冷凝器的设计

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1、冷凝器的设计目录设计任务书 1一、设计任务和操作条件 1二、设计内容 1设计说明书 2第一章 设计参数 2一、 概述 2二、 选择换热器的类型 2第二章 传热量和流程确定 32.1定性温度的确定 32.1.1 热流体物性参数 32.2热量计算 32.2.1 冷流体物性参数 32.3流程安排 4第三章 估算传热面积 53.1平均传热温差 53.2总传热系数 53.2.1 管程表面传热系数 53.3 初选换热器型号 63.3.1 选取标准换热器型号 6第四章 核算压降 84.1管程压降 8第五章 校核总传热系数 95.1管程对流传热系数a i95.2壳程对流传热系数a o95.3总传热系数 105

2、.4 传热面积裕度（换热面积之比）10第六章 主要构件的工艺设计 126.1折流板 126.1.1 折流板选型 126.1.2 折流板厚度 136.1.3 折流板间距 136.1.4 折流板数目 136.2接管 13第七章 设计评述 15第八章 设备结构图和流程图 16第九章 换热器主要结构尺寸和计算结果汇总 189.1工艺参数汇总 189.2物性参数汇总 189.3 结构参数汇总表 18第十章 符号说明 19参考文献 19设计任务书一、设计任务和操作条件生产过程中需要将3500kg/h某有机物饱和蒸汽冷凝(冷凝温度51.7C)，冷却 介质为井水，流量为70000kg/h，入口温度30C。要求

3、冷凝器允许压降不大于 105Pa ；试设计一台列管式液体冷凝器，完成该生产任务。已知有机物在51.7C下的有关物性数据如下：附表项目密度P定压比容热粘度巴，导热系数入0，汽化热r， ocpo，Pa sW/(m C)kJ/kgkg/m3KJ/(kg C)有机物5962.340.000180.13357.4二、设计内容说明书要求： 封面：课程设计题目、学生班级及姓名、指导教师、时间 目录 设计任务书 设计方案简介 设计条件及主要物性参数表设计计算 工艺设计计算 辅助设备的计算及选型 设计结果汇总表 设计评述 工艺流程图及设备工艺条件图(11) 参考资料(12) 主要符号说明设计说明书第一章 设计参

4、数一、概述列管式冷凝器由进出端盖、壳体、管束、后端盖、密封件及紧固件等组成，冷却 介质（井水）一般从换热管内通过，被冷却介质（有机物饱和蒸汽）从换热管外壳体内通 过，冷热介质通过换热管传热，使被冷却介质温度下降。二、选择换热器的类型此为一则流体为恒温的列管式换热器的选型设计，应按标准系列换热器的设计程 序进行。列管式冷凝器按材质分为碳钢列管式冷凝器、不锈钢列管式冷凝器和碳钢与 不锈钢混合列管式冷凝三种。按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器。按 结构分为单管程、双管程和多管程。确定流体流动空间：冷却水走管程，有机物走壳 程，有利于有机物的散热和冷凝。热流体选用有机物;冷流体选用水;热流体

5、工作表压 P1=0.1MPa;冷流体工作表压 P2=0.1MPa;热流体进口温度T=51.7C;热流体出口温度T2=51.7C;冷流体进口温度 t1=30C;热流体流量 M1=3500kg/h=0.9722kg/s冷流体流量 M2=70000kg/h=19.4444kg/s第二章 传热量和流程确定2.1 定性温度的确定可取流体进出口温度的平均值。热流体定性温度为:tm1匕/fix2 22.1.1 热流体物性参数表 2-1 热流体物性参数热流体温度(C)密度(Kg/m比热容粘度热导率汽化潜热3)(KJ/(Kg C)(kg/(m s)(W/(m C)有机物51.75962.340.000180.1

6、3357.42.2 热量计算传热量为:Q = MRq = 0.9722 X 357.4 = 347.46KW冷流体的比热容为cp亍4.174KJ/(kg C)冷流体出口温度：t2 = t1 +Q =30 +347.46M2Cp219.4444 X 4.174 = 34.28 C冷流体定性温度为:tm2t1+t230 + 34.28 = 32.14c22.2.1 冷流体物性参数表 2-2 冷流体物性参数冷流体温度(C)密度(Kg/m3)比热容(KJ/(Kg C)32.14993.7粘度(kg/(m s)0.000717热导率(W/(m C)0.6272.3 流程安排综合考虑流体的易结垢程度、流速

