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1、NINGXIAUNIVERSITY課程設計 （2010屆） 自由發(fā)揮設計題目： 固定管板式冷卻器的設計 學院專業(yè) 固定管板式冷卻器的設計 列管式換熱器(又名列管式冷凝器)，是一種結構堅固、可靠程度高、適應性強、材料范圍廣的換熱器?因此在石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫高壓等大型換熱器的主要結構形式按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器，不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式換熱器，按結構分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積1?500m2。 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管

2、束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，(或膨脹節(jié))。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。 固定管板式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或

3、有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應力。 .設計條件處理能力為年產(chǎn)42萬噸己烷冷卻器(按300天/年)，管程和殼程的壓力均不大于 0.6MPa,管程和殼程的壓力降均不大于30KPa。被冷卻的物料為己烷，物料從正常溫度 T,=68.74C被冷卻，出口溫度T2=44C。冷卻劑為水，進口溫度為ti=30C，出口溫度 t2=38C .設計步驟 1.工藝計算1.估算傳熱面積，初選換熱器型號己烷的質(zhì)量流量：qmi=1400t/d=388.89kg/s 計算定性溫度G和tm11Tm=1(T+T2)=-(68.74+44)=56.37o

4、C2211tm=丄(t1-t2)=-(30+38)=34oCm2122定性溫度下查得： 物料名稱 己烷 水 比熱容 Cp=2428.34J水 11 cp=4174Jgkg_k_ 密度 p=624.89kg/m3 p=994.3kg/m3 粘度 □=0.00023pa曾 □=0.00074pags 導熱系數(shù) 11 X=0.1047w§m—雷— 11 X=0.6248w§m_k_ (2)計算熱負荷1400x1000Q=qm1cp1(T-T2)=2428.34(68.74-44)=973473.64J/S Mm1p11224x3600冷卻劑的流量 97347

5、3.64 4174(38-30) =29.153kg/s (3) 確定流體流徑該設計任務的熱流體為己烷，冷流體為水，為使苯通過殼程壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果，令苯走殼程，水走管程。計算逆流傳熱的平均溫度差 h…t2:小逆t1In—."■：t2 ((68.74一38)_(44-30)=2128°C68.74—38In44-30 (5) 校正傳熱平均溫度差 T1-T2t2_t1 38-3068.74—30 68.74-4438-30 =3.093 -0.2065 由?二(R,P)查表得?=0.93,因為0.85<0.93<0.95,滿足要求。由此得： .辻価二Ct

6、m逆=0.9321.28=19.79oC ⑹根據(jù)總傳熱系數(shù)K的大致范圍，初選總傳熱系數(shù)K。=470W/(m2*) (7) 初算傳熱面積S。 cQ973473.64,二 S0104.m4 K°%折47019.79 (8) 初選換熱器型號 根據(jù)工藝條件，選取公稱壓力PN=1.0MPa，根據(jù)流體物性，選定換熱管材為:碳素鋼。由于兩流體溫差<50,可選用固定管板式換熱器，初選換熱器型號為：G600II—1.0—110,初定換熱器的工藝尺寸： 換熱面積：S=109.3m2 公稱直徑DN取600mm 管長L=4500mm 總管數(shù)：n=416 管程流通面積A=0.0368m2

7、管心距：t=25mm 管壁漢壁厚①d0xbmm：:①19疋2mm 中心排管數(shù)：Nc=23 管子排列方式：正三角形 管程數(shù)：NP=2 殼程數(shù)：NS=1 2.核算壓力降 (1)管程壓力降 計算管程流速ui 29-153,0.7967/ 叭994.30.0368 管內(nèi)Re二diUi： —門“ 取絕對粗糙度; 二0.00015m 因為0.5<0.7967<3m/s,所以滿足要求 0.00015 則0.01 d0.015 查圖得■=0.0419 管程壓力降送心R=((人-+1.5)巴「+3漢匹1FtgNsNp d22p 對于巾19mm2mm的換熱器，結

8、構校正系數(shù)Ft=1.4,Np=2,Ns=1 代入數(shù)值: 、.汩.(0.0419d+1.5)994?3°.796723"心°.79672 I0.015- 1.521 =16161.26Pa=16.16126KPa 因為10KPa〈16.16126KPa〈30KPa，故符合要求。 (2)殼程壓力降遲AP0(P'+AP')FsNs 管外 0.00023 =24881.99 折流板間距：h=300mm折流板型式：25%圓缺形 折流板數(shù)"罟=罟十14 :p1=Ff°Nc(NB+1)二2 :.P\=0.5524881.99'0'228 (14+1)23 22 =7

9、538.35Pa 也p2=Nb(3.5- 2h廠u。2D)2 =20(3.5- 2)0.6 對于液體Fs=1.15 ，其中F=0.5,f0=5Re°228,Nc=23。代入數(shù)值得: =3075.01PaSAP0(也P'+AP')FsNs=(7538.35+3075.01)1.15如=12205.37Pa=12.20537KPa因為10KPa〈2.20537KPa〈30KPa,故符合要求，滿足設計要求3.核算總傳熱系數(shù) （1）.計算管程對流傳熱系數(shù)aiNu=0.023Re0.8Prnai=0023A（dup）悶（Cp卩）n dig入 自來水被加熱，n取0.4,代入數(shù)值： ”

10、0.0/40.e50.7匍6e9W.0=°4097第w/（m.k） 0.0150.0007420.6248 （2）計算殼程對流傳熱系數(shù)a0（Kern法）計算殼程當量直徑 de和流速U0，管子為三角形 4(3t22 JT 4? 0.0252——0.0192)24 二d° 心0.019 -0.01727m A=h(D -Ncd0)=0.3(.6-23.019)=0.0489m2 qv0 14001000 qm0 0.53m/s AA0 U0=—- 因為0.2<0.53<1.5m/s,所以滿足要求。 Nu=0.36ReRe0.55 LL Pr1/3

11、()0.14 。物料被冷卻, LL 0.14取0.95，將數(shù)值代入上式: CpJ J.0.14 010、°55=0.36-( 0.01727 0.00023 (242&34°.00023)130.95 0.1047 =947.726w/(m2k) 根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在(GB151-99P140-141選取污垢熱阻尺。和&Rdi=0.0001m76km/Rdo=O.OOOim7&m/ 計算總傳熱K丄二丄_-蟲-Rdi如二b_-蟲?農(nóng)0?丄其中Ka。didi扎dma。 -的確定： Tsm=1/2(Tmtm)，查表，得到=51.54wM二_k」 dm

12、 d°-di 0.019—0.015 二0.0169m 泌 ,0.019 In di 0.015 1 1 0.019 0.019 1 1 = x+0.000176x十x 0.000176 K 4197.87 0.015 0.0169 947.726 解出k'=555.74w/(m2k) (3) 由k'計算傳熱面積S' S'二 Q K：tm折 973473.映&49m6 ⑹因為寧嚴爲；4946。903”9.04—19^4%<25乳所選換熱 器能完成任務。 設計結果，選用固定管板式換熱器，型號為G600II—1.0—110