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1、 一、前言 熱交換器是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備,被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門(mén),尤其在石油、化工生產(chǎn)中應(yīng)用更為廣泛。換熱器分類(lèi)方式多樣,按照其工作原理可分為:直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類(lèi),其中間壁式換熱器用量最大,據(jù)統(tǒng)計(jì),這類(lèi)換熱器占總用量的99 %。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類(lèi),其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,在長(zhǎng)期的操作過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),其設(shè)計(jì)資料比較齊全,在許多國(guó)家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn),但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn),管殼式換熱器目前仍是化

2、工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類(lèi)型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。如何確定最佳的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問(wèn)題。本說(shuō)明書(shū)對(duì)指定有機(jī)物進(jìn)行冷卻選擇合適的換熱器，并且合理安排操作管路以及選擇合適的離心泵作出詳細(xì)的計(jì)算說(shuō)明。 2、 設(shè)計(jì)任務(wù) 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 任課老師： 選擇一個(gè)合適的換熱器，冷卻78oC的某液態(tài)有機(jī)物至60oC，此有機(jī)物的流量為82kg/s； （1） 合理安排操作管路； （2） 選擇一臺(tái)合適的離心泵； （3） 有機(jī)物69oC的物理性質(zhì)： （4） 冷卻水：進(jìn)口溫度t1=20oC； （5） 操作條件：換熱器管殼兩側(cè)的壓降皆不應(yīng)超過(guò)0.1MP

3、a。 3、 目錄 一 前言.........................................................................................................................................1 二 設(shè)計(jì)任務(wù).................................................................................................................................2 四 計(jì)算明細(xì)表

4、.............................................................................................................................4 1 管殼式換熱器規(guī)格.............................................................................................................4 2 離心泵的型號(hào)規(guī)格..................................

5、...........................................................................4 3 計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果記錄.............................................................................................................5 五 計(jì)算過(guò)程...........................................................................................

6、......................................6 1 選擇合適的換熱器.............................................................................................................6 1.1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取..........................................................................................................6 1.2 計(jì)算熱

7、負(fù)荷和......................................................................................................6 1.3 計(jì)算溫差和估計(jì)傳熱系數(shù)..............................................................................................6 1.4 估算換熱面積................................................................

8、..................................................7 1.5 計(jì)算管程壓降和給熱系數(shù)..............................................................................................7 1.6 計(jì)算殼程壓降和給熱系數(shù)..............................................................................................8 1.7 計(jì)算傳熱系數(shù)....

9、..............................................................................................................9 1.8 校核傳熱面積.................................................................................................................9 2 安排管路和選擇合適的離心泵........................................

10、................................................9 2.1 管徑初選.........................................................................................................................9 2.2 壓頭計(jì)算.......................................................................................................

11、..................10 六 附錄........................................................................................................................................12 七 符號(hào)說(shuō)明................................................................................................................................

12、13 八 設(shè)計(jì)說(shuō)明................................................................................................................................15 九 參考文獻(xiàn)................................................................................................................................15 四、計(jì)算結(jié)果明細(xì)表 （1） 管殼式換熱

13、器的規(guī)格 公稱(chēng)直徑 DN/mm 公稱(chēng)壓力 PN/ MPa 管程數(shù) N 管子根數(shù) n 中心排 管數(shù) 管程流通面積/m2 換熱管長(zhǎng)度L/mm 管心距/mm 換熱面積/m2 700 4 2 574 27 0.0507 4500 25 150.8 （2） 離心泵的型號(hào)規(guī)格 型號(hào) 轉(zhuǎn)速 n/(r/min) 流量 揚(yáng)程 /m 效率 功率 必需氣蝕量 （NPSH）r/m 質(zhì)量（泵/底座）/kg m3/h L/s 軸功率 電機(jī)功率 IS150- 125-250 1450 120 33.3 22.5 7

14、1 10.4 18.5 3.0 758/158 200 55.6 20 81 13.5 3.0 240 66.7 17.5 78 14.7 3.5 （3）計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果記錄 項(xiàng)目 結(jié)果 單位 冷卻劑出口溫度 40 循環(huán)水定性溫度 30 熱負(fù)荷 3276.72 kW 冷卻水質(zhì)量流量 39.25 并流對(duì)數(shù)平均溫差 35.7 逆流對(duì)數(shù)平均溫差 39.0 估算換熱面積 147.4 管程流動(dòng)面積 0.0507 管內(nèi)冷卻水流速 0.78 管程給熱系數(shù) 3969 摩擦系數(shù) 0.036

15、 管程壓降 12539.7 Pa 殼程流動(dòng)面積 0.134 殼程有機(jī)物流速 0.61 當(dāng)量直徑 0.0173 m 殼程給熱系數(shù) 1315 殼程壓降 5483.32 Pa 核算傳熱系數(shù) 693 校核傳熱面積 121.24 冷卻水流量 144 總局部阻力系數(shù) 21.64 阻力損失 7.5 m 壓頭（揚(yáng)程） 15.96 m 五、計(jì)算過(guò)程 一 選擇合適的換熱器 1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取 冷卻劑：河水， 從Δtm>10℃及防止水中鹽類(lèi)析出為原則，選選擇出口溫度：t2=40oC 循環(huán)水的定性溫度： 入口溫度為

