化工原理课程设计Ⅰ
——换热器选型设计
专业班级： 姓 名： 学 号：0901010505 成 绩： 指导教师：
目录
一、前言...............................................3 二、设计任务书.........................................3 三、换热器选型设计.....................................4 四、结果列表...........................................8 五、换热器结构和流程示意图.............................9 六、相关附图..........................................10 七、符号说明..........................................11
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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。
二、设计任务书
某车间用25℃的自来水将甲苯从105℃冷却到65℃，已知水走管程，出口温度为40℃。流量为27000kg/h的甲苯走壳程。甲苯侧热阻取0.0001m2·℃/W，水侧热阻取0.00021 m2·℃/W。请选择合适的列管换热器，要求两侧压降不大于101.33kPa。已知平均温度下水和甲苯的物性参数如下表所示。
介质
比热，kJ/kg·℃
导热系数，W/m·℃
密度，kg/m3
黏度，Pa·s
甲苯 水
1.93 4.17
0.121 0.615
810 996
0.0003 0.0008
设计要求：
1）进行传热计算；
2）确定换热器的最佳型号和参数； 3）对计算结果进行讨论； 4）给出结果列表；
5） 绘出换热器结构和流程示意图. 三、换热器选型设计
1）试算和初选换热器的规格
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① 计算热负荷和冷却水流量
Q?Whcph(T1?T2)?27000?1.93?103?(105?65)/3600?579000WQ579000?3600WC???33324kg/h3cpc(t2?t1)4.17?10?(40?25)
② 计算两流体的平均温度差。逆流时平均温差为
?t2??t1(105?40)?(65?25)?tm???51.5?C
?t105?40ln2ln?t165?25'而
P?
t2?t140?25T?T2105?65??0.1875,R?1??2.6667T1?t1105?25t2?t140?25由图1查得：??t?0.95。可以选用单壳层。
?tm???t?tm?0.95?51.5?48.93?C
③ 初选换热器规格。根据两流体的情况，假如K?500W/(m?C),
2?'Q5790002S???23.67m故
K?tm500?48.93由于Tm?tm?105?6540?25??52.5?C?50?C,因此需考虑热22补偿。由换热器系列标准中选定F400IV–2.5–24
表 1
壳径/mm 公称压强/MPa 公称面积/m2 管程数
400 2.5 管子尺寸/mm 管长/m 管子总数 管子排列方法 ?25?2.5 4.5 68 正方形斜转45° 24 4 实际传热面积S??n?dL?68???0.025(4.5?0.1)?23.5m2
若选择该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为：
Q579000K需???503.5W/(m2??C)
S??tm23.5?48.93
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2）核算压降
① 管程压降
??pi?(?p1??p2)FtNp
其中，Ft?1.4，Np?4.?2n?6822A?d???0.02??0.0053mi管程流通面积i
4Np44Vs33324ui???1.754m/s
Ai3600?996?0.0053Rei?
设管壁粗糙度ε?0.1mm,diui???0.02?1.754?996?43675(湍流)
0.0008ε0.1??0.005，由?—Re关系图中擦、查得：di20??0.033，所以
L?u24.5996?1.7542?p1???0.033???11376Pad20.022?u2996?1.7542?p2?3?3??4596Pa 22则 ??pi?(11376?4596)?1.4?4?89443Pa② 壳程压降
''?p?(?p??p?o12)FsNs其中,FS?1.15,Ns?1.
管子为正方形斜转45°排列，F?0.4。
nc?1.19n?1.1968?10
取折流档板间距h?0.15m
NB?L4.5?1??1?29 h0.152A?h(D?nd)?0.15(0.4?10?0.025)?0.0225m壳程流通面积o co 5