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1、 化工原理课程设计化工原理课程设计 设计设计题目题目：浮头浮头式换热器的设计式换热器的设计 指导教师指导教师 李毅李毅 学生姓名学生姓名 凌风凌风 20201010 年年 1 10 0 月月 2020 日日 浮头浮头式换热器设计任务书式换热器设计任务书 一、设计题目：浮头式换热器的设计 二、设计原始数据 操作条件：大豆油：入口温度 133，出口温度 40 冷却介质：循环水，入口温度 30，出口温度 40 大豆油处理量：5000kg/h 允许压降：不大于 1105Pa 大豆油定性温度下的物性数据：根据液体相对密度共线图查得 86.5下大豆油的密度为：=925 kg/m3 根据液体粘度共线图得 8
2、6.5下大豆油的粘度为：0=0.000850 Pa/s 根据液体比热容共线图得 86.5下大豆油的定压比热容为：CP0=2.052 kJ/(kg)查表得 86.5下大豆油的导热系数为 0=0.1559 W/(m)循环冷却水在定性温度下的物性数据如下：密度：i=994 kg/m3 定压比热容：CPi=4.08 kJ/(kg)导热系数：i=0.626 W/(m)粘度：i=0.000725 Pa/s 每年按 330 天计算，每天 24 小时连续运行。三、设备型式 浮头式换热器 四、设计任务 1.编写课程设计说明书 2.设计计算列管式换热器的管径尺寸、管内流速、热负荷、传热面积、管程数、管数、壳程数和
3、接管尺寸等 3.工艺流程图及换热器工艺条件图 4.设计评述 目目 录录 一、设计方案.3 1.1 选择换热器的类型.3 1.2 流动空间及流速的确定.3 二、物性数据.4 三、计算总传热系数.4 3.1 热流量.4 3.2 平均传热温差(逆流).4 3.3 冷却水用量.4 3.4 总传热系数 K.4 四、计算传热面积.5 五、工艺结构尺寸.5 5.1 管径和管内流速.5 5.2 管程数和传热管数.5 5.3 平均传热温差校正系数.6 5.4 传热管排列和分程方法.6 5.5 壳体内径.6 5.6 折流板.6 5.7 接管.7 六、换热器核算.7 6.1 热量核算.7 6.2 换热器内流体的流动
4、阻力.9 6.3 换热器主要结构尺寸和计算结果.10 七、主体设备图.11 八、参考文献.11 九、主要符号说明.11 十、总结.12 一、设计方案一、设计方案 1.11.1 选择换热器的选择换热器的类型类型 两流体温度变化情况：入口温度 133，出口温度 40 循环水，入口温度 30，出口温度 40 本设计任务为煤油冷却器的设计，两流体在传热过程中无相的变化，该换热器用循环冷却水冷却，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和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器；固定管板式换热器结构比较简单，制造简单，制造成本低，管程可用多种结构，规格范围广，在
5、生产中广泛应用。因壳侧不易清洗，故不适宜较脏或有腐蚀性的物流的换热，适用于壳壁与管壁温差小于 70、壳程压力不高并可用化学方法清洗的场合。1.21.2 流动空间及流速的确定流动空间及流速的确定 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，大豆走壳程。管径选用19mm2mm 碳钢管，取管内流速 ui=0.5m/s。二、物性数据二、物性数据 定性温度：可去流体进口温度平均值 壳程大豆油的定性温度为：T=240133=86.5（）管程循环水的定性温度为：t=24030=35（）根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。油在 86.5下的有关物性数据如下：密度 0=925 kg
6、/3m 定压比热容 CP0=2.052kJ/(kg.)导热系数 o=0.1559W/（m.）粘度 o=0.000850 Pa.s 循环冷却水在 35下的物性数据：密度 i=994kg/3m 定压比热容 Cpi=4.08kJ/(kg.)导热系数 i=0.626W/（m.）粘度 i=0.000725 Pa.s 三、计算总传热系数三、计算总传热系数 3.13.1 热流量热流量 Q0=M0CP0t0=50002.052103(133-40)=954180(kJ/h)=265.05（KW)3.23.2 平均传热温差平均传热温差(逆流逆流)tttttm2.37304040133ln)3040()40133
7、(ln2121 3.33.3 冷却水用量冷却水用量 hkgtCQipii/8.23386)3038(08.49541800 3.43.4 总传热系数总传热系数 K K 1.管程传热系数管程传热系数 kg/h10283000725.09940.1015.0Reiiiiud）mWCuddiipiiiiiii24.08.04.08.0/(4833)626.0000725.04080(10283015.0626.0023.0)()(023.0 2.壳程传热系数壳程传热系数 假设壳程的传热系数3000）mW2/(3.污垢热阻污垢热阻 WmRsi/000344.02 WmRs/000530.020 4.管
