化工原理 换热器设计

-1-|化工原理课程设计任务书专业班级：07过控02学生姓名：赵凯学号：0703020228一设计题目：正戊烷冷凝器的设计二课题条件（文献资料，仪器设备，指导力量）（一）设计任务设计一冷凝器，冷凝正戊烷蒸气;1)处理能力：6万吨/年。2)正戊烷蒸气压力：0.75kgf/cm2，其饱和温度为52C，蒸发潜热为83kcal/kg3)冷却剂：自来软水，进口温度C251t出口温度C40o2t（二）操作条件：（1）生产方式：连续操作（2）生产时间：每年以300天计算，每天24小时（3）冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的压力均不大于30kpa三．设计任务1.确定设计方案，绘制工艺流程图。2.热力学计算2.1热力学数据的获取2.2估算传热面积2.3工艺尺寸的计算2.4面积核算2.5壁温校核2.6压降校核3.结构设计-2-3.1冷凝器的安装3.2管设计3.3管心距设计3.4管板设计3.5折流板设计3.6壳体设计3.7接管设计3.8封头设计3.9法兰设计3.10支座设计3.11其他4.设计计算结果汇总表5.设计结果评价6.绘制装配图7.编制设计说明书-3-设计流程图确定物性常数，热负荷、冷却剂用量及平均温差，确定换热器类型及流体流动空间选择传热管参数，并计算管程相应参数核算冷凝给热系数估计冷凝给热系数总传热系数核算计算管内给热系数估计传热总数，计算传热面积初值计算壳侧压降和管侧压降计算，并与设计压力比较裕度系数校验计算值与假定值相差较大考虑夏冬季的温度差异，改变冷流体进口温度折流板计算计算值与假定值相差不大计算值与假定值相差较大裕度过大或过小裕度合适确定换热器基本尺寸压降大于设计压力压降小于设计压力①②③④⑤⑥⑦⑧⑨计算换热器其余零件⑩-4-工艺流程图热力学计算1.热力学数据的获取正戊烷液体在定性温度（52℃）下的物性数据（查化工原理附录）。，，kJ/kg5.347CW/m13.0CkJ/kg34.2，sPa108.1，kg/m59643rcp循环水的定性温度：入口温度为C251t，出口温度为C40o2t循环水的定性温度为C5.322/4025mt两流体的温差C50C5.195.3252mmtT，故选固定管板式换热器两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度℃密度kg/m3粘度mPa·s比热容kJ/(kg·℃)导热系数W/(m·℃)正戊烷525960.182.340.157循环水32.59940.7254.080.626-5-2.估算传热面积（1）计算热负荷1sm=6710/(30024)=8333.3kg/h=2.31kg/skW3.8043600/5.3473.83331rmQs（2）冷却水用量2sm=tcp2/Q=804.3/4.08(40-25)=13.1kg/s（3）计算有效平均温度差逆流温差C5.184052/2552ln40522552,逆mt（4）选取经验传热系数K值根据管程走循环水，壳程走正戊烷，总传热系数K现暂取：CW/m6502K（5）估算换热面积23`m8.6618.5650103.804KA，逆mptQ3.工艺尺寸计算（1）管径和管内流速选用Φ25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=0.8m/s。（2）管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数sn=538.002.0785.0994/1.13422udVi(根）按单程管计算，所需的传热管长度为L=mndAsop1653025.014.366.8按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为pn=44.516lL传热管总根数N=53×4=212(根）-6-（3）平均传热温差校正及壳程数:平均温差校正系数有:R=0P=55.025522540单壳程，双管程结构，查得0.1t平均传热温差18.518.51.0塑mtmtt℃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。（4）壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。取管板利用率η=0.7，则壳体内径为D=1.05tmmN5847.0/2123205.1/按卷制壳体的进级档，可取D=600mm则横过管数中心线管的根数183.1721219.119.1Nnc（根）卧式固定管板式换热器的规格如下：公称直径D…………………………600mm公称换热面积S……………………66.8m2管程数pn…………………………4管数n………………………………212管长L………………………………4.5m管子直径……………………………mm5225.Φ管子排列方式………………………正三角形（5）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=0.20*600=120mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3*600=180mm，可取B=200mm。-7-折流板数N=传热管长/折流板间距-1=4500/200-1=22（块）4.面积核算（1）壳程表面传热系数3131322o*Re51.1g）（495.0108.2,4Re,MtssNnMLnm48.2921208.2495.0sn21.0)00018.0148.295.43600/3.83334(51.1)14(51.131311*sLnm1558])157.081.9596/(00018.0)21.0([])/()([31322331312213*0g（2）管内表面传热系数.