1、- 1 -华东理工大学 2010 级化工原理课程设计温乐斐 10103638 复材 101一前言1.换热器的相关说明换热器（heat exchanger） ，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。是进行热交换操作的通用工艺设备。被广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在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，应用更加广泛。换热器种类很多，根据使用目的可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器；根据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；尤其是根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合
2、式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。据统计,这类换热器占总用量的99 %。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点, 管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用- 2 -的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题。2泵的评价与选用泵的性能参数主要有流量和扬程，此外
3、还有轴功率、转速和必需汽蚀余量。流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量，一般采用体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量，对于容积式泵，能量增量主要体现在压力能增加上，所以通常以压力增量代替扬程来表示。3.设计任务书的作用本设计书对指定有机物进行冷却，如何选择合适的换热器，如何合理安排操作管路以及如何选择合适的离心泵作出详细的计算说明。二设计任务一工艺要求要求将温度为 78的某液态有机物冷却至 60，此有机物的流量为 9.85kg/s。现拟用温度为 t1=20的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过 0.1Mpa。已知有机物在 69时的物性数据如下：- 3 -C.W
4、/m6.10;kJg2C;sPa./97p3二流程：管路布置如图（右方参考图） ，已知泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米， （均不考虑局部阻力损失）三 要求1. 选用一个合适的换热器2. 合理安排管路3. 选用一台合适的离心泵三计算结果明细表（1） 管壳式换热器的规格公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数N中心排管数 T管程流通面积/m2 m219换热管长度L/mm管心距/mm换热面积 /m2325 2 88 10 0.0078 3000 25 15.2- 4 -（2） 离心泵的型号规格流量 功率型号 转速n/(r/min)m3/h L/s扬程/m效率 %/轴功率
5、电机功率必需气蚀量（NPSH）r/m质量（泵/底座）/kg15 4.17 21.8 58 1.54 2.025 6.94 20 69 1.97 2.5IS65-50-125290030 8.33 18.5 68 2.2233.050/41（3）计算数据结果记录项目 结果 单位冷却剂出口温度 36 C循环水定性温度 28热负荷 393.606 kW冷却水质量流量 5.894 skg/并流对数平均温差 38.53 C逆流对数平均温差 40.99估算换热面积 14.77 2m管程流动面积 0.0078管内冷却水流速 0.759 s/管程给热系数 3891.74 CmW2摩擦系数 0.0358管程压降
6、 8741.72 Pa壳程流动面积 0.0264 2m壳程有机物流速 0.659 s/当量直径 0.0144 m- 5 -壳程给热系数 1568.06 CmW2/壳程压降 4903.46 Pa核算传热系数 757.18 2/校核传热面积 12.68 m冷却水流量 29.736 h/3总局部阻力系数 18.65阻力损失 4.57 m压头（扬程） 16.236 m四计算过程一选择合适的换热器1.确定物性数据设计方案：冷却水：用温度t1=20的河水进行冷却，从tm10及防止水中盐类析出为原则，选择出口温度为36 。考虑到冬季使用时，其进口温度较低，换热器管壁温与壳体壁温之差较大；夏季时河水的温度变化
7、也不是很大，因此选用管壳式换热器。从二种流体的物性来看，由于冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从综合考虑，应使冷却水走管程，有机液态化合物走壳程，并且保证冷却水的流速不宜过慢。- 6 -入口温度为 t1=20，出口温度为 t2=36冷却水的定性温度为 tm=（20+36 ）/2=28两流体的温差Tm-tm=69-28=41两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mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)有机物 69 997 0.6 2.22 0.16循环水 28 995.7 0.8012 4.174 0.61712.计算热负
8、荷 和Q2mq由热量衡算换热器的总的换热量: WTcqpm k60.39)78(2.59)(21 冷却水所需的流量：sgtp /4.5)036(4)(Q1223.计算温差 和估计传热系数mt估K并流时，t1=T1-t1=78-20=58，t2 =T2-t2=60-36=24Ctttm 53.824ln58ln212逆流时，t1=T1-t2=78-36=42，t2 =T2-t1=60-20=40Ctttm 9.40lnln212逆由于在相同的流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以选择逆流。- 7 -由于水与中有机物的传热系数K在290698 之间, 故取总传热系数K现暂取： CW/m
9、6502K4.估算换热面积23m m7.149.40653tQA逆估 5.根据条件选取合适的换热器根据 可以选择下述标准换热器（查附录得）： 估公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数N中心排管数 T管程流通面积/m2 m219换热管长度L/mm管心距/mm换热面积/m2325 2 88 10 0.0078 3000 25 15.2.传热管排列与分程方法：采用组合排列法，即每程内均按照正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距l=1.25d 0则l=1.25*19=23.75mm 取l=24mm隔板中心到离其最近一排管中心距离为：S=l /2+6=24/2+6=18mm 则各
