換熱器課程設(shè)計---列管式換熱器的選型（循環(huán)有機液的冷卻）

1、<p><b>　　湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　課題名稱 列管式換熱器的選型（循環(huán)有機液的冷卻） </p><p>　　系 別 化學(xué)工程系 </p>

2、<p>　　專 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) </p><p>　　年 級 應(yīng)用化工 091 </p><p>　　姓 名 施和躍 </p><p>　　學(xué) 號 0903010114 </p><p>　　指導(dǎo)教師 陳

3、正升 </p><p>　　年 月 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　學(xué)生姓名：施和躍 班級學(xué)號：應(yīng)用化工091</p><p>　　題 目： 　　　　　列管式換熱器的選型（循環(huán)有機液的冷卻）</p><p>　　內(nèi)容要求：（包括規(guī)定閱

4、讀的文獻、應(yīng)完成的程序、圖紙、實驗、說明書等）</p><p>　　一 設(shè)計任務(wù)：某廠用冷卻水冷卻從反應(yīng)器出來的循環(huán)使用的有機液。操作條件及物性如下：</p><p>　　試選用一臺適當(dāng)型號的列管式換熱器。</p><p><b>　　二 設(shè)計要求簡述</b></p><p>　　設(shè)計者必須提交的設(shè)計

5、成果有：設(shè)計說明書一分，圖紙一到兩幅。</p><p>　　1 設(shè)計說明書必須包括下述內(nèi)容:封面、目錄、設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計計算書、設(shè)計結(jié)果匯總表、參考文獻以及設(shè)計自評等。</p><p>　　2 設(shè)計計算書的主要內(nèi)容應(yīng)包括的步驟:</p><p>　　1) 計算熱負(fù)荷、收集物性常數(shù)。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)求出熱流體放熱速率或冷流體吸熱速

6、率，考慮了熱損失后即可確定換熱器應(yīng)達到的傳熱能力Q；按定性溫度確定已知條件中未給出的物性常數(shù)；</p><p>　　2) 根據(jù)換熱流體的特性和操作參數(shù)決定流體走向（哪個走管程、哪個走殼程）；計算平均溫差；</p><p>　　3) 初步估計一個總傳熱速率常數(shù)K估，計算傳熱面積A估；</p><p>　　4) 根據(jù)A估初選標(biāo)準(zhǔn)換熱器；若是設(shè)計換熱器，則先確定

7、換熱管的規(guī)格、長度，接著計算所需換熱管根數(shù)n；按單程求出流通面積，計算管內(nèi)流速ui，管程數(shù)Nt=u適宜/ui；確定折流擋板間距h，擋板形式，管子排列方式，外殼內(nèi)徑等。定出實際的傳熱面積A實際。</p><p>　　5) 換熱面積的核算。分別按關(guān)聯(lián)式求出管內(nèi)、外傳熱膜系數(shù)，估計污垢熱阻，求出總傳熱速率常數(shù)K，得出所需傳熱面積A，將A與A實際進行比較，若A實際比A大15%左右則設(shè)計成功；若A比A實際還大，則需再設(shè)參數(shù)

8、，重新設(shè)計，直到A實際比A大15%左右</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.列管式換熱器的設(shè)計1</p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　2 .換熱器設(shè)計方案選定1</p><p>　　2.1試算并初選換熱器規(guī)格1

9、</p><p>　　2.1.1確定流體通入的空間1</p><p>　　2.1.2確定流體的定性溫度，物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式1</p><p>　　2.1.3 計算熱負(fù)荷Q，按管間有機液計算2</p><p>　　2.1.4計算平均溫差，并確定殼程數(shù)2</p><p>　　2.1.5初選換熱器規(guī)格具

10、體參數(shù)2</p><p>　　2.2換熱面積核算3</p><p>　　2.2.1計算管程對流傳熱系數(shù)α計算殼程對流穿熱系數(shù)α0i3</p><p>　　2.2.2確定污垢熱阻3</p><p>　　2.2.4核算傳熱面積3</p><p>　　2.3管程和殼程壓力降的核算3</p><

11、p>　　2.3.1計算管程壓強降3</p><p>　　2.3.2計算殼程壓降4</p><p>　　2.4殼程及管程的外部接管4</p><p><b>　　3.符號說明4</b></p><p>　　4.設(shè)計結(jié)果匯總表5</p><p><b>　　5．設(shè)計自評：6