，有4.08.0PrRe023.0iiid管程流体流通截面积0166.0421202.0785.02iS）（2m管程流体流速smui/0.791660.0994/1.1321662)10725.0/(9940.7902.0Re3i普朗特数725.4626.010725.01008.4Pr33C).(/3940.2W725.42084002.0626.0023.0O24.08.0mi（3）污垢热阻和管壁热阻-8-管外侧污垢热阻W/C172000.0O2mRso管内侧污垢热阻W/C21000.0O2mRsi管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(m·K)。所以wkmRw/00005.050.290025.02（4）传热系数K依式3-21有C)(/W6.69015581000172.00225.0025.000005.0020.0025.000021.0020.03940025.01)1(1O2mRddRddRddKoomowioiiio）（（5）传热面积裕度:可得所计算传热面积Ap为239.6218.56.690103.804mtKQAmp该换热器的实际传热面积为cA28.7406.05.4212025.014.3LNmdAoc）（该换热器的面积裕度为%06.199.629.628.74ppcAAAH传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.壁温核算与冷凝液流型核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算00021.02.3940132000172.0155815211wwsiiwsoowttRttRtTC2.39wt，这与假设相差不大，可以接受。核算流型-9-冷凝负荷skg/m139.0212025.014.33600/3.8333bmMs1800767000725.0139.044ReM（符合层流假设）6.压降校核（1）计算管程压降sptiNNFpΔpΔpΔ21（tF结垢校正系数，pN管程数，sN壳程数）取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则005.0/de，而21662Rei，于是033.02166268201.01.0Re681.023.023.0idePa2303279.0994020.05.4033.02221iiudLpPa1.862279.0994323222iup对mm5225.φ的管子有1,2,5.1sptNNF且Pa2.9495125.11.862230321sptiNNFppp30KPa故,管程压降在允许范围之内。（2）计算壳程压降按式计算ssiosNFppp)(,1sN,1sF流体流经管束的阻力2)1(2oBTCoouNNFfpF=0.52026.0)32251(6.02.0)1(mtdBDSoo壳程流体流速及其雷诺数分别为：取suo/m10-10-1190000008.076.41002.0Re气气oeoud335.0119005288.0of01.162121.11.15.05.0TTCNN22BNop0.5×0.335×16.01×(22+1)×21076.42=14679Pa流体流过折流板缺口的阻力2)25.3(2oBiuDBNp,B=0.2m,D=0.6m942921076.4)6.02.025.3(142ipPa总阻力sp14679+9429=24108Pa30KPa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。结构设计1.冷凝器的安装（1）采用卧式换热器卧式换热器相对立式换热器，其占地面积虽然大一些，但其传热系数高，不易积气，易于安装和维修等。为了减少液膜在列管上的包角及液膜的厚度，管板在装配时留有1%左右的坡度，或者将其轴线与设备水平线偏转一定的角度，其计算公式为：39.0322252)30sin(tdo得：o739.0arcsin30（2）随蒸汽冷凝，流通截面积逐渐缩小，以保持蒸汽的流速。（3）冷凝器的组合方式：单台。（4）冷凝器内部安装折流板在对流传热的换热器中，为了加强壳层流动的速度和湍流程度，以提高传-11-热效率，再在壳层内可安置折流板，折流板还起支撑的作用。（5）通入蒸汽前要用一排气管排出里面的空气和不凝气，但传热冷凝过程中必须关闭。2.管子的设计（1）采用光滑管光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能不足。为了提高换热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。（2）选用mm5225.Φ的管子。（3）管长我国生产的无缝钢管长度一般为6m，故系列中换热管的长度分为1.5，2,3,4.5,6米几种，本设计中采用4.5米长的管子。（4）管子的排列形式管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形错列，正方形直列和正方形错列。a.正三角形错列b.正方形直列c.正方形错列正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。（5）管数标准管数为212根。-12-3.管心距的设计：mmt32采用胀接法固定时，管心距过小会造成胀接在挤压作用下发生变形，失去管子与管板之间的连接力。故采用焊接法。根据经验公式：mmdt322525.125.10隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22㎜各程相邻管的管心距为S244㎜。4.管板的设计（1）管板的作用：固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁，将