化工原理课程设计答案参考模板管壳式换热器选型

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,专门在石油、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:直截了当接触式换热器、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存了丰富的体会,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要紧类型换热器,专门在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。如何确定最正确的换热器,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，同时合理安排操作管路以及选择合适的离心泵作出详细的运算说明。

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78ºC的某液态有机物至60ºC，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69ºC的物理性质：

997kg/m3;0.6mPas;Cp2.22kJ/kgC;

0.16W/mC.（4）冷却水：进口温度t1=20ºC；

（5）操作条件：换热器管壳两侧的压降皆不应超过0.1MPa。

三、名目

一 前言.........................................................................................................................................1 二 设计任务.................................................................................................................................2 四 运算明细表.............................................................................................................................4 1 管壳式换热器规格.............................................................................................................4 2 离心泵的型号规格.............................................................................................................4 3 运算数据结果记录.............................................................................................................5 五 运算过程.................................................................................................................................6 1 选择合适的换热器.............................................................................................................6 1.1 热力学数据的猎取..........................................................................................................6 1.2 运算热负荷Q和qm2......................................................................................................6 1.3 运算温差和估量传热系数..............................................................................................6 1.4 估算换热面积..................................................................................................................7 1.5 运算管程压降和给热系数..............................................................................................7 1.6 运算壳程压降和给热系数..............................................................................................8 1.7 运算传热系数..................................................................................................................9 1.8 校核传热面积.................................................................................................................9 2 安排管路和选择合适的离心泵........................................................................................9 2.1 管径初选.........................................................................................................................9 2.2 压头运算.........................................................................................................................10 六 附录........................................................................................................................................12 七 符号说明................................................................................................................................13 八 设计说明................................................................................................................................15 九 参考文献................................................................................................................................15

四、运算结果明细表

（1）管壳式换热器的规格

公称直径 公称压力 DN/mm PN/ MPa 700 4 2 574 管程数 N 管子根数 n 中心排 管数 管程流通面积/m2 192mm 换热管长度L/mm 管心距/mm 换热面积/m2 NT 27 0.0507 4500 25 150.8

（2）离心泵的型号规格

型号 转速 n/(r/min) m/h 3流量 L/s 扬程 /m 效率 功率 轴功率 电机功率 必需气蚀量 质量〔泵/〔NPSH〕r/m 底座〕/kg /% IS150- 125-250 1450 120 200 240 33.3 55.6 66.7 22.5 20 17.5 71 81 78 10.4 13.5 14.7 18.5 3.0 3.0 3.5 758/158

〔3〕运算数据结果记录

项目 冷却剂出口温度 循环水定性温度 热负荷 冷却水质量流量 并流对数平均温差 逆流对数平均温差 估算换热面积 管程流淌面积 管内冷却水流速 管程给热系数 摩擦系数 管程压降 壳程流淌面积 壳程有机物流速 当量直径 壳程给热系数 壳程压降 核算传热系数 校核传热面积 冷却水流量 总局部阻力系数 阻力缺失 压头〔扬程〕

结果 40 30 3276.72 39.25 35.7 39.0 147.4 0.0507 0.78 3969 0.036 12539.7 0.134 0.61 0.0173 1315 5483.32 693 121.24 144 21.64 7.5 15.96 单位 C C kW kg/s C C m2 m2 m/s W/m2C  Pa m2 m/s m W/m2C Pa W/m2C m2 m3/h m m 五、运算过程

一 选择合适的换热器 1 热力学数据的猎取

冷却剂：河水， 从Δtm>10℃及防止水中盐类析出为原那么，选选择出口温度：t2=40ºC

循环水的定性温度：

入口温度为t120C，出口温度为t240oC 循环水的定性温度为tm2040/230C 两流体的温差Tmtm693039C50C 两流体在定性温度下的物性数据如下

物性 流体 有机物 循环水 温度 ℃ 69 30 密度 kg/m3 997 995.7 粘度 mPa·s 0.6 0.8012 比热容 kJ/(kg·℃) 2.22 4.174 导热系数 W/(m·℃) 0.16 0.6171 2 运算热负荷Q和qm2 由热量衡算

Qqm1cp1(T1T2)822.22(7860)3276.72kW

qm2Q3276.7239.25kg/s

cp2(t2t1)4.174(4020)3 运算温差tm和估量传热系数K估

并流时，t1782058C t2604020C

tmt1t2582035.7C t158lnlnt220逆流时，t1784038C t2602040C

tm逆t1t2384039.0C t138lnlnt240依照管程走循环水，壳程走有机物，总传热系数K现暂取：

K570W/m2C

4 估算换热面积

Q3276.72103 A估147.4m2

Ktm逆570391依照A估能够选择下述标准换热器〔查附录得〕：〔排列方式：正三角形〕 公称直径 DN/mm 700 公称压力 PN/ MPa 4 2 574 管程数 管子根N 数 n 中心排 管程流管数 通面积/m2 192mm 换热管长度L/mm 4500 管心距/mm 25 换热面积/m2 150.8 NT 27 0.0507 5 运算管程压降t及给热系数i 依照标准换热器提供的参数管程流淌面积

