热水冷却器的设计(共18页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 华东交通大学 课程设计说明书 设计题目：热水冷却器的设计学 院： 基础科学学院 专业班级： 应用化学一班 学生姓名： 王业贵 学 号： 111 指导教师： 周枚花老师 完成日期： 2013.6.28 目录任务书一、设计题目： 热水冷却器的设计二、设计目的： 通过对热水冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。三、设计任务及操作条件1.处理量t/a热水2.设备型式列管换热器 3.操作条件（1）热水：入口温度80 ，出口温度 55 （

2、2）冷却介质：循环水，入口温度 25 ，出口温度 37 （3）允许压降：不大于Pa（4）每年按330天计，每天24小时连续运行。4.建厂地址：江西地区四、设计内容（1）设计计算列管换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。）（2）绘制列管式换热器的装配图。（3）编写课程设计说明书。五、课程设计说明书的内容 设计说明书中应包括所有论述、原始数据、计算、表格等，编排顺序如下： （1）标题页； （2）设计任务书； （3）目录； （4）设计方案 1.选择换热器的类型 2.管程安排 （5）确定物性数据 （6）主要工艺参数计算（热负荷，平均温差、总换热系数、换热面积等）； （7）压

3、降计算； （8）设计结果概要或设计一览表 （9）附图（工艺流程简图、主体设备工艺条件图）； （10）参考文献；六、主要参考书1.钱颂文主编，换热器设计手册，化学工业出版社，2002.2.贾绍义，柴诚敬等，化工原理课程设计，天津大学出版社，1994.3.匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社，2002.4.王志魁主编，化工原理，化学工业出版社，2004.5.姚玉英主编，化工原理天津大学出版社，1992.6.陈恒敏，丛德兹等化工原理（上、下册）（第二版），北京：化学工业出版社，2000.7.何潮洪等编，化工原理，科学出版社，2001年。七、设计时间 一周 前言换热器是化学，石油

4、化学及石油炼制工业以及其它一些行业中广泛使用的热量交换设备。它不仅可以单独作为加热器，冷凝器使用而且是一些化工单元操作的重要附属设备。因此在化工生产中占有重要的地位。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程 。主要的换热器有：1 固定管板式换热器：2 浮头式换热器：3 U型管式换热器：4. 填料函式换热器：这次的化工原理课程设计，热水冷却器的设计。通过对热水冷却的列管式换热器设计，了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换

5、热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。通过这次课程设计，养成科学探索精神，细心钻研，自己动手设计，理论联系实际，并进一步熟练相关的软件，Microsoft office，ChemBioOffice，Origin85，AutoCAD2008等。一、设计方案简介1.1换热器的选择列管式换热器是目前化工上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。列管式换热

6、器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种： 1 固定管板式换热器： 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿

7、装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 2 浮头式换热器： 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。3 U型管式换热器： U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管

8、板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。4. 填料函式换热器： 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。热流体进口温度80，出口温度55；冷流体进口温度25，出口温度37。换热器用循环冷却水（自来水）冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定用浮头式换热器。 1.2设计概述根

9、据估算数据，先选取一比估算面积稍大的换热器，然后进行换热器换热面积的校核及管程、壳程的阻力压降，逐步调节折流挡板间距等措施，最终使所选取的换热器符合要求，同时要认真总结经验，为以后做准备。本设计是在给定部分任务和条件下，估算所需换热器的换热面积，然后选择一标准列管换热器，再对换热器进行验证，符合要求者合格。估算K值大小，应首先估计对流传热系数较小一侧的对流传热系数。设计换热设备既要考虑设备费用，也就是既要使阻力降不能太高，也不能使传热面积较大，使管程的冷却水有一个合适的流速 。设计中应注意的几点：恰当估算换热面积；正确选取换热器的型号；认真校核换热面积及阻力压降。1.3设计方案1) 估算所需要

10、的换热面积，选取一个合适的换热器。2) 校核传热面积及管程、壳程的压力降。3) 结果汇总及评述。4) 符号说明、参考文献及附图。1.4管程安排 在列管式换热器设计中，冷、热流的流程，进行合理安排，一般应考以下原则。 易结垢流体应走易于清洗的侧.对于固定管板式、浮头式换热器，一般应使易结垢流体流经管程，而对于l一I钾换热器，易结垢流体应走壳程、 有时在设计上需要提高流体的速度，以提高其表面传热系数，在这种情况下，应将需要提高流速的流体放在管程。这是因为管程流通截面积一般较小，且易于采用多用管程结构以提高流速. 其有腐蚀性的流体应走管程，这样可以节约耐腐蚀材料用降低换热器成本:， 压力高的流体应走

11、管程。这是因为管子直径小，承压能力强，能够避免采用耐压的壳体和密封措施。 具有饱和蒸汽冷凝的换热器，应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液。， 粘度大的流体应走壳程，因为壳程内的流体在拆流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达揣流状态。 应该说明的是，上述要求常常不能同时满足，在设计中应考虑其中的主要问题，首先满足其中较为重要的要求。由于当液体温度升高时，粘度随着减小，故有循环水走壳程，因为壳程内的流体在拆流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可达揣流状态。在两流体的粘度力看，应该使热水走管程，循环冷却水走壳程，但是由于循环冷却水易结垢，若其流速太低，将会