12、</b></p><p>　　6．工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖6</p><p><b>　　7．參考書目：7</b></p><p><b>　　8．致謝：7</b></p><p>　　1.列管式換熱器的設(shè)計 </p><p>　　2 .換熱器設(shè)

13、計方案選定</p><p>　　2.1試算并初選換熱器規(guī)格</p><p>　　2.1.1確定流體通入的空間</p><p>　　與有機液相比，水易結(jié)垢，且對流傳熱系數(shù)一般較大，所以冷卻水走換熱器管程，有機液走換熱器殼程。</p><p>　　2.1.2確定流體的定性溫度，物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式</p><p&g

14、t;<b>　　1計算熱負(fù)荷</b></p><p><b>　　W</b></p><p>　　2計算兩流體的平靜溫度差</p><p>　　暫按單殼程、多管程進行計算。逆流時平均溫度差為</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　t

15、2=t1+⊿t=25+16.2=41.2℃</p><p>　　有機液的定性溫度Tm=(T1+T2)/2=(65+50)/2=57.5（℃）</p><p>　　水的定性溫度tm=(t1+t2)/2=(25+41.2)/2=33.1（℃）</p><p>　　兩流體的溫差Tm-tm=57.5-33.1=24.4（℃）</p><p>　　由于

16、兩流體溫差不大于50℃，故選用固定管板式換熱器。</p><p>　　表1兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　2.1.3 計算熱負(fù)荷Q，按管間有機液計算</p><p>　　Q=WhCP(T1-T2)=40000×2.261×103 ×(65-50)/3600=376833.33(W)</p><

17、p><b>　　水耗量為: </b></p><p>　　W=Q/(t2-t1). CP =376833.33/20000 ×(41.2-25)／3600×4.187×103=10.02(kg/s)</p><p>　　2.1.4計算平均溫差，并確定殼程數(shù)</p><p><b>　　逆流溫差R=

18、 ℃</b></p><p>　　R=(T1-T2)/（t2-t1）=(65-50)/(41.2-25)=0.93</p><p>　　P=(t2-t1）/(T1-t1) =(41.2-25)/(65-25)=1.08</p><p>　　按單殼程，雙管程進行計算，對逆流傳熱溫差△tm／進行校正</p><p>　　由R 和P查溫

19、度差校正系數(shù)圖，得＆△t=0.97>0.8，可行</p><p>　　∴△tm=＆△t×△tm／=0.99×27.5=26.675(℃)</p><p>　　＆△t=0.97>0.8,故可選用單殼程列管換熱器。</p><p>　　初步估計一個總傳熱速率常數(shù)K估，計算傳熱面積A估，確定管程數(shù)根據(jù)管內(nèi)為水,殼程為有機液,K值范圍為290

20、～698Ｗ／m2. ℃ ，</p><p>　　初選 Ｋ估＝450Ｗ／m2.℃</p><p><b>　　則估算傳熱面積為：</b></p><p>　　A估＝Ｑ／Ｋ估△tm＝3.78×105/450×26.675=31.5（m2）</p><p>　　取管內(nèi)水流速度為0.9 m/s2選用Φ25

21、*2.5mm，管中心距t=32mm</p><p>　　單程管數(shù)為n/=Vs/0.785di2u= WC /ρ×0.785×0.022×0.9=32</p><p>　　單程管長為l=S/лd0 n/=31.5/3.14×0.025×32=12.5m</p><p>　　所以選擇管長為標(biāo)準(zhǔn)管長L=6m,管程數(shù)NP=l

22、/L=12.5/6≈2(管程)</p><p>　　傳熱管總根數(shù)n=32×2=64（根)</p><p><b>　　管子的三角形排列</b></p><p>　　2.1.5初選換熱器規(guī)格具體參數(shù) </p><p>　　表2換熱器具體參數(shù)：</p><p>　　換熱器的實際傳熱面積：&l

23、t;/p><p>　　A實際=nлd0(L-0.1)=94×3.14×0.025×(6-0.1)=43.5m2</p><p>　　該換熱器要求的總傳熱系數(shù)為：</p><p>　　K實際=Q/A實際△tm=3.78×105/43.5×26.675=326Ｗ／m2. ℃</p><p><b

