循环水冷却器设计

设计目录设计任务书物性参数的确定设计方案的确定1选择换热器的类型2流程安排估算传热面积1换热器的热负荷2平均传热温差3传热面积工程结构尺寸1管径和管内的流速2管程数和传热管数目录3平均传热温差校正及壳程数4传热管排列和分程方法5管体内径6折流板7其它附件8接管换热器的核算1传热能力的核算管程传热膜系数污垢热住和关闭热阻10壳程对流传热膜系数a10总传热系数Kii传热面积裕度ii2换热器内流体的流动阻力12校核管程流体的阻力壳程流体的阻力换热器的主要工艺结构尺寸和计算结果表13设备参数的计算141壳体壁厚2接管法兰3设备法兰4封头管箱5设备法兰用垫片6管法兰用垫片7管板8支垫9设备参数总表参考文献学习体会与收获卜一重要符号说明141515151516161616171820一.设计任务书化工原理课程设计任务书专业过程装备与控制工程班级姓名设计题目循环水冷却器设计设计条件1设备处理量74T/h2循环水 入口温度55摄氏度 出口温度40摄氏度3冷却水 入口温度20摄氏度 出口温度40摄氏度4常压冷却热损失5%5两侧污垢的热阻0.00017(m2O/W6 初设 k= 900W/(mQ设计要求1设计满足以上条件的换热器并写出设计说明2根据所选换热器患处设备装配图指导教师二计算物性参数1、定性温度下两流体的物性参数(1)循环水定性温度t =47.5 Cm密度 Ph=989.1kg/m3；比热容 Cph=4.174kJ/(kg.C导热系数人=0.6443W/(mC)粘度卩=0.0005Pa.sh(2)冷却水定性温度t =25 Cm密度 pi=996.9kg/m3比热容 Cpi=4.179kJ/(kg.C)导热系数人=0.6083W/(m.C) 粘度叫=0.0009025Pa.s三设计方案的确立1.选择换热器类型：固定管板式换热器固定管板式换热器的两端和売体连为一体，管子则固定于管板 上，它的结构简单，在相同的売体直径内，排管最多，比较紧凑， 由于这种结构使売侧清洗困难，所以売程易用于不易结垢和清洁的 流体。当管束和売体之间温差太大而产生不用的膨胀时，常会使管 子与管板的借口脱开，从而发生介质的泄露。为此常在外売上焊一 膨胀节，但它仅能减小而不能完全消除由于温差而产生的热应力，且在多程换热器中，这种方法不能照顾到管子的相对移动。由此可 见，固定管板式换热器比较适合用于温度不大或较大但売程压力不 高的场合，所以此设计易选用固定管板式换热器。固定管板式换热器2. 流程安排：由于是常温冷却，并且循环水相对比较洁净，所以选择循环水 走管间，冷却水走管内，既有利于冷却水冷却效率，也可借助于外 界温度加速循环水冷却。四估算传热面积1.换热器的热负荷:Q = me Ati pi=74000X4.174X(55-40)X95%=4.401 X 10 6kg/h=1222.5kw2.平均传热温差（对流传热）：At =22.5 c冷却水用量:Qc Atpi i4.401 x 1064.179 x (30 - 20)=105312.3Kg / HS = Q ,: KAtm222.5 x 103 = 60.59m 2900 x 22.423.传热面积:考虑15%的面积裕度：S = 60.59 x 1.15 = 69.8m 2五. 工程结构尺寸1.管径和管程流速:选用0 25x2.5传热管，取管内流速u = 1.2m/si2.管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程管传热管数n =s兀C- d 2u4 1* 7996.9 X 3600 = 78（根）0.875 x 0.022 x1按单管程计算,S传热总管长度为:69.8=11.46mL = 兀 d n3.14x 0.025 x78s现在取传热管长l = 6m，则该换热器的管程数为:N = L = VI6 沁 2（管程）p /6传热管总跟数：N=78x2=156 （根）3. 平均传热温差校正及売程数平均传热温差校正系数55-40302030-20550=0.4按单売程双管程结构，查表得:=0.82At平均传热温差:At 二申 At = 0.82x 22.42 = 18.38。CmAt m4. 