16、，出口溫度為 循環(huán)水的定性溫度為 兩流體的溫差 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下 物性 流體 溫度 ℃ 密度 kg/m3 粘度 mPa·s 比熱容 kJ/(kg·℃) 導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·℃) 有機(jī)物 69 997 0.6 2.22 0.16 循環(huán)水 30 995.7 0.8012 4.174 0.6171 2 計(jì)算熱負(fù)荷和 由熱量衡算 3 計(jì)算溫差和估計(jì)傳熱系數(shù) 并流時(shí)， 逆流時(shí)， 根據(jù)管程走循環(huán)水，殼程走有機(jī)物，總傳熱系數(shù)K現(xiàn)暫取： 4 估算換熱面積 根據(jù)可以選擇下述標(biāo)準(zhǔn)換熱器（查附錄得）：（排列方式：正三角形） 公稱(chēng)

17、直徑 DN/mm 公稱(chēng)壓力 PN/ MPa 管程數(shù) N 管子根數(shù) n 中心排 管數(shù) 管程流通面積/m2 換熱管長(zhǎng)度L/mm 管心距/mm 換熱面積/m2 700 4 2 574 27 0.0507 4500 25 150.8 5 計(jì)算管程壓降及給熱系數(shù) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換熱器提供的參數(shù)管程流動(dòng)面積 管內(nèi)冷卻水流速 管程給熱系數(shù) 取鋼的管壁粗糙度為0.1mm，則 管程壓降 6 計(jì)算殼程壓降及給熱系數(shù) 擋板間距B取0.9m， 殼程中有機(jī)物被冷卻， 取折流擋板間距 管束中心線(xiàn)管數(shù) 殼程流動(dòng)面積 因 管子排列為三角形，F(xiàn)=0

18、.5，fs=1.15 擋板數(shù)： 殼程壓降 7 計(jì)算傳熱系數(shù) 污垢熱阻和管壁熱阻 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 取鋼管壁厚，熱導(dǎo)率 8 校核傳熱面積 所選換熱器： 所以 選擇的換熱器符合要求。c 二 安排管路和選擇合適的離心泵 1 管徑初選 初取水經(jīng)濟(jì)流速 由于182mm不是標(biāo)準(zhǔn)管徑，因此確定 符合經(jīng)濟(jì)流速范圍 故確定： 2 壓頭He 在水槽液面及壓力表處列柏努利方程 取， ， 查圖得 局部阻力： 底閥1個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭3個(gè) 球心閥1個(gè) 流入換熱器

19、流出換熱器 故 換熱器壓降 根據(jù)和以及IS型離心泵系列特性曲線(xiàn)可以選擇 型號(hào)為IS150-125-250的離心泵。 六、附錄 （1）物理性質(zhì) 物性 流體 溫度 ℃ 密度 kg/m3 粘度 mPa·s 比熱容 kJ/(kg·℃) 導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·℃) 有機(jī)物 69 997 0.6 2.22 0.16 循環(huán)水 30 995.7 0.8012 4.174 0.6171 （2） 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 鋼管熱導(dǎo)率 七、符號(hào)說(shuō)明 主要符號(hào)說(shuō)明 符號(hào) 意義 計(jì)量單位 A 面積 m2 定壓

20、比熱容 d 管徑 m g 重力加速度 m/s2 單位重量流體的機(jī)械能損失 m l 管路長(zhǎng)度 m m 質(zhì)量 kg 虛擬壓強(qiáng) Pa p 流體壓強(qiáng) Pa pa 大氣壓 Pa B 擋板間距 m T 周期時(shí)間 s t 時(shí)間 s t 溫度 ℃ u 流速 m/s qv 體積流量 m3/s qm 質(zhì)量流量 Kg/s 絕對(duì)粗糙度 mm 局部阻力系數(shù) 摩擦系數(shù) 動(dòng)力黏度 密度 Kg/m3 He 有效壓頭 m D 換熱器殼徑 m f 校正系數(shù) f0

21、殼程流體摩擦系數(shù) K 傳熱系數(shù) NT 管子總數(shù) Q 熱流量 W或J/S 給熱系數(shù) 熱導(dǎo)率 數(shù)群 Gr 格拉私霍夫數(shù) Nu 努塞爾數(shù) Pr 普朗特?cái)?shù) Re 雷諾數(shù) 下標(biāo) g 氣體的 m 平均 w 壁面的 s 殼程的 t 管程的 有 有機(jī)物的 八、設(shè)計(jì)說(shuō)明 （1） 需要冷卻的有機(jī)物走殼程，冷卻劑走管程； （2） 有機(jī)物可以采取逆流的方式； （3） 換熱器說(shuō)明： 1 采用光滑管 光滑管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。缺點(diǎn)是它強(qiáng)化傳熱的性能不足。為了提高換熱器的傳熱系數(shù)，可采用結(jié)構(gòu)形式多樣化的管子，如

22、異性管，翅片管，螺紋管等。 2 選用 的管子。 3 本設(shè)計(jì)中采用4.5米長(zhǎng)的管子。 4 管子的排列形式：本設(shè)計(jì)中采用正三角形錯(cuò)列的排列方式，而在隔板兩側(cè)采用正方形直列。 5 采用多管程，故管板中間要留有隔板的位置。 6 允許折流板的間距與管徑有關(guān)，取折流板間距B=0.9m （4） 管路布置如圖所示： （5） 管路選擇內(nèi)徑150mm的鋼管，至少使用下列零件：底閥1個(gè)；標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭3個(gè)；球心閥1個(gè)。 （6） 由于計(jì)算所得有效壓頭為15.96m，流量為144m3/h，根據(jù)離心泵特性曲線(xiàn)和工作點(diǎn)，選取型號(hào)為IS150-125-250的離心泵。 九、參考文獻(xiàn) [1] 王元文，陳連.管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].貴州化工，2005，30（1）：27-31. [2] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.