8、壁的导热系数管壁的导热系数 =45）mW2/(（化工原理上册，谭天恩主编，附录四）所以，总传热系数 K 0000011siisiiiRdbdddRddK =3001000530.00170.045019.0002.0015.0019.0000344.0015.04833019.01 =216.9）mW2/(四、计算传热面积四、计算传热面积 S=mtKQ=2.379.2161005.2653=32.8（m2）考虑 8的面积裕度，换热器才足够安全，所以 S=1.08S=1.0832.8=35.4（m2）五、工艺结构尺寸五、工艺结构尺寸 5.15.1 管径和管内流速管径和管内流速 选用19mm2mm
9、 传热管（碳钢），取管内流速 ui=0.5 m/s 5.25.2 管程数和传热管数管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 ns=udVi24=1015.0785.0)3600994/(8.23386275（根）按单程管计算，所需的传热管长度为 L=ns0dS=75025.014.34.35=7.9（m）按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 L=4.5m,则该换热器管程数为 Np=lL=5.49.72（管程）传热管的总根数 N=752=150（根）5.35.3 平均传热温差校正系数平均传热温差校正系数 3.9304040133R 097.0301333040R
10、 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但 R=9.3 的点在图上难以读出，因而相应以 1/R 代替 R，PR 代替 P，查同一图线，可得：t=0.78 平均传热温差：mt=tmt=0.7837.2=29.0 5.45.4 传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法 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=1.25d0,则 t=1.2519=23.7524()横过管束中心线的管数 nc=1.1N=1.1150=14(根)5.55.5 壳体内径壳体内径 采用多程管结构，取管板利用率7.0，则壳体内径为 D=1.05tN=1.05247.0304=36
11、8.9（）圆整可取 D=400 5.65.6 折流板折流板 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=0.25400=100（）可取 170mm 取折流板间距 B=0.3D，则 B=0.3400=120（）可取 120mm 折流板数 NB=1折流板间距传热管长=112004500=37（块）折流板圆缺面水平装配。5.75.7 接管接管 壳程流体进出口接管：取接管内苯流速 u=0.8m/s,则接管内经为：d=uV4=8.014.3)8253600/(50004=0.049m 取标准管径为 100mm,管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u=1.2m/s,
12、则接管内径为 d=2.114.3)9943600/(8.233864=0.083m 取标准管径为 80mm 六、换热器核算六、换热器核算 6.16.1 热量核算热量核算 （1）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式 a0=0.36ed0Re55.00Pr3/1(w/0)14.0 当量直径，由正三角形排列得 de=0202)423(4ddt=019.014.3)019.0785.0024.023(422=0.013（m）壳程流通截面积 S0=BD(1-td0)=0.120.4(1-024.0019.0)=0.01008（m）壳程流体流速及其雷诺数分别为 u0=01008.0)92536
13、00/(5000=0.149（m/s）Re0=0.000850925149.00.015=2432 普兰特准数 Pr=1559.0000850.010052.23=11.19 粘度校正（w）14.01 a0=0.36015.0150.024320.5511.191/3=586（W/()）（2）管程对流传热系数 ai=0.023iidRe8.0Pr4.0 管程流通截面积 Si=0.7850.01522150=0.0132()管程流体流速 ui=0132.0)9943600/(8.23386=0.495（m/s）Re=310725.0994495.0015.0=10180 Pr=626.01072
14、5.01008.433=4.73 ai=0.02302.0626.0101808.04.734.0=2873（W/()）(3)传热系数 K K=0000011aRdbdddRdadsiisiii=5861000530.0017.045019.0002.0015.0019.0000344.0015.02873019.01=316.2（W/（）（4）传热面积 S S=mtKQ=292.316265050=28.9（）该换热面积的实际传热面积 Sp Sp=0dL（N-nc）=3.14019.0(4.5-0.045)(150-14)=36.1()该换热器的面积裕度为 H=SSSp100=9.289.2