24、>　　2.2換熱面積核算</b></p><p>　　2.2.1計算管程對流傳熱系數(shù)α計算殼程對流穿熱系數(shù)α0i</p><p>　　WC=20000/3600=5.57 （kg/s）</p><p>　　Vc=WC/ρc=5.57/1000=0.0056（m3/s）</p><p>　　Ai= n/2×л

25、5;di2/4=94/2×0.785×0.022=0.014758（m2） </p><p>　　ui=Vc/Ai=0.0056/0.014758=0.38(m/s)</p><p>　　Rei= di uiρi/μ=0.02×0.38×1000/0.001=7551(湍流)</p><p>　　Pri= CPμ/λ=

26、4.187×103×1×10-3/0.621=6.74</p><p>　　αi=0.023（λ/di）Re0.8Pr0.4 </p><p>　　=0.023×（0.621/0.02）×（7551）0.8（6.74）0.4</p><p>　　=1935（W/m.℃）</p><p>　　

27、換熱器中心附近管排中流體流通截面積為</p><p>　　A0=hD(1-d0/t)=0.6×0.4×(1-0.025/0.032)=0.05m2</p><p>　　h—折流擋板間距，取600mm。D-殼體直徑 通過管子排列計算出D=0.4m。t—管中心距，對Φ25×2.5mm的管子，t=32mm</p><p>　　Wh=40000

28、Kg/h=11.11kg/s</p><p>　　Vh= Wh/ρ=11.11/950=0.0117m3/s</p><p>　　U0= Vh /A0=0.0117/0.05=0.2（m/s)</p><p><b>　　由正三角形排列</b></p><p>　　de=4(√3t2/2-лd02/4)/ лd0=4[√

29、3(0.032)2/2-3.14×(0.025) 2/4]/3.14×0.025=0.0202m</p><p>　　Re0= de U0ρ/μ=0.0202×0.2×950/0.742×10-3=5221</p><p>　　Re0在2×103～１×１０6范圍內(nèi)，故可以用下式計算α0</p><p&

30、gt;　　α0＝(０.３６×λ/de)（Re0）０.５５Pr０１／３（u/uw）0.14</p><p>　　=0.36×0.172/0.0202×(5221)0.55×(2.261×103×0.742×10-3/0.172)1/3×1.05=771（W/m.℃）</p><p>　　2.2.2確定污垢熱阻&l

31、t;/p><p>　　1）確定污垢熱阻：根據(jù)經(jīng)驗水的污垢熱阻為Rsi=0.00026m2.℃/W</p><p>　　有機物的污垢熱阻可取Rs0=0.000176m2.℃/W</p><p><b>　　2）求總傳熱系數(shù)</b></p><p>　?。?１／（１／α0＋Rs0＋δd0／λdm+Rsid0/di+ d0/αi

32、di）</p><p>　　=1/[1/771+0.000176+(0.0025×0.025)/(45×0.0225)+0.00026×0.025/0.015+0.025/(1935×0.02)]</p><p>　　=376（Ｗ／m2.℃)</p><p>　　2.2.4核算傳熱面積</p><p>

33、　　A=Q/k△tm=376833.33/(376×26.578)=37.7m2</p><p>　　所選擇的換熱器的面積裕度為:</p><p>　　(A實際-A)/A=(43.5-37.8)/37.7=15.1%＞15%</p><p>　　則該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。</p><p>　　2.3管程和殼程壓力降的核算&l

34、t;/p><p>　　2.3.1計算管程壓強降</p><p>　　∑⊿pi=(⊿p1+⊿p2)FtNpNs</p><p>　　前已算出ui=0.38m/s</p><p>　　Rei=7551(湍流)</p><p>　　取碳鋼管壁粗糙度ε為0.2mm,則ε/d=0.2/20=0.01,</p><

35、p>　　由內(nèi)摩差系數(shù)查圖查得λ=0.042</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　⊿p1=λLρui 2/2 di =0.042×6×1000×(0.38)2/2×0.02=910（Pa）</p><p>　　⊿p2=3×ρui 2/2=3×1000

36、15;(0.38)2/2=216.6（Pa）</p><p>　　對于Φ25×2.5 mm的管子, Ft=1.5,且Np=2, Ns=1</p><p>　　∑⊿pi=(⊿p1+⊿p2)FtNpNs=(910+216.6)×1.5×2×1=3379（Pa）</p><p>　　2.3.2計算殼程壓降</p>&l