7、问题、腐蚀性、表压、黏度大小，应使冷流体 走管程（内）,热流体走壳程（外）。第三章 估算传热面积3.1 平均传热温差流体间温差At =T -t = 51.7 30 = 21.7Ct1 2 1At =T -t =51.7-34.28=17.42C2 1 2对数平均温差: 因为流体的温度沿传热面变化较大，所以平均温差计算公式为:At1mc=At1 At2 代)21.717.42242)= 19.48C两流体的平均温差为:A t = A t = 19.48Cm 1mc3.2 总传热系数3.2.1 管程表面传热系数雷诺数:d.u. P .R . =iei= 52664.710.02 X 1.9 X 9

8、93.70.000717普朗特数为:Pri =p . X 1000C .ipi入.0.000717X1000X4.1740627= 4.7731管程换热系数为:入.0.627a . = 0.023 X -R o.8P o.4 = 0.023 X X 52664.710.8 X 4.773104id.ei ri0.02i=8066.8W / m2 C加热壳程的传热系数a=1000W/m2C查相关资料水的污垢热阻:rs2=0.000528(m2 C/W)查相关资料有机物的污垢热阻:rsl=0.000174(m2 C/W)所以根据热流体壳程冷流体管程r = 0.000174m2 C/W sor .

9、= 0.000528m 2 C/W si管壁热阻管壁的导热系数为入=52.06(W / (mC)换热管壁厚 b=0.0025m管子的平均直径为202 = 0,0225mdo + di 25 丄T00U + T000 _ 1000 十2K=总传热系数为:d1丄丄bddd+ r + r .沽 + aso 入 dsi q aomi25蟲 + 0-000174 + SSS + 0-000528 x 综 + 巌=489.64W / m2 C估算换热面积:Qx 1000347.46 x 1000=_ = 36.43m2 K a t 489.64x 19.48m3.3 初选换热器型号3.3.1 选取标准换热

10、器型号选用卧式固定管板式。有卧式固定管板式系列标准，初选换热器型号为:G600 I- 1.6-36.5。主要参数如下:外壳直径:600mm公称面积：36.5m?管子尺寸:25 X 2.5mm 管子数：245管长:2000mm管中心距：32mm管程数:1管子排列方式：等边三角形管程流通面积:0.0769m2Sn = n n d o(L - 0.1) = 245 n x 0.025(2 0.1) = 36.56m采用此换热面积的换热器,则要求过程的总传热系数为K = _ =347460= 48 7.88W / m? C0Sn Atm36.56x19.48第四章 核算压降4.1 管程压降Pl =（A

11、pi+ Apr）XFtNsNpFt=1.4 Ns=1管程流速Np=1ui=19.4444门= 0.2545m / sp a 993.7 x 0.0769i雷诺数:Rei=diuiPi = 02 % 02545 x 9937 = 7054.3p i对于碳钢管,取管壁粗糙度0.000717=0.1mm,则0.120 = 0-005d入 L P .u20.032 x 2 x 993.7 x 0.25452A Pi-一r= 102.98Pad x 20.02 x 2i1由入-Re关系图中查得入=0.032,则局部阻力系数g=3:g p .u23 x 993.7 x 0.25452A Pr=22 96.

12、54PaAPt =（APi+ APr）xFtNpNs = （102-98 + 9654）x 1-4x 1x 1 = 279-33pa 管程流体阻力在允许范围之内。第五章 校核总传热系数5.1管程对流传热系数a i普朗特数为:口. X 1000C .0.000717 x 1000 x4.1740.627P . =Pi = 4.77314ri入.i入.0.627a = 0.023 x iR 0.8P 0.4 = 0.023 x x 7054.30.8 x 4.773140.4 id ei ri0.02i=1615.29W/ m? C5.2壳程对流传热系数a o因为是卧式换热器，管束排列方式为水平排

13、列，壳程为蒸汽在水平管束外的冷凝传热，选用下式计算壳程传热系数：0.25 g P 2 入 3R x 1000 2 d (、) nc3 T00U 卜 tw) 口 壳侧壁面温度假定为tb=:48C，则冷凝液膜的平均温度为：t + t 48 + 51.7 = b a =49.85C t 22因设计选用的是等边三角形横过管束中心线上的管数为b=17根 查出膜温人t=49.85 C下的物性参数为： 冷凝液膜的平均温度下的物性参数表 5-1 冷凝液膜物性参数冷凝液膜温度(C)密度(Kg/m比热容粘度热导率汽化潜热3)(KJ/(Kg C)(kg/(m s)(W/(m C)水49.85988.164.170.