12、加快污垢的增长速率，使换热器热流量下降，所以，从总体考虑，应该使热水走壳程，循环冷却水走管程。二、确定物性数据定性温度：壳程热水的定性温度为管程循环冷却水的定性温度为已知循环水在31下的物性参数为：密度，黏度，比热Cp=4.174KJ/kg.，热导率=61.8W/(m.k)又知67.5热水下的物性参数密度，黏度，比热Cp=4.187KJ/kg.，热导率=66.8W/(m.k)三、主要工艺参数计算3.1热负荷3.2平均传热温差 3.3冷却水用量 3.4初算传热面积 由于壳程热水的压力较高，故可选取较大的K值，假定总传热系数K=700w/(m) 3.5工艺结构尺寸3.5.1管径和管内流速选252.

13、5mm碳钢管，取管内流速为1.3m/s。3.5.2管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数：按单程管计算，所需要的传热管的长度为：管程数：按单程管设计传热管太长，采用多管程结构，现取传热管长 传热管总根数： 3.5.3平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数： 按单壳程，双管程结构，查得平均传热温差：由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。3.5.4传热管排列和分程方法专心-专注-专业采用正三角形排列，取管心距，则隔板中心到离其最近的一排管中心距离为：各程相邻管心距为2Z=44。3.5.5壳体直径采用多管程结构，进行壳体直径估算，取管板利用率为=0

14、.8，则壳体直径为：按卷制壳体的50mm进级档，可取D=2503.5.6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20，则切去的圆缺高度为：h=0.2250=50取折流板间距B=0.3D (0.2DBD),则B=0.3250=75折流板数目：3.5.7接管壳程流体进出口接管：取接管内热水的 流速为，则接管的内径为：取整后取管内内径为350。管程流体进出口接管：取接管内循环冷却水的流速为，则接管内径为：取整后取管内直径为400。四、压降核算4.1传热面积校核4.1.1管程传热膜系数管程流体流通截面积：管程流体流速：雷诺数：普朗特数：4.1.2壳程传热膜系数管子按正三角形排列，传热当量

15、直径：壳程流通面积：壳程流体流速：雷诺数：普朗特数：黏度校正：4.1.3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：m2 /W管内污垢热阻： m2 /W碳钢在此条件下的热导率为：50W/m已知管壁厚度为：。4.1.4总传热系数K平均直径：4.1.5传热面积校核所计算的传热面积是：换热器的实际传热面积是：换热器的面积裕度为： 由于传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.2换热器内压降的核算4.2.1管程阻力由Re=12949.5，传热管相对粗糙度为0.01，参考图双对数坐标图得 =0.043，流速，管程流体阻力在允许范围之内。4.2.2壳程阻力流体流经管束的阻力： 其中：则：流体流过折流板缺口的阻

16、力：其中：则：总阻力：管程流体阻力在允许范围之内。五、主要结构尺寸和计算结果 参数管程壳程流量kg/h115925555.55进/出口温度/25/3780/55物性定性温度/3167.5密度/（kg/m3）995.37977.8定压比热容/kj/（kgk）4.1744.187粘度/（Pas）7.8404.74热导率（W/mk） 0.6180.668普朗特数5.292.616设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/250台数1管径/252.5管心距/32管长/4500管子排列正三角形管数目/根32折流板数/个65传热面积/11.304折流板间距/75管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m

17、/s）0.640.58表面传热系数/W/（k）2738.68875.5污垢热阻/（k/W）0.0.六、心得体会 通过一周的课程设计，让我们对化工原理有了更多的了解，对这门学科也有了更深的了解。我觉得课程设计时让我们更好的去理解一门学科，也是让我们能更好的去了解我们到底学到了什么东西。学会了什么东西，课程设计一开始，我觉得茫然，不知道要去做什么，也不知道我们做成什么，不过一点一点慢慢来，当图纸画满线条的时候，觉得自己是成功的，成功的完成了绘图，成功的学到了以前认为不重要的东西，生活中的好多事要我们去学习的，从一点一滴的学习当中我们能感到自己的成长，也能不断地充实自己。做每一件事情的时候，我们应该

18、认真，应该多动动脑子，这样才能劳有所获，以后的生活中，我应该注重这些，这样才能有所成就。此次设计让我们学习了更多化工原理基础知识，培养了化工设计能力，通过这一实践教学环节的训练，使我掌握化工设计的基本方法，熟悉查询和正确使用技术资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强了我的工程观念和实践能力。七、参考文献1.钱颂文主编，换热器设计手册，化学工业出版社，2002.2.贾绍义，柴诚敬等，化工原理课程设计，天津大学出版社，1994.3.匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社，2002.4.王志魁主编，化工原理，化学工业出版社，2004.5.姚玉英主编，化工原理天津大学出版社，1992.6.陈恒敏，丛德兹等化工原理（上、下册）（第二版），北京：化学工业出版社，2000.7.何潮洪等编，化工原理，科学出版社，2001年。八、附图（工艺流程、主体设备工艺条件图）