化工原理课程设计__换热器

一、设计任务书二、确定设计方案2.1选择换热器的类型本设计中空气压缩机的后冷却器选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于下列情况：①温差不大；②温差较大但是壳程压力较小；③壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第②种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。本设计中的固定管板式换热器采用的材料为钢管(20R钢)。2.2流动方向及流速的确定本冷却器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。根据的原则有：（1）因为热空气的操作压力达到1.1Mpa，而冷却水的操作压力取0.3Mpa，如果热空气走管内可以避免壳体受压，可节省壳程金属消耗量；（2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。（3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。查阅《化工原理（上）》P201表4－9可得到，热空气的流速范围为5～30m·s-1；冷却水的流速范围为0.2～1.5m·s-1。本设计中，假设热空气的流速为8m·s-1，然后进行计算校核。2.3安装方式冷却器是小型冷却器，采用卧式较适宜。空气水水空气三、设计条件及主要物性参数3.1设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：类型体积流量（标准m3/min）进口温度（℃）出口温度（℃）操作压力（Mpa）设计压力（Mpa）空气（管内）15148421.11.2冷却水（管外）－25330.30.4注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全，必须使设计压力比最大操作压力略大，本设计的设计压力比最大操作压力大0.1MPa。3.2确定主要物性数据3.2.1定性温度的确定可取流体进出口温度的平均值。管程气体的定性温度为95242148T℃壳程水的定性温度为2923325t℃3.2.2流体有关物性数据根据由上面两个定性温度数据，查阅《化工原理（上）》P243的附录六：干空气的物理性质（101.33kPa）和P244的附录七：水的物理性质。运用内插法（公式为()/()bababavgbyyyytttt）,可得壳程和管程流体的有关物性数据。空气在95℃，1.2MPa下的有关物性数据如下：物性密度ρi（kg/m3）定压比热容cpi[kJ/(kg℃)]粘度μi（Pa·s）导热系数λi（W·m-1·℃-1）空气11.361.0092.17×10-50.0317水在29℃的物性数据如下：物性密度ρo（kg/m3）定压比热容cpo[kJ/(kg℃)]粘度μo（Pa·s）导热系数λo（W·m-1·℃-1）水996.04.1758.21×10-40.0601注：空气的物性受压力影响较大，而水的物性受压力影响不大。空气密度校正，由《化工原理实验》P31，公式2-36得：ρi＝1.293T273273'PP＝1.293×(1.2MPa/101.33kPa)×273/(273+95)＝11.36kg·m-3参数四、传热过程工艺计算4.1估算传热面积4.1.1热流量空气的质量流量为mi=60Vi’Ai(0℃,1atm)=60×83×1.293=6439.14kg/h根据《流体力学（上）》P177，公式（4-109），热流量为Qi=miCpi(T1－T2)=6439.14×1.009×（148－42）=6.887×105kJ/h=1.913×105W4.1.2平均传热温差根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-11，mt=12211221ln)()(tTtTtTtT=Ai(0℃,1atm)=51.26℃4.1.3传热面积由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设Ki‘=200W·m-2·℃-1。根据《传热传质过程设备设计》P14，公式1-2，则估算的传热面积为66.1826.51200191300tm'iiKQSm24.1.4冷却水用量根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-8mo=206202533175.4106.887)(512）（ttcQpoikg/h4.2主体构件的工艺结构尺寸4.2.1管径和管内流速选用φ25×2.5mm的传热管(碳钢管)；由《传热传质过程设备设计》P7表1－3得管壳式换热器中常用的流速范围的数据，可设空气流速ui＝8m/s，用ui计算传热膜系数，然后进行校核。4.2.2管程数和传热管数依《化工单元过程及设备课程设计》P62，公式3-9可依据传热管内径和流速确定单程传热管数226439.14/(11.363600630.7850.02084isiiVndu）(根)按单程管计算，所需的传热管长度为72.463020.014.366.18sindSL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=3m，则该换热器管程数为Np=L/l=4.72/3≈2（管程）传热管总根数N=63×2=126（根）。单根传热管质量0mld钢＝7850×3×3.14×0.0225×0.0025=4.16kg4.2.3平均传热温差校正及壳程数依《化工单元过程及设备课程设计》P63，公式3-13a和3-13b，平均传热温差校正系数R＝1221ttTT＝＝13.25P＝1112tTtt＝332514825＝0.065依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-13，温度校正系数为t112RR×)11(2)11(2ln11ln22RRPRRPPRP＝213.25113.251×2210.065ln10.06513.2520.065(113.2513.251)ln20.065(113.2513.251)≈0.931依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-14，平均传热温差校正为△tm=t×△tm’=51.26×0.931=47.72(℃)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。