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1、、八 、亠一、前言热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备 ,被广泛应用于各个工业部门 ,尤其在 石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样 ,按照其工作原理可分为 :直接接 触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类 ,其中间壁式换热器用量最大 ,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
2、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。本说明书对指定有机物进行冷却选择合适的换热器，并且合理安排 操作管路以及选择合适的离心泵作出详细的计算说明。二、设计任务班级：姓名： 学号： 任课老师：选择一个合适的换热器，冷却780C的某液态有机物至60cC，此有机物的流量为82kg/s；（1）合理安排操作管路；（2）选择一台合适的离心泵；（3）有机物69CC的物理性质：997kg/m3;0.6mPa s;Cp 2.22kJ/kg C;0.16W/m C.（ 4）冷却
3、水：进口温度 t1=20cC；（ 5）操作条件：换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1MPa。目录一 前言 1二 设计任务 2四 计算明细表 41 管壳式换热器规格 42 离心泵的型号规格 43 计算数据结果记录 5五 计算过程 61 选择合适的换热器 61.1 热力学数据的获取 61.2 计算热负荷 Q 和 qm2 61.3 计算温差和估计传热系数 61.4 估算换热面积 71.5 计算管程压降和给热系数 71.6 计算壳程压降和给热系数 81.7 计算传热系数 91.8 校核传热面积 92 安排管路和选择合适的离心泵 92.1 管径初选 92.2 压头计算 10六 附录 12七 符号说明 1
4、3八 设计说明 15九 参考文献 15四、计算结果明细表(1) 管壳式换热器的规格公称直径公称压力管程数管子根数中心排管程流通换热管长管心距换热面DN/mmPN/Nn管数面积/m2度 L/mm/mm积/m2MPaNt19 2mm70042574270.0507450025150.8(2) 离心泵的型号规格型号转速n/(r/min)流量扬程/m效率/%功率必需气蚀量(NPSH r/m质量(泵/底座)/kgm/hL/s轴功率电机功率IS150-145012033.322.57110.418.53.0758/158125-25020055.6208113.53.024066.717.57814.73
5、.5(3) 计算数据结果记录项目结果单位冷却剂出口温度40C循环水定性温度30C热负荷3276.72kW冷却水质量流量39.25kg /s并流对数平均温差35.7C逆流对数平均温差39.0C估算换热面积147.42 m管程流动面积0.0507m2管内冷却水流速0.78m/ s管程给热系数3969W/ m2 C摩擦系数0.036管程压降12539.7Pa壳程流动面积0.134m2壳程有机物流速0.61m/ s当量直径0.0173m壳程给热系数1315W/ m2 C壳程压降5483.32Pa核算传热系数693W/ m2 C校核传热面积121.24m2冷却水流量144m3/h总局部阻力系数21.64
6、阻力损失7.5m压头（扬程）15.96m五、计算过程选择合适的换热器1热力学数据的获取冷却剂：河水，从 tm10C及防止水中盐类析出为原则，选选择出口温度：t2=40cC循环水的定性温度：入口温度为右20 C，出口温度为t240oC循环水的定性温度为tm 20 40 /2 30 C两流体的温差Tm tm 693039 C 50 C两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度密度3kg/m粘度mPa- s比热容kJ/(kgC)导热系数W/(m -C )有机物699970.62.220.16循环水30995.70.80124.1740.61712计算热负荷Q和qm2由热量衡算Q qm1cp1 (T
7、, T2)82 2.22 (78 60)3276.72kW39.25kg / sQ3276.72Cp2(t2 切 4.174 (40 20)3计算温差tm和估计传热系数K估并流时，t178 2058 Ct260 4020 Ctmt1t258 2035.720In管程给热系数t2逆流时，t1784038 Ct260 2040 Ct1t2t1lnt238 40.38ln -4039.0 C根据管程走循环水，壳程走有机物，总传热系数 K现暂取:2K 570W/m C4估算换热面积Qtm逆3147.4m23276.72 10570 39 1根据A估可以选择下述标准换热器（查附录得）：（排列方式：正三角
8、形）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Nt管程流 通面积/m219 2mm换热管 长度L/mm管心距/mm换热 面积/m270042574270.0507450025150.85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2A 0.0507 m管内冷却水流速qm23276.72UiReiCp2 (t2t1 )m24.174 (40 20)39.25kg/s39.25995.7 0.0507 0.78m/sdUi 20015 O78995714500.801210 3i 0。23严o.。23 严0.80.4Cpii.23 辭 145000
