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1、. 化工原理课程设计 题 目： 冷却器的设计 目 录1、 概述3 1.1 列式管换热器简介32、工艺设计计算82.1确定物性数据82.2计算热负荷82.3计算平均传热温差92.4估算总传热系数92.5初估换热面积及初选版型102.6选取附属设备112.7换热器核算122.8计算压降142.9公式符号说明153、换热器主要技术参数153.1工艺流程图153.2主体设备图154、附录154.1参考文献15页1、 概述 2、 1.1 列式管换热器简介列式管换热器又称为管壳式换热器，其优点是单位体积内所具有的传热面积较大，结构简单坚固，选材广泛，制作容易，传热效果好，并具有较大的操作弹性，因而在制药化
2、工生产中有着广泛的应用。1.2列式管换热器常见类型1、固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3、浮头式 换热器两端的
3、管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。1.3设计方案简介设计任务书1、 设计题目 热水冷却器的设计2、 设计参数 （1）处理能力：1.8104t/a热水； （2）设备形式：列管式换热器。三、操作条件 热水：入口温度75，出口温度60；冷却介质：循环水，入口温度32，出口温度40；允许压降：不大于105Pa；每天按330天，每天按24小时连续运行。 建厂地址：湖南地区四、设计内容及要求 （1）计算热负荷 （2）计算平均温差 （3）初估换热面积及初选版型 （4）核算总
4、传热系数k （5）计算传热面积S （6）计算压降 （7）板式换热器规格选型（8）换热工艺流程图，主体设备工艺流程1.4列式管换热器选型原则(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用增强冷却效果。(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的
5、液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择冷水走管程，热水走壳程。(8) 流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。(9) 馆子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列
6、标准中仅有252.5mm及19mm两种规格的管子。在这里，选择252.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。(10) 管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。2、工艺设计计算2.1确定物性
7、数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程热流体的定性温度为T=67.5()管程流体的定性温度为t=36()根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。水在67.5的有关物性数据如下：密度 =977.8定压比热容 =4.185导热系数 =0.668W/(m)粘度 =0.0004061循环冷却水在36下的物性数据如下：密度 =992.2定压比热容 =4.174导热系数 =0.635W/(m)粘度 =0.00065332.2计算热负荷1. 热流量=t/a=3156.57kg/h=()=3156.574.18575+273.15-60-273.15=1.98/h=55.04KW2.3计算
8、平均传热温差=/)=(35-28) (3528)=31.373.冷却水用量=-=40+273.15-（32+273.15）=8K=（）=1.585（4.1748）=5929.56kg/h2.4估算总传热系数 管程传热系数Re=0.020.5992.20.0006533=1.52Pr=4.1746.5330.635=4.294=0.023()=0.0230.6350.02= (W/()壳程传热系数假设壳程的传热系数=1000 W/()污垢热阻=/W= /W管壁的导热系数 =50.6 W/(m)K=1()=1=583.91 W/()2.5初估换热面积及初选版型=55.04（584.831.37）=
9、3.0 考虑15%的面积裕度，S=1.15=1.153.0=3.45 工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用252.5传热管（碳钢），取管内流速=0.5 m/s2. 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数=5929.56992.236000.7850.0020.0020.5=10.4511（根）按单程管计算，所需的传热管长度为=3.45(3.140.02511)=3.995 (m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长L=2m，则该换热器的管程数为Np=Ll=3.99522(管程)传热管总根数N=211=22(根)3. 平均传热温差校正及壳程数R=(75-60) (
10、40-32)=1.875P=(40-32) (75-32)=0.186按单壳程双管程结构，温差校正系数经查表得：=0.99平均传热温差 =0.9931.37=31.056（）4. 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，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25则t=1.2525=31.2532()横过管束中心线的管数=1.19（根）5. 壳体内径D=()整圆可取D=1902.6选取附属设备6. 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25190=47.5()故可取 h=45mm可取折流板间距B=0.3D，则B=0.319
11、0=57(),可取B为60折流板数传热管长/折流板间距-1=2000601=33(块)折流板圆缺面水平装配7. 接管壳程流体进出口接管：取接管内热流体流速为u=2.0m/s，则接管内径为（m）取标准管径为：30管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.7m/s，接管内径为：（m）取标准管径为:302.7换热器核算1.热量核算(1)壳程对流传热系数 对圆缺行折流板，可采用科恩公式当量直径，由正方形排列得： =0.02（m）壳程流通截面积=0.060.18(1-0.0250.032)=2.49(m)壳程流体流速及其雷诺数分别为：3156.573600977.8(2.36)=0.36(m/s)=
12、0.020.36977.80.0004061=17316.7普兰特准数 Pr=4.1580.00040610.668=2.554粘度校正=3242.48W/()(2)管程对流传热系数管程流通截面积：()管程流体流速及雷诺数(m/s)Re=0.020.48992.20.0006533=14580普兰特准数Pr=4,1740.00065330.635=4.29(W/()(3)传热系数KK=1() =1(0.0252801.10.02)+(0.0001720.0250.02)+(0.00250.02550.60.02)+0.000172+(13242.48) =830.97(W/()(4)传热面积S
13、=55.04(830.9731.056)=2.132()该换热器的实际传热面积S=3.140.0252(22-5)=2.512()该换热器的面积裕度为：H=(2.512-2.132) 2.132100%=17.8%传热面积裕度合适，该换热器能够完成任务。2.8计算压降2.换热器内流体的流动阻力(1)管程流动阻力=1 ，由Re=14283.19，传热管相对粗糙度为0.120=0.005，查moody图得=0.037W/(m/) 流速=0.47m/s，=992.2kg/，所以=0,037(20.02) 992.20.480.482=422.91(Pa)3992.20.480.482=342.90(Pa)=(422.91+342.90 1.52=2297.43Pa管程流动阻力在允许范围内(2)壳程流动阻力，流体流经管束的阻力F=0.5=0.5403m/s(Pa)流体流过折流板缺口的阻力B=0.06m D=0.19m(Pa)总阻力PaPa壳程流动阻力也比较适宜。2.9换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸及计算结果见附录表3-93、换热器主要技术参数3.1工艺流程图3.2主体设备图4、