4.2.4传热管的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。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。查《热交换器原理与设计》P46，表2-3管间距，取管间距：t＝32mm。由《化工原理上册》P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为1.1enn=1.1×126≈13根由《化工单元过程及设备课程设计》P67，公式3-16，隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22mm取各程相邻管的管心距为44mm。4.2.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，由《流体力学与传热》P206，公式4-115，得壳体内径为Di=1.05t/n=1.05×32×126/0.7=450.8mm,查阅《化工原理（上）》P275，附录二十三：热交换器，取Di=450mm。4.2.6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25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×450=112.5mm，故可取h=110mm。取折流板间距B=0.4Di，则B=0.4×450=180mm。取板间距H＝150mm，则：折流板数NB=折流板间距传热管长－1=3000150－1=19块折流板圆缺面水平装配。4.3换热器主要传热参数核算4.3.1热量核算(1)壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由《流体力学与传热》P164，公式4-60、4-61，得ho=14.03/155.0)(PrRe36.0woeodμμλ其中：①当水做冷却剂时，粘度校正为14.0)(woμμ=1.05②当量直径，管子为正三角形排列时，依《化工单元过程及设备课程设计》P72，公式3-22得de＝2234()24ootddππ＝2234(0.0320.025)243.140.025π＝0.0202m③壳程流通截面积，由《流体力学与传热》P164，公式4-62，得So=BD(1－tdo)=0.15×0.45×（1－0.0250.032）＝0.0148m2④壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo＝ooSV=20620/(3600996.0)0.0148＝0.389m/sReo＝oeooduμρ＝996.00.3890.02020.000821＝9532.73⑤普朗特准数（传热传质过程设备设计P26，公式1-43）Pr＝oopoc=41750.0008210.0601=57.03因此，壳程水的传热膜系数ho为ho=0.551/30.140.6010.369532.7357.031.050.0202=6408.1W/(m2·℃)(2)管程对流传热系数由《流体力学与传热》P158，公式4-52a、4-52b，得hi=0.023Re0.8Pr0.3iid其中：①管程流通截面积Si=242idn=23.140.0212642=0.0198m2②管程空气的流速及其雷诺数分别为ui＝iiSV=6439.14/(360011.36)0.0198＝7.95m/sRe＝iiiiduμρ＝511.367.950.022.1710＝8.32369104③普兰特准数Pr＝iipic=510092.17100.0317=0.691因此，管程空气的传热膜系数hi为hi=0.023×83236.90.8×0.6910.3×0.03170.02=281.74W/(m2·℃)(3)基于管内表面积的总传热系数Ki查阅《化工原理（上）》P365，附录22，得冷却水侧的热阻Rso＝0.000172m2·℃·W-1热空气侧的热阻Rsi＝0.000344m2·℃·W-1钢的导热系数λ＝45W·m-1·℃-1因此，依《化工单元过程及设备课程设计》P71，公式3-21iK1＝ih1＋Rsi＋midbd＋ooidhd＋oisoddR＝1281.74＋0.000344＋0.00250.02450.0225＋0.026408.10.025＋0.000172×0.020.025解得：iK＝237.80W/(m2·℃)此计算值与前面的初设值Ki‘=200W/(m2·℃)的关系：'iiKK=237.80200=1.189满足换热器设计所要求的iK/Ki‘=1.15~1.25的范围，初选的换热器合适。(4)传热面积依《化工单元过程及设备课程设计》P75，公式3-35：Qi＝iKSi△tm得：Si＝Qi/(iK△tm)＝191300/（237.80×51.26）＝15.69m2该换热器的实际传热面积SpSp=idln=3.14×0.02×3×126=23.74m2依《化工单元过程及设备课程设计》P76，公式3-36该换热器的面积裕度为%100iipSSSH=23.7415.69100%15.69=22.74%传热面积裕度超出要求的15%～20%的范围，故需减少管数，取管数n=100,则实际传热面积Sp=idln=3.14×0.02×3×100＝18.84m2面积裕度为%100iipSSSH=18.8415.69100%15.69=17.84%处于要求的15%～20%的范围内，该换热器符合实际生产要求。4.3.2壁温核算因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按《化工单元过程及设备课程设计》P77，公式3-42计算。该换热器用自来水作为冷却水，设定冷却水进口温度为25℃，出口温度为33℃来计算传热管壁温。由于传热管内侧污垢热阻较大，会