传热管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，隔板两侧采用正方型排列，取管心距t = 1.25d o则 t=1.25X25=31.2532 (mm)隔板两侧相邻管心距为：a = 44(mm)c通过管束中心线的管数：n = 1.19 JN = 1.19 JT56 = 15(根)c5. 売体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则売体内径为:D = 1.05t=1.05 x 32.J156/0.7 = 501.6( mm)圆整可取：D=600 (mm)6. 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为売体内经的25%, 则切去的圆缺高度为:h=0.25X600=150 (mm)取折流板间距 B=0.3D,则 B=0.3X600=180 (mm)取 B=200 (mm)N /热管长-1 = 600 -1 = 29(块)折流板数：B折流板间距2007. 附件：选取拉杆直径为12mm，拉杆数量为4根，売程入口应设 置防冲挡板。8. 接管管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速为：u=2m/s_ 0.137md _ pV _ |4x 105312.3/996.9x3600则接管内径:一 ：7U _3.14x2売程流体进出口接管：取接管内循环水流速为：u=2m/s则接管内径;d _；4 x 74000/989.1 x 36003.14 x 2_ 0.115m所以取标准管：売程接管：e127x4.5，管程接管：e146x4.5 。六. 换热器的核算1.传热能力核算管程传热膜系数:九 a = 0.23Re 8 Pro.4id ii管程流速截面积：兀N156S = _ d 2 亠=0.075x0.022 x= 0.295m2i 耳i N2p管程流体速度：1053 132360X 99690.0295=0.9 9 m / s=219690.02 x 0.995 x 996.90.903 x 10-3c4.179 x 103 x 0.903 x 10-3厂P = 6.2r0.60 8 30 6083a = 0.023xx 219690.8 x 6.20.4 = 4317.1W /m2。Ci0.02污垢热阻和管壁热阻污垢热阻：R =0.00017 (m2C)/WsiR =0.00017 (m2C)/Wso管壁导热系数：九=50W /m C叮 畔=.00005叶C /W売程对流传热膜系数:a = 0.36 RePr 13 (上) 0.140d 0pew4(x0.0322 -0.785 x0.0252)d =-= 0.020me3.14 x 0.025S = 0.20 x 0.60(1 - 0.0274000 3600 x 989.1 u = 0.792m / so=0.0 2 6 250.02625Re = 02(x 7929891 = 2417800.000648Pro4.174 x 103 x 0.648 x 10-306443=4.20(p / p )0.14 1粘度校正w=0.36 x0.64430.021x 241780.55 x4.23 x 1 = 4819.3W / (m总传热系数Kdbd-+ R _o + + R a d si d九di iii00254317.1 x 0.020+ 0.000170.0025 x 0.02550 - 0.0225+ 0.00017 +14819.3=1069.4W / m 2-o C传热面积:S = Q = 12225 X103 = 62.20m 2 KSF 1069.4 X18.38m实际传热面积：S =n d LN = 314x0.0256x156=7348m2 pt面积裕度：H = Sp - S x 100% = 73-48 - 62-20 x 100% = 18.14% S62.202换热器内流动的流动阻力管程流动阻力：Y AP = (AP +AP )FNNi12tspN = 1N=2F = 1.5sptA P =九lP U 2 , A P 仝P u 21id2 22由Re=21982，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005,查莫狄 图得九i=0.033w/m ocRi=0.995m/s p=996.9kg/m3,所以P=0.033x (6/0.02) x (0.9952x996.9/2)=4885.43Pa P2=p2/2=3x996.9x0.9952/2=1480.43Pa工 AP = (4885.43 +1480.43)xl.5x2 = 19097.58Pai管程流动阻力在允许范围之内。