37、t;p>　　∑⊿p0=(⊿p1/+⊿p2/)FsNs</p><p>　　其中Fs=1.15(液體) , Ns=1</p><p>　　⊿p1/=Ff0nc(NB+1) ρu02/2</p><p>　　管子正三角形排列,取F=0.5</p><p>　　對于正三角形排列NTC =1.1（NT）0.5 =（94）0.5≈11</

38、p><p>　　折流擋板數(shù)NB=L/ h-1=6/0.6-1=9（塊）</p><p>　　A0=h(D- NTC do )=0.6×(0.4-9×0.025)=0.105(㎡)</p><p>　　U0= Vh /A0=40000/3600×950×0.105=0.11(m/s)</p><p>　　Re

39、0= de U0ρ/μ=0.025×0.11×950/0.742×10-3=3576>500</p><p>　　fo=5Re0-0.228=0.774</p><p>　　∴⊿p1/=Ff0NTC(NB+1)ρu02/2=0.5×0.774×11×(9+1)×950×0.112/2=244（Pa）<

40、;/p><p>　　⊿p2/=NB(3.5-2h/D)ρu02/2=9×(3.5-2×0.6/0.4)×950×0.112/2=25.86（Pa）</p><p>　　∑⊿p0=(⊿p1/+⊿p2/)FsNs=(244+25.86)×1.15×1 =250.86（Pa）</p><p>　　由上面計算可知，該換

41、熱器管程與殼程的壓強降均滿足要求,故所選換熱器合適。</p><p>　　2.4殼程及管程的外部接管</p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)有機液流速為5.6 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　d1=√4Wh/лu=√4×40000/3.14×1000×5.6×3600=0.05 m</p>&

42、lt;p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)水流為0.6 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p>　　d2=√4Wh/лu=√4Wh/лu=√4×20000/3.14×1000×3600×0.6=0.14 m</p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為140mm</p><

43、p><b>　　3.符號說明</b></p><p>　　Tm—有機液的定性溫度 tm--水的定性溫度</p><p>　　Q—熱負(fù)荷 Wh—熱流體的流量 </p><p>　　WC—水耗量 CP—流體比熱, kJ/kg

44、.℃ </p><p>　　T1—熱流體進口溫度, ℃ T2—熱流體出口溫度, ℃</p><p>　　t1—冷流體進口溫度, ℃ t2—冷流體出口溫度, ℃</p><p>　　△tm—逆流溫度, ℃ ＆—修正系數(shù)</p><p>　?。?傳熱系數(shù), Ｗ／m

45、2×℃ A估—估計傳熱面積,m2 </p><p>　　A實際—實際傳熱面積, m2 n—單程管數(shù)</p><p>　　l—單程管長, m NP—管程</p><p>　　L—標(biāo)準(zhǔn)管長,m D—公稱直徑, mm</

46、p><p>　　T—管心距, mm PN—公稱壓力, Pa</p><p>　　A0—換熱器實際換熱面積,m2 </p><p>　　K0—基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù), Ｗ／m2. ℃</p><p>　　Ai—列管面積, m2 Vc—冷流體流量, m3/s&

47、lt;/p><p>　　ρ—流體密度, kg/m3 ui—冷流體流速, m/s</p><p>　　Re—雷諾數(shù) Pr—普朗特數(shù)</p><p>　　α—流體傳熱系數(shù), Ｗ／m2×℃ A0—換熱器外表面換熱面積, m2</p><p>　　Vh—熱流體流量,

48、 m3/s de—當(dāng)量直徑, mm</p><p>　　Rsi—管內(nèi)流體流體污垢熱阻, Ｗ／m2. ℃</p><p>　　Rs0—管外流體流體污垢熱阻, Ｗ／m2. ℃</p><p>　　∑⊿pi—壓強降,Pa ε—粗糙度,mm</p><p>　　λ—傳熱系數(shù),Ｗ／m2×℃

49、 Ft—結(jié)垢校正系數(shù)</p><p>　　Ns—殼程數(shù) Fs—殼程壓強降的結(jié)垢矯正系數(shù),無因次</p><p>　　NB—折流擋板數(shù) </p><p>　　NTC—橫過管束中心線的管子數(shù)，NT為管子總數(shù)</p><p><b>　　4.設(shè)計

