化工流體傳熱課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書……………………</p><p>　　說明書正文……………………2</p><p>　　設(shè)計(jì)簡介…………………………………2</p><p>　　由物料衡算確定鹵水流量………………2</p><p>　　假設(shè)K計(jì)算傳熱面積…

2、…………………3</p><p>　　確定預(yù)熱器的臺(tái)數(shù)及工藝結(jié)構(gòu)尺寸……4</p><p>　　核算壓降…………………………………5</p><p>　　核算總傳熱系數(shù)…………………………5</p><p>　　第三臺(tái)換熱器進(jìn)出口溫度核算…………7</p><p>　　確定預(yù)熱器附件…………………………9</p&

3、gt;<p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表…………9</p><p>　　設(shè)計(jì)評(píng)述………………………………10</p><p>　　符號(hào)說明………………………11</p><p>　　4、文獻(xiàn)…………………………12</p><p><b>　　說明書正文</b></p><p>　

4、　設(shè)計(jì)簡介：換熱器（英語翻譯：heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。</p>&l

5、t;p>　　設(shè)計(jì)背景為一年產(chǎn)工業(yè)鹽30萬噸的化工廠的具有分效預(yù)熱的鹵水真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)（平流進(jìn)料、順流進(jìn)料），共采用了3組預(yù)熱器進(jìn)行多效蒸汽熱能的回收利用，并對(duì)進(jìn)入蒸發(fā)塔的鹵水進(jìn)行預(yù)熱，設(shè)計(jì)要求本班每組進(jìn)行一臺(tái)預(yù)熱器的設(shè)計(jì)，使通過其中的鹵水達(dá)到相應(yīng)的預(yù)熱溫度，本小組進(jìn)行的是III效預(yù)熱器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：預(yù)熱器中換熱器類型的選擇、臺(tái)數(shù)的確定以及換熱器的連接安裝等。</p><p>　　由物料衡算確定鹵水

6、流量</p><p>　　查表得 9.6KPa飽和水蒸氣對(duì)應(yīng)的飽和溫度為44.5℃</p><p>　　則由經(jīng)驗(yàn)得 鹽漿的出口溫度 44.5+8=52.5℃</p><p>　　查NaCl的溶解度表得 52.5℃下NaCl的溶解度 37.0g/100g水</p><p>　　由年產(chǎn)量30萬噸的，每小時(shí)鹽漿的體積：</p&

7、gt;<p><b>　　V鹽漿=</b></p><p>　　每小時(shí)飽和鹽水的體積</p><p><b>　　V飽和鹽水=</b></p><p>　　每小時(shí)飽和鹽水中含NaCl</p><p><b>　　mNaCl=</b></p><

8、p>　　由附圖中鹵水典型組成知 ρNaCl(鹵水)=293.76g/L</p><p>　　每小時(shí)NaCl產(chǎn)量 </p><p><b>　　m產(chǎn)NaCl=</b></p><p>　　每小時(shí)精制鹵水體積 V==</p><p>　　則Ⅲ效預(yù)熱器中鹵水的體積流量</p><p><

9、;b>　　Vs=78%V=</b></p><p>　　即3.42×10-2m3/s 則Ws=39.92kg/s</p><p><b>　　假設(shè)K計(jì)算傳熱面積</b></p><p>　?、笮ьA(yù)熱器鹵水的進(jìn)出口溫度分別為55℃，61℃</p><p>　　則取鹵水的定性溫度 t1

10、=（55+61）÷2=58℃</p><p>　　由水蒸氣的物性推算鹵水58℃物性</p><p>　　則總傳熱量 Q=Ws×Cp×Δt=39.92×3.39×10-3×(61-55)=8.12×105J</p><p>　　查壁面污垢熱阻的污垢系數(shù)得 硬水的污垢系數(shù)R=5.51590

11、5;10-4,鹽水的污垢系數(shù)R’=1.7197×10-4 m2·℃/W,由于本設(shè)計(jì)我組準(zhǔn)備采用較大的流速，所以取管內(nèi)污垢熱阻為Rsi=1.7197×10-4 m2·℃/W</p><p>　　查數(shù)據(jù)表得絕壓30KPa下，水蒸氣的溫度t=69.13℃，</p><p>　　考慮輸送熱損耗，故進(jìn)入預(yù)熱器的水蒸氣溫度 t’=68.13℃</p>

