27777 u h h R s 普蘭特準數 55 2 6676 0 0004061 010187 4 r 3 P 粘度校正 1 14 0 w 23 155 0 h m 309212 5514963 3 102 0 6676 0 36 0 W 管程對流傳熱系數 4 08 0 c c c re d 023 0 PR 管程流通截面積 22 c 25m0 0142 2102 0 785 0 S 管程流體流速 2 5886 6176000 0 7 59921 0 102 0 Re s 17m 0 250 0 995 73600 15579 9 u c c 普蘭特準數 24 08 0 c 3 587538 5 5886 2 02 0 7661 0 023 0 38 5 6176 0 8007000 0 10147 4 r mW P 傳熱系數 K 8 2 o sh m h c h c cc h m 786 8 3092 1 172000 0 0225 0 17 025 0 0025 0 102 0 025 0 000344 0 102 0 5875 025 0 1 1 d bd d d d d 1 W RR K 傳熱面積 S 2 3 m 21 7 8 37786 8 10646 1 t m K Q S 該換熱器的實際傳熱面積 Sp 2 hp 30 2m11 42106 0 3025 0 14 3 ld NS 該換熱器的面積裕度為 28 30 2 21 730 2 100 p S SS H 傳熱面積裕度合適 該換熱器能夠完成生產任務 2 換熱器內流體的壓力降 換熱器內流體的壓力降 管程流動阻力 Pi P1 P2 FtNsNp Ns 1 Np 2 Ft 1 5 2 u 2 u d l 2 2 2 i1 PP 由 Re 5886 2 傳熱管相對粗糙度 0 1 21 0 005 查莫狄圖得 i 0 042 W m 流速 uc 0 17m s 995 7kg m3 所以 ak10a40125 190 6443 16 a43 16 2 17 0 5 799 3 a90 64 2 17 0 5 799 02 0 3 420 0 i 2 2 2 1 PPP PP PP 管程壓力降在允許范圍之內 殼程壓力降 9 1 1 2 1o FtNs FtNsPPP 流體流經管束的阻力 PaP uNn f F u NnFfP oBc h Bco 1 1064 2 191 0 1154 114 116114 0 5 0 191 0 14 11 6114 0 6 100645 5 0 2 1 2 1 228 0 2 h 1 流體流過折流板缺口的阻力 ak10 8 180011 7 736 1 1064 a 7 736 2 191 0 1154 4 0 2 02 5 3 14 2 2 5 3 4 0 2 0 2 2 5 3 o 22 2 2 2 PP P u D B NP mDmB u D B NP o B o B 總壓力降 殼程壓力降也比較適宜 三 設計結果一覽表三 設計結果一覽表 換熱器形式 列管式換熱器 換熱面積 m2 30 2 工藝參數 名稱管程殼程 物料名稱冷卻水熱水 操作壓力 Pa未知未知 操作溫度 25 3580 60 流量 kg h 56091 4227777 78 流體密度 kg m3 995 7997 8 流速 m s 0 170 29 傳熱量 kW 646 1 總傳熱系數 W m2 K 786 8 傳熱系數 W m2 58753092 污垢系數 m2 K W 0 0003440 000172 阻力降 Pa 4011800 8 程數 21 10 推薦使用材料不銹鋼不銹鋼 管子規格 25 2 0 管數 142管長 mm 3000 管間距 mm 32 排列方式正三角形 折流板型式上下間距 mm 200 切口高度 25 殼體內徑 mm500保溫層厚度 mm未知 1 參考資料參考資料 1 賈紹義等 化工原理課程設計 天津大學出版社 2002 2 柴誠敬等 化工原理課程設計 天津科學技術出版社 2002 3 陳敏恒等 化工原理 上下冊 化學工業出版社 2002 4 鄺生魯等 化學工程師技術全書 上下冊 化學工業出版社 2002 5 匡國柱等 化工原理課程設計 化學工業出版社 2002 2 主要符號說明主要符號說明 英文字母英文字母 B 折流板間距 m C 系數 無量綱 d 管徑 m D 換熱器外殼內徑 m f 摩擦系數 F 系