A10.0507m2

管内冷却水流速

qm2uiQ3276.7239.25kg/scp2(t2t1)4.174(4020)

qm239.250.78m/s2A1995.70.0507dui2Rei20.0150.78995.71450030.801210管程给热系数i

i0.023diRei0.8Pr0.4c0.8pii0.023Reidi0.4330.61710.84.174100.8012100.023145000.0150.61710.4

3969W/m2C取钢的管壁粗糙度为0.1mm，那么

e680.1dRei0.23680.10.115145000.230.036

管程压降

ui4.5995.70.782lt3ftNp0.03631.52 d20.015212539.7Pa0.1MPa6 运算壳程压降s及给热系数0

2挡板间距B取0.9m，

d0.0192A2BD100.90.710.15ml0.025q82u0m10.55ms0.15997A2有3223224ld40.0250.7850.01902420.0173mde

d03.140.019deu0有0.01730.559974Re01.610有0.61032.221030.6103Pr8.3250.16Cp壳程中有机物被冷却，W10.140.95

00.36Re0.55Pr3deW10.160.36160000.558.32530.95

0.01731315W/m2C0.14取折流挡板间距B0.9m 管束中心线管数NTC27 壳程流淌面积

A2BDNTCd00.90.7270.0190.17m2u0qm1820.48ms有A29970.17d0u0

Re00.0190.4899741.5100.6103因Re500,f05Re0.22851.5104管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15

l4.514 挡板数： NB1B0.9壳程压降

0.2280.56

22Bu0sFf0NTCNB1NB3.5fsD220.90.482 0.50.56274143.51.159970.725483.32Pa0.1MPa7 运算传热系数K计 污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻 R外0.000176m2OC/W 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1K1

K计11iR内1R外011121030.0001760.000213969131545.4693W/(m2OC)

8 校核传热面积

Q3276.72103A计121.24m2

K计tm逆693391所选换热器：A150.8m2

A150.81.24 A计121.24因此 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39.25kgsqvqm21 39.2536000.0394m3/s141.9m3hr995.7初取水经济流速 u1.5ms

Alqm239.250.026m2 1u995.71.5Al4dl2dl4Al40.026182mm

3.14由于182mm不是标准管径，因此确定 dl150mm

qm239.252.23m/s 1Al995.70.1524符合经济流速范畴 u故确定：dl150mm,u2.23m/s 2 压头He

在水槽液面及压力表处列柏努利方程

pap2u2HezHf gg2g取0.15mm，

/d0.001，

Redlu0.15995.72.23/0.80121034.2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 8.5 20.753 9.5 2流入换热器1A1A210.152/0.720.91

流出换热器0.51A2A10.510.152/0.720.48 故 8.50.7539.50.910.4821.64 换热器压降

t12539.7Pa

22t15512539.7lu2.23Hf0.02121.647.5mg0.15d2g29.81995.79.81p2pau2HezHfg2g200002.2387.515.96m995.79.8129.812

u2.23m/sqvuAl2.2340.1520.04m3/s144m3/h

依照qv和He以及IS型离心泵系列特性曲线能够选择 型号为IS150-125-250的离心泵。

六、附录

〔1〕物理性质

物性 流体 有机物 循环水 〔2〕

管外侧污垢热阻 R外0.000176m2OC/W 管内侧污垢热阻 R内0.00021m2OC/W 钢管热导率 45.4Wm1K1

温度 ℃ 69 30 密度 kg/m3 997 995.7 粘度 mPa·s 0.6 0.8012 比热容 kJ/(kg·℃) 2.22 4.174 导热系数 W/(m·℃) 0.16 0.6171 七、符号说明

要紧符号说明

符号 A 意义 面积 定压比热容 管径 重力加速度 单位重量流体的机械能缺失 l m  p pa B T t t u qv qm 管路长度 质量 虚拟压强 流体压强 大气压 挡板间距 周期时刻 时刻 温度 流速 体积流量 质量流量 绝对粗糙度 局部阻力系数 摩擦系数 动力黏度 密度 有效压头 换热器壳径 校正系数 壳程流体摩擦系数 传热系数 管子总数 m kg Pa Pa Pa m s s ℃ m/s m3/s Kg/s mm Pas 计量单位 m2 kJ/(kgK) cp d g m m/s2 m Hf      He D f f0 K NT Kg/m3 m m W/(m2K) Q 热流量 给热系数 热导率

W或J/S W/(m2K)   W/(mK) 数群

Gr gtl32格拉私霍夫数 2努塞尔数普朗特数Nu Pr l cp Re 雷诺数

du 下标

g m w s t 有

气体的 平均 壁面的 壳程的 管程的 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）有机物能够采取逆流的方式； （3）换热器说明： 1 采纳光滑管

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，可采纳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 本设计中采纳4.5米长的管子。

4 管子的排列形式：本设计中采纳正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采纳正方形直列。

5 采纳多管程，故管板中间要留有隔板的位置。 6 承诺折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=0.9m （4）管路布置如下图：

（5）管路选择内径150mm的钢管，至少使用以下零件：底阀1个；标准90°弯头3个；球心阀1个。

（6）由于运算所得有效压头为15.96m，流量为144m3/h，依照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.