12、<p>　　查表得68.13℃下水的物性</p><p>　　68.13℃下水蒸氣的物性 ρv=0.1611kg/m3</p><p><b>　　進(jìn)行K估的計(jì)算</b></p><p>　　假設(shè)管內(nèi)鹵水流速為ub=1.1m/s</p><p>　　由管程流量Vs=n·π·di

13、2·ub</p><p><b>　　得 </b></p><p><b>　　解得 n=35.4</b></p><p>　　假設(shè)正三角形排列的換熱管，則有中心管數(shù)nc=7~4的共37根的最佳選擇。</p><p><b>　　由Q=KSΔtm</b></p

14、><p>　　計(jì)算Δtm ℃</p><p>　　13.31 7.31</p><p>　　代入得， 8.12 ×105=1276.79×10.01×S估</p><p>　　∴S估=63.53m2</p><

15、p>　　則 S=nπdoL 得L=14.39m</p><p>　　根據(jù)管長標(biāo)準(zhǔn)取 L估=18m</p><p>　　則S’估= nπdoL=37×18×3.14×0.038=79.47m2</p><p><b>　　則K估= </b></p><p>　　確定預(yù)熱器的

16、臺(tái)數(shù)及工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　查資料得，換熱器換熱管長度有1.5m,2m,3m,6m</p><p>　　則取每根換熱管長為6m,則需要換熱器 18÷6=3（臺(tái)）</p><p>　　外殼直徑的估算：=0.048（7-1）+2×1.3×0.038=386.8mm</p><p>　　∴取直徑為400mm

17、的換熱器</p><p><b>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸如下：</b></p><p><b>　　核算壓降</b></p><p><b>　　管程流動(dòng)阻力計(jì)算</b></p><p>　　由上面計(jì)算得管程流體雷諾數(shù)為Re=2.78×104 湍流</p>

18、;<p>　　查無縫輕度腐蝕的焊接鋼管的當(dāng)量相對(duì)粗糙度e=0.3×10-3mm</p><p>　　∴相對(duì)粗糙度e/d=</p><p>　　查圖得 =0.038</p><p><b>　　則=</b></p><p>　　=1.3， =3， =1</p>&l

19、t;p><b>　　∴</b></p><p>　　因?yàn)楸緭Q熱器是立式換熱器，因此須考慮重力作用所造成的壓力損失。</p><p><b>　　∴</b></p><p><b>　　成立</b></p><p><b>　　核算總傳熱系數(shù)</b>&

20、lt;/p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　假設(shè)鹵水（低粘度流體）在光滑圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流</p><p>　　應(yīng)用迪特斯貝爾特關(guān)聯(lián)式 </p><p><b>　　湍流</b></p><p><b>　　∴此公式可應(yīng)用<

21、;/b></p><p>　　則 W/（m2·℃）</p><p><b>　　殼程傳熱系數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　設(shè)：液膜為層流，使用麥克亞當(dāng)斯建議公式</p><p><b>　　=①</b></p><p><b>　　又有Q=

22、即②</b></p><p>　?、佗诼?lián)立解出=2.02℃ =5049.40 W/（m2·℃）</p><p><b>　　殼程流型核算</b></p><p>　　冷凝液質(zhì)量流率 </p><p>　　則單位長度潤濕周邊上的凝液質(zhì)量流率為</p><p>

23、　　∴冷凝液膜為層流是正確的。</p><p>　　查得碳鋼管傳熱系數(shù)在60℃下為k=49.97 W/（m2·℃）</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　= </b></p><p>　　計(jì)算得 K計(jì)=1256.75W/（m2·℃）</p>

24、;<p><b>　　∴估算符合要求。</b></p><p>　　(七)第三臺(tái)換熱器進(jìn)出口溫度核算</p><p>　　說明：第三小組共需進(jìn)行三臺(tái)換熱器的核算，本設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)對(duì)第三臺(tái)換熱器進(jìn)行核算。</p><p>　　由上一組計(jì)算結(jié)果得，第三臺(tái)換熱器鹵水的進(jìn)口溫度為60.0℃</p><p>　　設(shè)：出口溫

25、度為61.6℃</p><p>　　則鹵水的定性溫度?。?0+61.1）÷2=60.8℃</p><p>　　查60.8℃時(shí)鹵水的物性</p><p><b>　　計(jì)算</b></p><p><b>　　=℃</b></p><p>　　8.13 6.53