売程阻力：S AP = (AP+AP) FN F=1N=1 0 1 2 t sts流体经管束的阻力：貝=町0現叫+1族2/2F=0.5 几=5x241780228=0.50070n =15cNB=29y0=0.792m/sP0=0.5x0.5007x15x(29+1)x0.7922x989.1/2=34947.2Pa流体经过折流板缺口的阻力损失：P2=NB(3.5-2B/D)y2p/2B=0.20D=0.60P2=29(3.5-2x0.2/0.6)x0.7922x989.1/2=25459.2Pa总阻力损失：AP =34947.9+25459.2=60407.1Pa 总売程流动阻力在允许范围内。七. 换热器主要结构尺寸和计算结果表管程壳程流率kg/h740001108680.6温度。C进/出20/3055/40压力MPa1.61.6物定性温度C25 C47.5 C密度kg/m3996.9989.1性热容kJ/(kg.C)407194.174粘容Pa.s90.25X10-564.8 X 10-5导热系数60.83X10-564.43X10-5W/(mC)普兰特数6.323.74设备结构参数型式固定管板式台数1壳体内径mm600壳层数1管径25X 2.5管心距32管长6000管子排列管数目（根）156折流板数29传热面积m262.20折流板距200管程数2材质碳钢接管壳程内 径 127 X4.5接管管程内径 146 X4.5主要计算结果管程壳程流速m/s0.9950.792传热膜系数w/m2 C4317.14819.3污垢热阻m2C/w0.000170.00017阻力损失0.0190.025热负荷kw1222.5传热温差C18.38传热系数w/m2C1069.4裕度18.14%八. 设备参数计算1.壳体壁厚S，c=PD/2&t-P=1.6 X600/2 X 113 X0.9T.6=4.76mmC=1.24mmS S，+C=6mmc= c2.接管法兰Dg管子平焊法兰螺栓焊缝dHSDD1D2fbd量g)k 孑二( s数 量直径KH1251334235200178310181.988M16561501594.5260225202312182.628M16562.设备法兰DgDDDDDbaad规格数 量法兰重量60073069065564564340151323M202835.14.封头管箱封头：以外径为公称直径的椭圆形封头公称直径Dg曲面咼度片直边高度h2内表面积F(m2)容积v (m3)600150400.4640.3965设备法兰垫片(橡胶石棉板)公称直径Dg垫片内径d公称压力F(m2)垫片外径D600615166556. 管法兰用垫片法兰公称压力Mpa介质温度密封面型式垫片名称材料冷却水W1.6W60光滑橡胶垫片橡胶板循环水W1.6W60光滑橡胶垫片橡胶板7. 管板管板厚度30,长度666,材料为16MnR。8. 支垫（鞍式支座）公称直 径Dg每个支 座允许 负荷tbiLBlKibm60036.81805501202604209022026.39. 设备参数总表序 号图号标准名称数量材料单重（kg）总量（kg）1LNQ-001-3前瑞管箱1组合件84.52HG20592法兰PL100-1.0 RF2Q235-B2.625.243GB8163-87接管108X5L=1602Q235-B4LNQ-001-2折流板29Q235-A7.5217.55筒体DN127X4.51Q235-B2786LNQ-001-2拉杆4Q235-B4.216.87GB/T6170螺母M1684级0.040.328LNQ-001-3法兰120II879垫片642/ 600S=34石棉橡 胶板0.310JB/T4701-2000法兰-FM600-1.01Q235-B40.811筒体DN600X8L=1401Q235-B16.812JB/T4746-2002封头 EHA600X51Q235-B1713GB/T14976换热管25X2.5，L=60001560Cr18Ni93.4530.414JB/T4712-92支座500-S2Q235-A /Q235-B26.315JB/4701-2000法兰-FM500-1.01Q235-B29.516SYJ11-65垫片2橡胶板0.150.317LNQ-001-3防松吊耳2Q235-B0.080.1618LNQ-001-2管板116MnR6519GB/T6170螺母M201286级0.0648.220JB/T4707螺栓M20X150-A626.8级0.3320.4621SYJ11-65垫片1橡胶板0.3九参考文献1夏清 陈常贵主编.