14、0005510.652385.265壳程换热系数为：a = 0.725o0.25 g p 2 入 3Rq x 1000) b； 3 Tu0u(ta- tw)0.259.81 x 988.162 x 0.653 x 2385.265 x 10002 25 /)173 1000(51.7-48) x 0.000551=5429.01W / m? C5.3 总传热系数查相关资料水的污垢热阻:rs2=0.000528(m2 C/W)查相关资料有机物的污垢热阻:rsl=0.000174(m2 C/W)所以根据热流体壳程冷流体管程r = 0.000174m2 C/ Wsor . = 0.000528m ?

15、 C/ W si管子的平均直径为d 丄 d.25 丄 20d =更吐皿=10匹丄卫匹=0.0225mm22总传热系数为:11=2丄 rso 丄 rsi 务丄 M5429.01 丄 0.000174 丄 0,000528 x 25 丄 1615.29aiao i i=558.02W/ m? C5.4 传热面积裕度（换热面积之比）实际传热面积:ap = nt ndo1000L = 245JI251000 x 2 = 38.48m传热面积:Q x 1000347.46 x 1000F =K tm-558.02 x 19.4831.96m10换热器的面积裕度（换热面积之比）为:H=Ap-F38.48

16、31.96 _319=0.2该换热器的面积裕度合适，能够完成任务。设计结果为:选用卧式固定管板式，型号G600 1 -1.6-36.5。第六章 主要构件的工艺设计6.1折流板设计折流板的目的是为了提高壳程流速，增加湍流程度，并使管程流体垂直冲刷 管束，改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结构，在换热器中还起到支 撑管束作用。折流板常用形式为弓形和盘环形两种，此设计中选用使用较广泛的的 弓形折流板，因为流体流动死角较小，结构简单。弓形折流板在换热器中的排列分为 上下缺口和左右缺口排列，此处选用上下缺口排列，材料选用Q235R。og90*(W图6-1折流板开口方式6.1.1折流板选型折流板形

17、式选择，本换热器选用弓形，流体流动的死角较小，结构较简单，便于清 洗。折流板缺口高度为：0.25D.i =1000 0.25 X 600 1000=0.15m折流板的圆心角:9 = 2 X arccos(1 -2h X 1000、1802 X 0.15 X 1000、180-)=2 X arccos (1 )n600nDi600=1206.1.2 折流板厚度折流板厚度，查 GB/T151-2014 表 6-21，t=12mm;6.1.3 折流板间距为保证设计的合理性，弓形折流板的间距一般不应小于壳体内径的 1/5，且不小于50mm,最大则不能超过壳体内径；算得折流板间距范围为(0.120.6)

18、m。暂取折流板间距为0.35m。6.1.4 折流板数目= r-1 =s2035-1 = 5但是考虑需为壳程进出口提供额外空间,两端折流板管板距离通常大于中间一些 折流板间距,但差值不宜过大,综上考虑折流板个数取为:3块算得折流板上管孔数为245;折流板上管控直径，由GB/T151-2014，查得 d0=25.5mm,折流板直径Db=595.5mm,直径允许偏差(0-0.8)mm;表 6-1 折流板外径及允许偏差DN400400500900130050090013001700名义DN-DN-DN-DN-6DN-7外径2.53.54.5允许0-0.50-0.50-0.80-0.80-1偏差1700

19、210023002600320021002300260032004000DN-8.5DN-12DN-14DN-16DN-180-10-1.40-1.60-1.80-26.2 接管根据热流体壳程冷流体管程，壳程流量M=0.9722Kg/s，管程流量Mi=19.4444Kg/so4Mop n u壳程流体进口接管:取接管内流体流速为u1=1m/s,则接管内径计算值为4x 0.9722=0.046m596 n x1可取壳程接管直径标准值为DN=50mm,则壳程接管尺寸为60.3 X 5.2mm壳程接管进出口为同种物质，故壳程出口与进口尺寸相同。管程流体进口接管:取接管内流体流速为u2=2m/s,则接管