26、</p><p>　　S==37×3.14×0.038×6=26.49m2</p><p>　　由Q= Ws×Cp×Δt=KS,得</p><p>　　Q=39.92×3.39×103×(61.5-60.0)=K·26.49×7.35=202993.2J</p&

27、gt;<p>　　∴K=1049.73w/(m·℃)</p><p>　　由殼程傳熱系數(shù)計(jì)算公式 得</p><p><b>　　————————①</b></p><p>　　由牛頓冷卻定律計(jì)算公式 </p><p>　　得 ——————②</p>

28、<p>　?、佗诼?lián)立得 =4721.93 w/(m·℃)</p><p>　　由于管程流速不變，則由上面的計(jì)算可知管程傳熱系數(shù)為 </p><p><b>　　w/(m·℃)</b></p><p>　　則由總傳熱系數(shù)公式計(jì)算K計(jì)</p><p&g

29、t;<b>　　=</b></p><p>　　計(jì)算得 K計(jì)=1226.17 w/(m·℃)</p><p>　　管程壓降的核算方法與（五）相同，不再贅述。</p><p><b>　　∴</b></p><p>　　應(yīng)用K計(jì)核算出口溫度：</p><p><

30、b>　　設(shè)出口溫度為t’</b></p><p>　　8.13 68.13-t’</p><p>　　則Q= Ws×Cp×Δt=KSΔtm</p><p>　　解得 t’=61.7℃</p><p>　　∴第三臺(tái)換熱器的進(jìn)出口溫度分別是60.0,61.7℃</p><p&g

31、t;<b>　　第三臺(tái)換熱器參數(shù)表</b></p><p><b>　　確定預(yù)熱器附件</b></p><p>　　預(yù)熱器主要附件有：管板，流體進(jìn)出口接管，接管法蘭</p><p>　　流體進(jìn)出口接管的計(jì)算</p><p>　　查表得流體在管內(nèi)流動(dòng)的適宜流速</p><p>

32、　　經(jīng)測算，鹵水流速取0.8m/s,飽和水蒸氣流速取30m/s</p><p><b>　　由公式，得</b></p><p><b>　　m</b></p><p>　　查表得，管程進(jìn)出口接管應(yīng)取外徑為140mm,壁厚為6mm的無縫鋼管</p><p>　　由熱量衡算Q= 得</p>

33、<p>　　解得 =0.39m3/s </p><p><b>　　則</b></p><p>　　查表得，殼程進(jìn)出口接管應(yīng)取外徑為351mm,壁厚為10mm的無縫鋼管</p><p>　　直徑400mm的換熱器管板壁厚經(jīng)查閱數(shù)據(jù)確定為30mm。</p><p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表</p

34、><p><b>　　設(shè)計(jì)評(píng)述</b></p><p><b>　　理論設(shè)計(jì)計(jì)算方面：</b></p><p>　　因參考了大量資料和文獻(xiàn)而使本設(shè)計(jì)具備了雄厚的理論基礎(chǔ)，且全過程遵循設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計(jì)成品大致符合要求，令人滿意。首先，本設(shè)計(jì)采用固定管板式換熱器，其具有造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)；其次，本設(shè)計(jì)為單管程，在保證了管內(nèi)

35、易結(jié)垢流體能以較大的流速流動(dòng)的條件下又避免了因管束分程而造成的流動(dòng)阻力和溫差損失，且因沒有分程隔板，換熱器的實(shí)際換熱面積與理論換熱面積相近，增大了傳熱效率。</p><p>　　本設(shè)計(jì)規(guī)定鹵水走管程，飽和水蒸氣走殼程，符合一般流動(dòng)路徑的選取原則。另外，用已經(jīng)利用過的二次蒸汽進(jìn)行待蒸發(fā)的鹵水的預(yù)熱工作，充分實(shí)現(xiàn)了能源的充分利用。</p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)估算部分進(jìn)行誤差分析：</p&

36、gt;<p>　?、旁谶M(jìn)行物料衡算時(shí)的誤差為對(duì)NaCl溶解度的運(yùn)用，在計(jì)算飽和鹽水中的NaCl含量時(shí)，本設(shè)計(jì)直接采用了飽和鹽水體積×NaCl溶解度的方法，忽略了在飽和鹽水中除了NaCl外還有CaCl2、MgCl2等含有Cl-的離子化合物的存在會(huì)影響NaCl在飽和鹽水中的正常溶解度，因此實(shí)際在飽和鹽水中的NaCl含量要少于計(jì)算值，但由于大部分NaCl都在產(chǎn)品中析出，因此在計(jì)算飽和鹽水中的NaCl含量時(shí)可以采用粗估的