10、程相邻管的管心距为36mm管束的分程方法，每程各有传热管44根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按书上图所示. 壳体内径：采用多壳程结构，其壳程内径：取管板利用率 =0.7 则D=282.55mm 按卷制壳体的进级挡可取D=300mm- 8 -. 折流板间距：挡板的间距对壳程的流动有重要的影响，间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2 1.0 倍。故取B=240mm6.计算管程压降t及给热系数 i根据标准换热器提供的参数管程流动面积: 21078.mA管内冷却水流速:83.141082.7.9505R
11、e/7.9843212 iimidusAq管程给热系数 ：iCmWcidid ipiii 2 4.0338.0 4.08.04.08./74.3891 617.02174.31056.2. Re2Pre3. 取钢的管壁粗糙度为0.1mm，则 0358.83.1465.0Re681.0 2.023.0 id管程压降：- 9 -MPauNfdlpt ipt1.072.841 2759.095.130.358.23 2 7. 计算壳程压降 s及给热系数 0325.86.102.Pr .176.94.Re 014.09.4.3.7852234659.097015.815.24.13.24.3300 2
12、20210 202 Cpdu mdl smAqu mldBDm有有 有壳程中有机物被冷却， 9.014.WCmWde 2 315.014.315.00/06.158 5.902.8768413PrR6.其大于估算的K值, 故可行。管束中心线管数 10TCN壳程流动面积： 80.17106.37490Re .2.850264.19.034.021002 udsmAq mdDBmTC有- 10 -因 ,50Re590.80.175Re28.28.0 f管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15壳程压降： MPaa ufDBNNFfps sBBTC1.046.903 2374.0915.3.024
13、5.125 .3200 8.计算传热系数 计K污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻 W/C1760.O2mR外管内侧污垢热阻 内取钢管壁厚 ，热导率312 150KC)(/W18.75 50120.0176.6.54391O2 30 mRKi 外内计9.校核传热面积 2368.19.4018.7563mtKQAm逆计计 所选换热器： 2.A20.168.5计A- 11 -所以选择的换热器符合要求。二安排管路和选择合适的离心泵1管径初选 hrmsqskgmv 3312 1.2/059.367.9584. 初取水合适流速 smu.1212 04.5.7984uqAml mAdllll 36.71.3
14、42 由于 71.36mm 不是标准管径，因此确定 d=73mm 壁厚 3mm 的热轧无缝钢管 smAqulm /68.107.47.958212 符合经济流速范围故确定： d=73mm 壁厚 3mmsu/68.12.压头 He在水槽液面及压力表处列柏努利方程 fea HguzgpHgp22取 ，m15.0，4/d 16.39851082.0/6.17.9506.Re ul- 12 -查图得 023.局部阻力： 底阀一个 标准 90弯头 3 个 球心阀 1 个（全开）8.5 375.04.6另外：突然减小 =0.5，突然增大 =1.0故 6.18.8.4637.0换热器压降 Papt72.84
15、1 mgudlHtf 57.481.975281.9265.18067.23. mHzgpfa 76.145.8.92618.97.52022 hsuAqlv /24.1/09.7.046.1 332对泵的压头安全系数取1.1， =1.1 14.76=16.236m对流量的安全系数取 1.4，q ve=1.4 21.24=29.736 hm/33.泵的选择因为是输送河水，并且根据 和 以及 IS 型离心泵系列特性曲vHe线可以选用清水泵，由以上数据查表得取泵：IS65-50-125其参数为：转速：2900 r / min 流量30 m3 / h扬程：H=18.5m 效率： 68%- 13 -轴
16、功率：2.22kW 必需汽蚀余量:3m五附录（1）相关流体的物理性质物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)有机物 69 997 0.6 2.22 0.16循环水 28 995.7 0.8012 4.174 0.6171（2）计算使用的物理数据管外侧污垢热阻 ： W/C1760.O2mR外管内侧污垢热阻 ： /.内钢管热导率 ： 150K六符号说明主要符号说明符号 意义 计量单位A 面积 m2pc定压比热容 K)kJ/(gd 管径 mg 重力加速度 m/s2- 14 -fH单位重量流体的机械能损失ml 管路长度 mm 质量 kg虚拟压强 Pap 流体压强 P
17、apa 大气压 PaB 挡板间距 mT 周期时间 st 时间 st 温度 u 流速 m/sqv 体积流量 m3/sqm 质量流量 Kg/s绝对粗糙度 mm局部阻力系数摩擦系数动力黏度 sPa密度 Kg/m3He 有效压头 mD 换热器壳径 mf 校正系数f0 壳程流体摩擦系数K 传热系数 )/(2KWNT 管子总数Q 热流量 W或 J/S给热系数 )/(2m热导率 K数群- 15 -Gr格拉私霍夫数 23tlgNu努塞尔数 lPr普朗特数 pcRe雷诺数 du下标g 气体的m 平均w 壁面的s 壳程的t 管程的有 有机物的七设计说明需要冷却的有机物走壳程，冷却剂走管程；有机物可以采取逆流的方式
18、；换热器说明：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。- 16 -2.选用 的换热管。m2193.本设计中采用3米长的换热管。4.管子的排列形式：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.采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置。6.允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=0.15m管路布置如图所示：（1） 管路选择73mm3mm的钢管，至少使用下列零件：底阀1个；标准90弯头3个；球心阀1 个。（2） 由于计算所得有效压头为14.76m， （安全压头为16.236m） ；有效流量为21.24m3/h（安全流量为 29.736 m3/h） ，根据离心泵特性曲线和工作点，选取型号为IS65-50-125 的离心泵。八参考文献1 陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋 化工原理第三版（上册）化学工业出版社2 王元文，陈连.管壳式换热器的优化设计J.贵州化工，2005，30（1）：27-31.3匡国柱，史启才。化工单元过程及设备课程设计 2002 版
