1、熱工原理課程設(shè)計(jì)PAGE PAGE 12一設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 TC 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 f C l 1 某生產(chǎn)過(guò)程的流程如圖所示，反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流患熱后，用循環(huán)冷卻水將其從90進(jìn)一步冷卻至30之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。循環(huán)水的入口溫度為30，出口溫度為50 ，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。物性特征：煤油在60下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）： 密度 定壓比熱容 =2.22kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.14w/m粘度 循環(huán)水在40 下的物性數(shù)據(jù)： 密度=992.2/m3定壓比熱容=4.174kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.64w/m粘度 確定設(shè)計(jì)方案 TC 確定設(shè)

2、計(jì)方案 f C l 1 選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度90 出口溫度30；冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度為50，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。確定物性數(shù)據(jù) TC 確定物性數(shù)據(jù) f C l 1 1定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取煤油進(jìn)出口溫度的平

3、均值。故殼程煤油的定性溫度為 T= =60 管程流體的定性溫度為t=2物性數(shù)據(jù)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)煤油來(lái)說(shuō)，最可靠的無(wú)形數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)值。若不具備此條件，則應(yīng)分別查取混合無(wú)辜組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，然后按照相應(yīng)的加和方法求出煤油的物性數(shù)據(jù)。 煤油在60下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來(lái)自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）： 密度 定壓比熱容 =2.22kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.14w/m粘度 =8.6610-4Pas循環(huán)水在40 下的物性數(shù)據(jù)： 密度=992.2/m3 定壓比熱容=4.174kj/kg 熱導(dǎo)率 =0.64w/m粘度 =0.65310-3Pas估算傳熱面積 TC 估算傳熱面積 f

4、C l 1 熱流量 TC 熱流量 f C l 2 Q1=18939.42.22(90-30)/3.4 =700757.43kw2.平均傳熱溫差 TC 平均傳熱溫差 f C l 2 先按照純逆流計(jì)算，得 =3.傳熱面積 TC 傳熱面積 f C l 2 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=320W/(k)則估算的傳熱面積為 Ap=4.冷卻水用量 TC 冷卻水用量 f C l 2 m=工藝結(jié)構(gòu)尺寸 TC 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 f C l 1 1管徑和管內(nèi)流速 TC 管徑和管內(nèi)流速 f C l 2 選用252.5較高級(jí)冷拔傳熱 管（碳鋼），取管內(nèi)流速u(mài)1=1m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) TC 管

5、程數(shù)和傳熱管數(shù) f C l 2 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)下 Ns=按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 L=按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) Nt=295=1453.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) TC 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) f C l 2 平均溫差校正系數(shù)按式（3-13a）和式（3-13b）有 R= P=按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖3-9得 平均傳熱溫差 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法 TC 傳熱管排列和分程方法

6、 f C l 2 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。見(jiàn)圖3-13。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.2525=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計(jì)算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。管數(shù)的分成方法，每程各有傳熱管27根，其前后關(guān)鄉(xiāng)中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按圖3-14選取。5殼體內(nèi)徑 TC 殼體內(nèi)徑 f C l 2 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.7 ，則殼體內(nèi)徑為 D=1.05t按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=500mm6折流板 TC 折流板 f C l 2 采用弓形

7、折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 H=0.25500=125m，故可取h=150mm取折流板間距B=0.4D，則 B=0.4500=200mm，可取B為200mm。折流板數(shù)目NB=折流板圓缺面水平裝配，見(jiàn)圖3-15。7其他附件 TC 其他附件 f C l 2 拉桿數(shù)量與直徑按表3-9選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm，故其拉桿直徑為12拉桿數(shù)量不得少于10。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板，如圖3-17所示。8接管 TC 接管 f C l 2 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接