15、81.36=24.9 可见传热面积裕度合适，所以该换热器能完成生产任务 6.26.2 换热器内流体的流动阻力换热器内流体的流动阻力 （1）管程流动阻力 iP=（21PP）tFNspN Ns=1，Np=2，Ft=1.5 221udlPi，222uP 由 Re=10180，传热管相对粗糙度2001.0=0.005，查莫狄图得i=0.032W/,流速ui=0.495m/s i=994kg/m3,所以 1P=0.032015.062994495.02=1558.8（Pa）2P=32495.09942=365.4（Pa）iP=(1558.8+365.4)1.52=5772.6 Pa105 Pa 管程流动
16、阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力 stNFPPP)(210 Ns=1，1tF 流速流经管束的阻力 2)1(2001uNnFfPBc F=0.5 0.50fRe=5.02432228.0=0.8452 nc=14 NB=37,u0=0.149m/s 2149.0925)137(148452.05.021P=2308.5（Pa）流体流过折流板缺口的阻力 2)25.3(202uDBNPB B=0.12m,D=0.40m 2149.0925)40.012.025.3(3722P=1101.8（Pa）总阻力：0P=（2308.5+1101.5）=3410.3（Pa）105Pa 壳程流动阻力也比较适宜。
17、6.36.3 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果 表 1-1 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器型式：固定管板式 管口表 换热面积（m2）：36.0 符号 尺寸 用途 连接型式 工艺参数 a DN200 循环水入口 平面 名称 管程 壳程 b DN200 循环水出口 平面 物料名称 循环水 大豆油 c DN100 油品入口 凹凸面 操作压力，MPa 0.4 0.3 d DN100 油品出口 凹凸面 操作温度，30/40 40/133 e DN20 排气口 凹凸面 流量，kg/h 23386.8 5000 f DN20 放净口 凹凸面 流体密度，kg/m3 994 925
18、 (附图见 A2 装置图）流速，m/s 0.495 0.149 传热量，KW 265.05 总 传 热 系 数，w/m2.K 318.5 对流传热系数，w/m2.K 2873 594 污垢系数，m2.k/w 0.000344 0.000530 阻力降，MPa 0.0057726 0.0034103 程数 2 1 推荐使用材料 碳钢 碳钢 管子规格 192 管数 150 管长 mm 4500 管 心 距，mm 24 排列方式 正三角形 折 流 板 型式 上下 间 距，mm 120 切口高度 25%壳体内径,mm 400 保温层厚度，mm 七、主体设备七、主体设备图图 八八、参考文献、参考文献 1
19、.郑志祥，机械零件，高等教育出版社，1995.2.林大钧，化工机械设计制图（下册）科学出版社.3.贺匡国，化工容器设备简明设计手册.4.各种网络资料.九九、主要符号说明、主要符号说明 P压力，Pa;Q传热速率，W；R热阻，/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;mq质量流速，/h;对流传热系数 W/();有限差值；导热系数，W/(m);粘度，Pas;密度，/m3;校正系数。r转速，n/(r/min)H扬程，m rNPSH)(必须汽蚀余量，m pS实际传热面积，2m Pr普郎特系数 n板数，块 K总传热系数，mW2/vq体积流量 N管数 十十、总结、总结
20、 我们本次设计的任务是设计一个浮头式换热器。因为是团队协作完成的，所以我们再设计之初就对组员进行了任务分配，将七个组员分成三个小组，分别为计算小组、数据小组和绘图小组。开始设计后大家各司其职，相互配合，从而使我们比较有效率的完成了设计。在设计之初我们就遇到了阻力，我们负责查找资料的组员通过多种途径查阅了很多资料都没有找到大豆油在 86.5时的物理性质，这样我们就没有办法进行计算。后来在老师的帮助和我们的共同努力下，我们克服了这个困难。计算的过程进行的比较顺利，但是也出现了一些问题。我们事先没有考虑到含有杂质的大豆油比水的粘度大，让油走管程，所以得我们的计算小组又计算了一次。但是发现如果要达到设
21、计任务的换热要求，管程数为 24。所以我还是采用油走壳程的方式。绘图工作主要由我完成的，我觉得这是设计过程中最困难的工作了，因为要求绘制的装配图比较精细，要精确到装置中的每一个零部件。用老师的话说就是别人看到我们画的图就知道怎么去把它做出来。好在我学过工程制图，有一些基础。但是由于没有对浮头式换热器的内部构造没有一个直观的认识，所以在绘图之初感到无从下手。后来我和我的搭档去图书馆和网上查阅了很多有关浮头式换热器的结构的资料，慢慢的找到了头绪，并着手绘图工作。后面的装配图画的也比较顺利，但是其中的一些零部件的选择花去了我们很多的精力去查阅书籍资料，但是最终我们还是克服了重重困难，完成了本次的课程设计。通过本次的课程设计，让我在理论的基础上进一步理解了浮头式和其他各种换热器的结构和工作原理。并且是我们第一次设计用于生产的机械，期间遇到了不少的阻力，锻炼了我们分析问题和解决问题的能力。这次的设计是团队协作完成的，依赖每一个组员的认真负责的态度，培养了我们团队与合作的意识。当然如果没有老师的指导，我们会遇到更多的麻烦。
