工程原理课程设计-换热器

水换热器的设计 学院：化学化工学院 专业：制药101班 姓名：周延军 指导老师：杨胜凯设计任务书一、设计题目：水换热器的设计二、设计原始数据1、处理能力：1.1088105吨/年热水2、操作条件：热水：入口温度90oC，出口温度50 oC冷却介质：循环水，入口温度18oC，出口温度54 oC允许压强降：不大于105Pa每年按330天计，每天24小时连续运行三、设备形式：列管式换热器四、设计任务1、设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、接管等。2、绘制列管式换热器的工作图。3、编写课程设计说明书。目录1设计方案简介41.1 列管式换热器形式选择41.2 流动空间选择42工艺计算及主体设备设计计算52.1试算并初选换热器规格52.1.1计算热负荷52.1.2 计算平均温差，并确定壳程数52.1.3 初选换热器规格62.2 核算总传热系数62.2.1 计算管程对流换热系数62.2.2 计算壳程对流换热系数72.2.3 确定污垢热阻82.2.4 计算总换热系数82.3计算压力降92.3.1 计算管程压力降92.3.2 计算壳程压力降93设计一览表114附图125设计说明与设计评论125.1设计说明125.1.1选择换热器的类型135.1.2管程安排135.1.3流向的选择135.2设计评论136参考文献141设计方案简介1.1 列管式换热器形式选择热水的入口温度为90, 出口温度为50。冷却介质为循环水，取入口温度为18，出口温度为54。热水的定性温度： Tm=70循环冷却水的定性温度：tm=36两流体的温差： Tm -tm =70-36=34由于两流体温差小于50，故选择固定板式换热器。根据定性温度，可以查取管程和壳程流体的有关物性数据。热水在70下的物性数据：密度： h=977.8kg/m3定压比热容：cph=4.167kJ/（kg）导热系数： h=0.6670W/（m2）黏度： h=0.40610-3Pas循环冷却水在36下的物性数据：密度： c=993.6kg/m3定压比热容：cpc=4.174kJ/（kg）导热系数： c=0.6268W/(m2)黏度： c=0.718410-3Pas1.2 流动空间选择由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走壳程，热水走管程。2工艺计算及主体设备设计计算2.1试算并初选换热器规格2.1.1计算热负荷（按管内热水计算）Q=1.10881051034.167103（90-50）/(360033024)=6.482105 W若忽略换热器的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即：Wc=2.1.2 计算平均温差，并确定壳程数平均传热系数:热 水 90 50 冷却水 54 18温 差 36 32逆流温差 =33.96R=1.0P=由R和P查图得t=0.82,所以平均传热温差tm=t=0.8233.96=27.85又因t=0.820.8,故可选用单壳程的列管式换热器。2.1.3 初选换热器规格根据管内为热水，管外为冷却水，初选K0=1000W/（m2）S0=初选固定管板式换热器的规格尺寸如下：壳径D 1000mm公称面积S 32.42m2管程数 2管数 n 70管长 L 6m管子直径 25mm2.5mm（不锈钢管）管子排列方式 正三角形2.2 核算总传热系数2.2.1 计算管程对流换热系数i因为Wh=1.4(kg/h)Vh= Wh/=1.4/977.8=14.318m3/hAi=n/2/4di2=70/20.7850.0212=0.0121m2ui= Vh /(3600Ai)=14.318/(36000.0121)=0.33m/sPri=Cp/=所以i=0.023（液体被冷却）i=2330 W/（m2）2.2.2 计算壳程对流换热系数0换热器中心附近管排中流体流通截面积：=hD(1)=0.51（1-0.025/0.032）=0.1094 m2式中 h折流挡板间距，取500mm;t管中心距，对25mm2.5mm的管子，t=32mm。因为 Wc=4.314kg/sVc=Wc/=4.314/993.6=0.00434m3/su0= Vc/=0.00434/0.1094=0.03967m/s由正三角形排列，得：d=0.0202Re=因为Re在小于范围内，故可用下式计算0Pr0=由于液体被加热，取，所以2.2.3 确定污垢热阻由上表可得：Rsi = Rs0= 3.4410-4 m2 /W (自来水)2.2.4 计算总换热系数管壁的导热系数w =17.4W / (m)所以 SO= Q/(KOtm)= 1.1088105 /(104.6533.96)=31.19m2而实际S0= nd0(L-0.1)=703.140.025(6-0.1)=32.42 m2所选的换热器的安全系数为:(32.42-31.19)/31.19100%=3.94%2.3 计算压强降2.3.1 计算管程压强降前已算出：ui = 0.33 m/s ，Rei=1.59104（湍流）取不锈钢管壁粗糙度为0.1mm，则/di=0.1/20=0.005，由摩擦系数图查得=0.031，所以对于25mm2.5mm的管子，Ft=1.4且Np=2，Ns=1，所以=（525.6+169.55）1.42=1946.42Pa100 kPa2.3.2 计算壳程压强降 其中 Fs= 1.15 ，Ns=1管子为正三角形排列，取F=0.5nc=1.1n0.5=1.1（742）0.5 =26.96 取nc=26折流板间距h=0.5m折流板数NB=L/h-1=6/0.5-1=11Re0=f0=5Re0-0.228=560911-0.228=0.44所以= (53734+21631)1.15=86670 100 kPa从上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求，故所选换热器合适。3设计一览表参数管程壳程流量/（Kg/s）87.7218.8进/出口温度/80/6032/40压力/Kpa100100物性定性温度/7036密度/(kg/m3)977.8993.6定压比热容/kJ/(kg)4.1674.174黏度/(mPas)0.4060.7184导热系数/(W/(m)0.6670.6268普朗特数2.5364.784设备结构参数形式固定管板式壳程数1壳径/mm1000台数1管径/mm252.5管心距/32管长/mm600管子排列管数目/根70折流板数/个26传热面积/34.42折流板间距/500管程数2材质不锈钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.330.03967传热系数/W/（）4581.718098.8污垢热阻/（/W）3/100003/10000压强降/ Pa9959.886670热负荷/kW7307传热温差/32.6总传热系数/W/（）751.9裕度/%15.464附图5设计说明与设计评论5.1 设计说明换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。5.1.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度90，出口温度50；冷流体进口温度18，出口温度为54。因为两流体的温差不大于50，所以初步确定选用固定管板式换热器。5.1.2 管程安排因为水在高温下容易结垢，所以应使热水走管程，冷水走壳程。5.1.3 流向的选择当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。故选用逆流操作。5.2 设计评论本次设计，我们参考了大量的资料，寻找了大量的参数，保证了计算的准确性。在设计过程中，与同学老师进行了多次讨论，初步地设计出了此列管式换热器，能基本满足工业化生产的需要。本次课程设计不能单独只考虑一个或几个因素，要综合考虑，对其各个因素进行认真考虑，整体构思。让我们把课本上的知识运用到了社会实践当中，是我们学习专业理论知识的最终目的。由于我们经验不足，加上时间仓促，难免有错误之处，恳请批评指正。6参考文献1 蒋维钧,顾惠君.化工原理（第二版）上册. 清华大学出版社.北京,2003.3.2 张洪流.化工原理（上册）. 华东理工大学出版社.上海,2006.11.3 管国锋,赵汝博.化工原理（第二版）. 化学工业出版社.北京,2003.8.4 杨同舟,食品工程原理M.中国农业出版社2003.65 柴诚敬，王军，张缨编，化工原理课程设计M.天津科学技术出版社.天津大学化工学院.2006.3.14