50、結(jié)果匯總表</b></p><p>　　表3：換熱器規(guī)格具體參數(shù)</p><p>　　表4：列管換熱器合理壓降的選取</p><p>　　流體在換熱器內(nèi)的壓降大小主要決定于系統(tǒng)的運行壓力，而系統(tǒng)的運行壓力是靠輸送設(shè)備提供的。換熱器內(nèi)流體阻力損失（壓力降）越大，要求輸送設(shè)備的功率就越大，能耗就越高。對于無相變的換熱，流體流速越高，換熱強度越大，可使換熱面積

51、減小，設(shè)備緊湊，制作費低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速過高，也有不利的一面，壓力降增大，泵功率增加，對傳熱管的沖蝕加劇。因此，在換熱器的設(shè)計中有個適宜流速的選取和合理壓力降的控制問題。一般經(jīng)驗，對于液體，在壓力降控制在0.01～0.1MPa之間，對于氣體，控制在0.001～0.01MPa之間。</p><p><b>　　5．設(shè)計自評：</b></p><p>　

52、　在教師下達設(shè)計任務(wù)后，通過上網(wǎng)和多方查閱資料手冊，經(jīng)過近一個月左右時間緊張有序的設(shè)計后，終于完成了列管式換熱器的設(shè)計和校核。通過工藝計算，計算出所需要的一些參數(shù)，如總換熱面積為37.7m2，換熱管管數(shù)為64根。這些為后續(xù)的選型設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計是課堂所學(xué)知識的全面應(yīng)用與考查，既涉及到化工工藝方面，又涉及到設(shè)備設(shè)計等方面的內(nèi)容。正因為如此，這次我能順利完成任務(wù)，離不開老師、同學(xué)的支持和幫助，同時在完成此次過程中，我也學(xué)到了許

53、多書本以外的知識。通過課程設(shè)計，讓我對以前學(xué)習(xí)的各科知識有了更系統(tǒng)的理解。比如《化工原理》等課程。這些專業(yè)知識必將為我今后實習(xí)、就業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)?？傊?，此次設(shè)計讓我受益匪淺。</p><p>　　6．工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖</p><p>　　根據(jù)設(shè)計結(jié)果，可選擇其它形式的列管換熱器。</p><p>　　熱流體有機液（65℃）經(jīng)泵進入換熱器殼程，冷卻至50℃

54、后，進入反應(yīng)器循環(huán)使用。冷流體水25（℃）經(jīng)泵進入換熱器管程進行熱交換。工藝流程如圖所示：</p><p><b>　　7．參考書目：</b></p><p>　　[1] 李殿寶．化工原理 [M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2005 </p><p>　　[2] 譚天恩．化工原理（上）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994 </p&g

55、t;<p>　　[3] 楊祖榮．化工原理[M]. 北京：高等教育出版社，2004 </p><p>　　[4] 賈紹義．化工原理課程設(shè)計[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2002</p><p><b>　　8．致謝：</b></p><p>　　通過這三個月來的忙碌和學(xué)習(xí)，本次畢業(yè)論文設(shè)計已接近尾聲，作為一個大專生的畢業(yè)設(shè)計，由于

56、經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，在這里衷心感謝指導(dǎo)老師的督促指導(dǎo)，以及一起學(xué)習(xí)的同學(xué)們的支持，讓我按時完成了這次畢業(yè)設(shè)計。最后，我要向在百忙之中抽時間對本設(shè)計進行審閱，評議和參加本人論文答辯的老師表示誠摯的感謝！但作為一個?？粕漠厴I(yè)論文，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，水平有限，敬請各位老師批評和指正，我將在以后的學(xué)習(xí)中和工作中不斷的改進，讓自己所學(xué)的知識更好地發(fā)揮運用。</p><p>　

57、　在這次畢業(yè)論文過程當(dāng)中，陳正升老師對該論文從選題，構(gòu)思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予指導(dǎo)和幫助，親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)使我得以最終完成畢業(yè)論文。在學(xué)習(xí)中,老師們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，老師們的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)精神，將永遠激勵著我。</p><p>　　最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參與本人論文答辯的各位老師