化工原理（上、下）.天津：天津大学出版 社，20052化工原理教研室选编.化工原理课程设计.齐市：齐大，20083大连理工大学化工原理教研.化工原理课程设计.大连：大连理 工大学出版社，19964匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化 学工业出版社，20025上海医药设计院编写.化工工艺设计手册（上、下）.北京：化学工业出版社，19866柴诚敬等.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，19957谭慰主编.化工设备设计基础.天津：天津大学出版社，20008刑晓林主编.化工设备.北京：化学工业出版社，20059程达芳等主编.化工过程及设计.北京：化学工业出版社，200010样祖荣主编.化工原理.北京：化学工业出版社，200411郑津洋等主编.过程设备设计.北京：化学工业出版社，200512匡照忠主编.化工机器与设备.北京：化学工业出版社，2006十.学习体会与收获为期两个星期的课程设计就要结束，这次设计的是处理74T/h 管売式循环水冷却器。虽然为期不长，但收获颇多。整个设计过程 中，我们不仅巩固了以前学过的知识的同时，还学到了很多新的知 识、掌握了很多新技能，更重要的是我们积累了宝贵的设计经验。首先，这次课程设计是我们接触的第一个专业课程设计，所要 用到的知识很多，包括机械设计基础、机械制图、传热学、流体力 学和换热器原理与设计等方面的知识。这些知识不是机械的相加， 而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新 来过；有时会不耐烦，可想想不耐烦对我没有任何益处，便及时的 调整过来。这次设计巩固我以前所学习的知识，让我专业知识有了 更深的认识和理解。其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨 的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而 确我们又是第一次设计，所以单独靠自己是不法完满的完成本次课 程设计，我们经常要进行讨论，也要耐心的听其他同学的意见。连续两个星期是一件挺辛苦的事。有时为了一个数据查找了好几本 书，还是找不到结果的时候，是挺纳闷的，很容易让人想放弃。但 有目标在，或继续请教其他同学，或继续寻找；努力终会结果，这 结果就是对努力的奖励。特别是在其他同学都还没找到而你找到， 拿来跟其他同学共享，那更是一件乐事。在辛苦的同时，享受着辛 苦带来收获的喜悦。在此，感谢学院给我们提供了这么一个学习的机会，让我们把 所学的知识得以运用，感谢朱宪荣老师给我们的耐心指导，让我们 的设计得以顺利完成，让我明白什么是严谨的科学态度。卜一.重要符号说明Q热负荷KJ/hm.热流体质量流速KJ/h 1Cpi热流体比热容KJ/(kgC)Cpi冷流体比热容KJ/(kgC)d.传热管的内径m1d 传热管的外径m0de当量直径mD 公称直径mK选取的传热系数kw/m2,ct冷流体进口温度C t2冷流体出口温度CT热流体进口温度CT2热流体出口温度CR平均温差校正系数的参数Ft温度校正系数T平均温差cmL单程管长mN单程数pN总管数D公称直径mP公称压力Mpaa.管程传热膜系数1V热流体体积流速Su.管程流速m/s1Re.管程雷诺准数1a売程传热膜系数w/m2.C0h折流板间距mA计算传热面积m20T管中心距mu売程速度m/soDe当量直径mRe 売程雷诺准数OPr课程普兰特数O卩 流体在定性温度的黏度，Pa.s九导热系数，w，/m 2.cd 平均管径mmRs.管程的污垢热阻1Rso売程的污垢热阻m2.c/ wb壁厚m工 Pi管程压力降PaE 相对粗糙度mm