8、管內(nèi)液體流速u(mài)2=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后去管內(nèi)徑為80mm換熱器核算 TC 換熱器核算 f C l 1 熱流量核算 TC 熱流量核算 f C l 2 （1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) TC （1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) f C l 3 用克恩法計(jì)算，見(jiàn)式（3-22） 當(dāng)量直徑，依式（3-23b）得 =殼程流通截面積，依式3-25 得 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普朗特?cái)?shù) 粘度校正 （2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) TC （2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) f C l 3 按式3-32和式3-33有 管程流體流通截面積管程流體流速 普朗特?cái)?shù) （3）污垢熱阻和管壁熱阻 TC （3）污垢熱阻和管壁熱阻 f C l 3 按表3

9、-10，可取管外側(cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻管壁熱阻按式3-34計(jì)算，依表3-14，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(mK)。所以（4） 傳熱系數(shù) TC （4） 傳熱系數(shù) f C l 3 依式3-21有 傳熱面積裕度 TC （5）傳熱面積裕度 f C l 3 依式3-35可得所計(jì)算傳熱面積Ac為該換熱器的實(shí)際傳熱面積為Ap該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。壁溫計(jì)算 TC 壁溫計(jì)算 f C l 2 因?yàn)楣鼙诤鼙。冶跓嶙韬苄。使鼙跍囟瓤砂词?-42計(jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為30，出口溫度為

10、50計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是，按式4-42有 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計(jì)算為 0.450+0.630=24.6 (90+30)/2=60 4698w/k 687.93w/k傳熱管平均壁溫 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。 該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。3換熱器內(nèi)

11、流體的流動(dòng)阻力 TC 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 f C l 2 （1）管程流體阻力 TC （1）管程流體阻力 f C l 3 , , 由Re=28565.64，傳熱管對(duì)粗糙度0.01，查莫狄圖得，流速u(mài)=0.94m/s,所以， 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）殼程阻力 TC （2）殼程阻力 f C l 3 按式計(jì)算 , , .15流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 0.50.70113.25(29+1)=4883.31Pa流體流過(guò)折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.5mPa總阻力4883.31+2716.32=7599.4Pa由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較

12、適宜。（3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 TC （3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 f C l 3 見(jiàn)下表：參數(shù)管程（水）殼程（煤油）流率898560227301進(jìn)/出口溫度/30/5090/60壓力/MPa0.46.9物性定性溫度/4060密度/（kg/m3）992.2825定壓比熱容/kj/（kgk）4.1742.22粘度/（Pas）0.6538.66熱導(dǎo)率（W/mk） 0.6240.14普朗特?cái)?shù)4.2513.6設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/500臺(tái)數(shù)1管徑/252.5管心距/44管長(zhǎng)/6000管子排列管數(shù)目/根145折流板數(shù)/個(gè)29傳熱面積/68.295折流板間距/200管程數(shù)

13、5材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.940.29表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（k）4698687.93污垢熱阻/（k/W）0.000340.00034阻力/ Pa6203.324883.31熱流量/KW700.757傳熱溫差/K36.41傳熱系數(shù)/W/（K）400.7裕度/%21.15%工藝設(shè)計(jì)主要符號(hào)說(shuō)明1.英文字母折流板間距，系數(shù)，無(wú)量綱管徑，換熱器外殼內(nèi)徑，摩擦系數(shù)系數(shù)圓缺高度，總傳熱系數(shù)，管長(zhǎng)，程數(shù)指數(shù)；管數(shù)；程數(shù)管數(shù)；程數(shù)折流板數(shù)努塞爾特準(zhǔn)數(shù)壓力，；因數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)熱通量，傳熱速率， 半徑，熱阻，雷諾準(zhǔn)數(shù)傳熱面積，冷流體溫度，；管心距，平均傳熱溫差，流速，質(zhì)量流量，2.下標(biāo)冷流體熱流體管內(nèi)平均管外污垢3.希臘字母對(duì)流傳熱系數(shù)， 有限差值導(dǎo)熱系數(shù)，粘度，密度，校正系數(shù)參考文獻(xiàn) TC 七