9、.84.174 1030.8012 10 30.61710.43969W / m2 C取钢的管壁粗糙度为0.1mm0.2368Rei015680.23145000.036管程压降ftNp2 ui2036 0.0154 531.5 22995.7 0.7812539.7Pa0.1MPa6计算壳程压降及给热系数挡板间距B取0.9m,BD 1dgT0.9 0.71 00190.15m20.025Uoqm182deRe。PrA2有4220.15 997d。deu0 有Cp 2.220.55 m s 0.0252 0.785 0.019223.14 0.0190.0173 0.55 9970.6 10
10、31.6 1040.0173m103 0.6 10 38.3250.160.14壳程中有机物被冷却,0.950.140.551300.36 Re Prde 0 16 1 -0.36160000.55 8.325 3 0.950.01731315W/ m2 C取折流挡板间距B 0.9m管束中心线管数Ntc 27壳程流动面积AB DNTCd00.90.7 270.0190.17m2U0-qm1820.48 m s997 0.17有A2RedU00.019 0.48 9971.5 1040.6 10 3因Re500,f05 Re 0.22851.54 0.2281040.56管子排列为三角形，F=0
11、.5 , fs=1.15挡板数：Nb签1 4壳程压降FfoNg Nb 1 Nb3.52B0.5 0.56 274 143.50.90.71.15 9970.48225483.32Pa 0.1MPa 7计算传热系数K计污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻R外0.000176m2 C/W13969五 o.。001760.000212 1045.4管内侧污垢热阻R内 0.00021m2 OC/W取钢管壁厚 2 10 3m，热导率 45.4W m K计R内一R外 K 112 O693W/(m C)8校核传热面积3276.72 103693 39 1121.24m2所选换热器：A 150.8m2150.81
12、21.241.24所以 选择的换热器符合要求。c 二安排管路和选择合适的离心泵1管径初选 qm2 39.25 kg sqm239.25 3600 0.0394m3/s 141.9m3 hr1995.7初取水经济流速 u 1.5 m sQm21U39.25995.7 1.50.026m2A 4ddi4 0.0263.14182mm由于182mn不是标准管径，因此确定 dl 150mm2.23m/ sqm239.25u小995.7 0.1524符合经济流速范围 故确定：dl 150mm,u 2.23m/ s2压头He在水槽液面及压力表处列柏努利方程PaHeP22z uHggg取0.15mm，/d0
13、.001，Re dl u0.15 995.7 2.23/0.8012 10 34.2 105查图得0.021局部阻力:底阀1个标准90弯头3个球心阀1个8.50.75 39.5流入换热器1 A.A 21 0.152/0.72 2 0.91流出换热器0.5 1 A2. A 0.5 1 0.152 / 0.720.488.5 0.75 39.5 0.91 0.4821.64换热器压降t 12539.7 PaHf2 u2g0.02121.640.1522.2312539.72 9.81995.7 9.817.5m2He laz 丄 Hfg2g20000 c 2.232“87.5995.7 9.812
14、 9.8115.96mu 2.23m/s233qv uAl 2.230.150.04m /s 144m /h4根据qv和He以及IS型离心泵系列特性曲线可以选择型号为IS150-125-250的离心泵。六、附录(1)物理性质、-物性 流体 、-温度密度kg/m3粘度mPa- s比热容kJ/(kgC)导热系数W/(m -C )有机物699970.62.220.16循环水30995.70.80124.1740.6171(2)管外侧污垢热阻R外 0.000176m2 C/W管内侧污垢热阻R内 0.00021m2 C/W钢管热导率45.4W m 1 K 1七、符号说明主要符号说明符号意义计量单位A面积
15、2 mCp定压比热容kJ/(kg K)d管径mg重力加速度m/s2Hf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Papa大气压PaB挡板间距mT周期时间st时间st温度Cu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Pa s密度Kg/m3He有效压头mD换热器壳径mf校正系数fo壳程流体摩擦系数K传热系数W/(m2 K)Nt管子总数Q热流量W 或 J/S给热系数W/(m2 K)热导率W/(m K)数群Grtl 32格拉私霍夫数g ：Nu努塞尔数_LPr普朗特数CpRe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
16、有有机物的八、设计说明(1) 需要冷却的有机物走壳程，冷却剂走管程；(2) 有机物可以采取逆流的方式；(3) 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。2选用 19 2mm的管子。3 本设计中采用4.5米长的管子。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=0.9m球心阀1个。(6)由于计算所得有效压头为15.96m,流量为144riVh，根据离心泵特性曲线和工作点, 选取型号为IS150-125-250的离心泵。九、参考文献1 王元文，陈连.管壳式换热器的优化设计J.贵州化工，2005, 30( 1)： 27-31.2 陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理.3版.北京：化学工业出版社，2006.
化工原理课程设计答案参考模板管壳式换热器选型