20、内径计算值为D14MiP i n u 24 X 19.4444=0.112mJ 993.7 n x 2可取管程接管直径标准值为DN=125mm,则管程接管尺寸为139.7 X 7.3mm 管程接管进出口为同种物质，故管程出口与进口尺寸相同。第七章 设计评述本次食品工程原理设计历时两周，是上大学以来第一次做工业设计。尽管在设计 的过程中，我们碰到了各种各样的困难，但是在自己的努力以及老师同学的帮助下， 我们都将它一一克服了。虽然其中的过程很辛苦，但是通过这次课程设计，我们学到 了很多东西，有很多收获。在两年的大学生活中，我们在课堂里学到的仅仅是基础课 和专业课的理论知识，并没有把它运用到实践中去

21、，这次的课程设计是一个综合性很 强的锻炼。从刚刚拿到任务书时的茫然，到整个完成设计时的喜悦，整个过程除了如 何学会查找合适的数据，计算之外，最重要的是锻炼了独立、思考和解决问题的能 力。在整个设计过程中，大到选择公式和参数，小到编辑公式，从最初的惧怕心理， 到后来的熟练计算，每一个步骤都是自己努力的成果。虽然最后的设计书还有很多不 足之处，但是自己能够独立完成一项工作还是一件值得高兴的事，让我们对以后的课 程任务更多了一份信心。第八章 设备结构图和流程图进气E业K逬爪X-岀櫃OOOQOOPapQQt：QWd” OOOQOOOiGOOOOCOOOOO GOOOOO OG00AOsi放水图 8-1

22、 列管式冷凝器的结构示意图第九章 换热器主要结构尺寸和计算结果汇总9.1 工艺参数汇总表 9-1 工艺参数汇总表参数管程壳程物质水有机物流量(kg/s)19.44440.9722进口温度(C)3051.7出口温度(C)34.2851.7压力(MPa)0.10.19.2 物性参数汇总表 9-2 物性参数汇总表物性管程壳程定性温度(C)32.1451.7密度(kg/m3)993.7596比热容(KJ/(kgC)4.1742.34黏度(kg/(m s)0.0007170.00018导热系数(W/(mC)0.6270.13普朗特系数4.773143.249.3 结构参数汇总表换热器类型：BEM-600

23、-0.125-38.48-2/25-1 II表 9-3 结构参数汇总表构件计算值构件计算值壳体规格(mm)600X6管程数1壳程接管(mm)50管程接管(mm) 125壳程材质Q345R换热管材质10 号钢换热管长(mm)2000换热管数量245换热管规格(mm) 25X 2.5管子排列等边三角形折流板数目3折流板间距(m)0.35第十章 符号说明英文字母:ls一折流板间距，m;C一系数，无里纲；d一管径，m;f摩擦因数；D一换热器外壳内径，m;F系数；h一圆缺高度，m;L一管长，m;k总传热系数，w/（m.c）；zt程数；n一官数；N管数;程数；一折流板数;P压力，Pa;因数；NN卩一努赛尔

24、特准数Pr普朗特准数；h一热流体；i一管内；c一冷流体；o一管外；s 一污垢 ;q一热诵里，W/m ;Q一传热速率，W;R热阻，mJC/W;r 半径，m;Re雷诺准数；S传热面积，m?；t冷流体温度，C;管心距，m;T 一热流体温度，C;希腊字母:u一流速，m/s;a对流传热系数，W/;A有限差值;入一导热系数，W/ （m .C） ;口 一粘度,Pa sP -密度,kg/m3;-校正系数;下标参考文献1 王瑶、张晓东，化工单元过程及设备课程设计（第三版），北京:化学工业出版社,2015.72 中华人民共和国国家标准 热交换器 GB/T 151-20143 钱颂文，换热器设计手册，北京:化学工业出版社，2002.84 史美中，热交换器原理与设计（第五版），南京:东南大学出版社,2014.75 中华人民共和国国家标准 钢制压力容器 GB/T 150-20116 中华人民共和国国家标准 钢制压力容器封头 GB/T 25198-2014