37、方法。</p><p>　　⑵所查鹵水物性上的誤差：因?yàn)辂u水組成并不固定，因此很難查到有關(guān)鹵水物性的數(shù)據(jù)，所以本設(shè)計(jì)所用的各溫度下的鹵水物性都是根據(jù)純水在相應(yīng)溫度下的物性數(shù)據(jù)按比例估算出來的，存在一定的誤差。</p><p>　?、俏酃笩嶙璧倪x擇：本設(shè)計(jì)的管程污垢熱阻選取的是鹽水的污垢熱阻，與鹵水的實(shí)際污垢熱阻存在一定的差別，而殼程的污垢熱阻因?yàn)槭褂玫氖秋柡退魵?，所以本設(shè)計(jì)選擇了忽略殼程

38、熱阻，但實(shí)際上工業(yè)上的飽和水蒸汽不是完全結(jié)凈的，長期使用一定會(huì)有污垢產(chǎn)生，因此本設(shè)計(jì)對(duì)污垢熱阻的計(jì)算比實(shí)際的污垢熱阻要偏小。</p><p>　?、仍趯?duì)管壁溫度進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，用到，在此公式中的Q是由估測溫度計(jì)算得到，但實(shí)際上這里的Q應(yīng)該用最后迭代得到的Q’，準(zhǔn)確算法應(yīng)為在算得準(zhǔn)確的后，將Q’進(jìn)行迭代直到兩者相等為止。但因?yàn)閷?shí)際計(jì)算的與估算的只差0.1℃，所以這里的誤差不會(huì)很大。</p><p

39、>　?、煽倐鳠崦娣e的計(jì)算問題，根據(jù)一些資料顯示，實(shí)際傳熱面積應(yīng)在計(jì)算的傳熱面積上留有一定的富余量，本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的過程中并沒有把富余量計(jì)算在內(nèi)，但本設(shè)計(jì)在計(jì)算實(shí)際管子長度的時(shí)候?yàn)?4.39m，而為了串聯(lián)換熱器分割的需要，使用了18m長的換熱管進(jìn)行換熱，因此富余量已經(jīng)包括在內(nèi)了，并不會(huì)在換熱器的設(shè)計(jì)上產(chǎn)生較大的誤差。</p><p><b>　　經(jīng)濟(jì)性分析：</b></p>

40、<p><b>　　一年中經(jīng)費(fèi)情況</b></p><p>　　由于上表中的費(fèi)用花費(fèi)大多無法查出，所以本設(shè)計(jì)不再做具體的計(jì)算。</p><p><b>　　主要符號(hào)說明</b></p><p><b>　　英文</b></p><p>　　b——平壁厚度，m；

41、 cp——定壓質(zhì)量熱容，J/(kg·℃)</p><p>　　di——管子內(nèi)徑，m； do——管子外徑，m；</p><p>　　D——換熱器外殼直徑，mm； k——熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；</p><

42、;p>　　L——管長，m； m——質(zhì)量，kg；</p><p>　　P——壓力，KPa； P——凝液潤濕周邊長，m；</p><p>　　Q——傳熱速率，W； S——傳熱面積，m2；</p&

43、gt;<p>　　t——溫度，℃； ub——流速，m/s；</p><p>　　ws——質(zhì)量流率，kg/s； vs——體積流率，m3/s；</p><p>　　tm——當(dāng)量溫度，℃； dm——當(dāng)量直徑，m

44、；</p><p><b>　　希文</b></p><p>　　α——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）； ?！獑挝婚L度潤濕周邊的凝液流率，kg/(m·s)</p><p>　　λ——汽化熱，J/kg； Δ——差量</p><p&g

45、t;　　μ——粘度，Pa·s； ρ——密度，kg/m3;</p><p><b>　　ο——管外</b></p><p><b>　　量綱為一數(shù)群</b></p><p><b>　　，努賽爾數(shù)；</b></p><

46、;p><b>　　，普朗特?cái)?shù)；</b></p><p><b>　　，雷諾數(shù)；</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、柴誠敬，張國亮，《化工流體流動(dòng)與傳熱》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.4；</p><p>　　2、潘國昌，郭慶