化工原理换热器设计————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ江西科技师范大学食品质量与安全专业《化工原理课程设计》题目名称列管式换热器的设计专业班级食品质量与安全一班学号201５２410 201５2４11学生姓名徐子涵陈素静指导教师常军博士2017 年05 月1０日设计条件冷流体为水，入口温度1t =12℃,出口温度2t =68℃,流量v q =43m³／h ； 热流体为饱和水蒸气,入口温度1T ＝110℃,出口温度2T =１00℃。

水蒸气在１05℃下的有关物性数据:密度1954.7ρ=ｋg/m³，黏度41 2.7110μ-=⨯Pa·s ，比热容4226p c =J/(ｋg·Ｋ),导热率10.684λ=W ／(m·Ｋ)。

水在40℃下的有关物性数据：密度2992.2ρ=kg ／m³，黏度42 6.510μ-=⨯Ｐa·s ，比热容4174p c =J/(k ｇ·K),导热率20.635λ=W ／（m·℃)。

换热器型式的选择—由于所选择的冷热流体温差较大,初步确定选用浮头式换热器。

定性温度壳程水蒸气定性温度为1211010010522m T T T ++===℃ 管程水的定性温度为1212684022m t t t ++===℃估算传热面积计算热负荷（忽略热损失）222212()43992.24174(6812)2770.165T m p v p Q q c t q c t t ρ=∆=-=⨯⨯⨯-=kW水蒸气用量(忽略热损失)无相变11332770.1651065.64.2261010T m p Q q c t ⨯===∆⨯⨯kg ／s 235981.9=ｋｇ/h 平均传热温差纯逆流 '1212(11068)(10012)62.1911068ln ln 10012mt t t t t ∆-∆---∆===∆--∆℃ 初算传热面积 初定总传热系数01500K =W ／(m 2·K)，32770.1651029.70150062.19T m Q S K t -⨯===∆⨯估m 2管径和管内流速管程安排—水蒸气比较清洁宜走壳程,普通水较易结垢，若流速太低，将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降,宜走管程。

因此初步确定饱和水蒸气走壳程，水走管程。

现初定管内流速0.9i u =m ／s ，传热管数30n =。

管内径4443/36000.01943.140.930v q d un π⨯===⨯⨯m 19=mm 查无缝钢管规格表[1］确定选用25 2.5φ⨯m ｍ的传热管(碳钢),其内径为25(2.52)20i d =-⨯=mm 0.02=m水在输送管内的实际操作流速为2430.80.785(0.02)3600u ==⨯⨯ｍ／s 管程数和传热管数单程传热管数243/360044(0.02)0.844vS i q N d uππ===⨯⨯单程管 传热管长度029.7093.140.02544s S L d N π==≈⨯⨯估ｍ多管程 取传热管长3l =m 换热器管程数933P L N l ===传热管总根数为30390n =⨯= 平均温差校正系数 211168120.611012t t P T t --===-- 12211101000.26812T T R t t --===-- 按单壳程，双管程,查温差校正系数ϕ图[1]得0.95t ϕ∆=平均传热温差'0.9562.1959.0805m t mt t ϕ∆∆=∆=⨯=℃ 由于平均传热温差校正系数大于0.8，故取单壳程合适[1]。

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01.25 1.252531.25t P d ==⨯=mm 32≈ｍm隔板中心到离其最近一排管中心距离32662222t PZ =+=+=mm各程相邻管的管心距为4４mm 。

采用多管程结构,取管板利用率0.75η=壳体直径 1.05/ 1.0532135/0.75436.8t D P n η==⨯⨯=mm圆整可取400D =mm 。

1.1 1.113514c n n ==⨯= 根采用弓形折流板 切去的圆缺高度0.25400100h =⨯=mm 取150h =m ｍ。

取折流板间距0.3B D =(0.2D B D <<）,则0.3400120B =⨯=ｍm 取Ｂ为１50ｍm 。

折流板数目3000-1=-1=19150B N =传热管长折流板间距壳程流体进出口接管 取接管内水蒸气流速为110u =m/s接管内径1114443/954.70.0753.1410v q D u π⨯===⨯m 圆整后取管内径８0mm 。

管程流体进出口接管：取接管内液体流速22u =m ／s接管内径2224443/36000.0873.142v q D u π⨯===⨯m圆整后取管内径90ｍm 。

传热面积校核管程传热膜系数0.80.40.023Re Pr ii id λα=管程流体流通截面积221350.7850.020.0212422i i n S d π==⨯⨯=m 2 管程流体流速43/36000.850.014v i i q u S ===m/ｓ 雷诺数2420.020.85992.2Re 260816.510i i i d u ρμ-⨯⨯===⨯ 普朗特数24224174 6.510Pr 4.30.635p c μλ-⨯⨯===0.80.40.65080.02326081 4.34577.10.02i α=⨯⨯⨯=Ｗ／（ｍ2·℃)壳程传热膜系数0.551/30.1400'0.36Re Pr ()ie wd λμαμ= 管子按正三角形排列,传热当量直径为：22220'0334()4(0.0320.7850.025)2420.023.140.025t e P d d d ππ-⨯⨯⨯⨯===⨯m壳程流通截面积0025(1)150400(1)0.01332t d S BD P =-=⨯⨯-=m 2 壳程流体流速00235981.9/(3600954.7) 5.20.013v q u S ⨯===ｍ／s 雷诺数010410.02 5.2954.7Re 3663792.7110du ρμ-⨯⨯===⨯普朗特数141014226 2.7110Pr 1.670.684p c μλ-⨯⨯===黏度校正 加热 0.14() 1.05wμμ≈ 0.551/300.6840.36366379 1.67 1.058265.60.02α=⨯⨯⨯⨯=W/(m ２·℃) 已知管壁厚度0.0025b =ｍ， 总传热系数K管外侧污垢热阻40 1.010R -=⨯(ｍ2·℃)/W ，管内侧污垢热阻41.010i R -=⨯(ｍ２·℃）／Ｗ。

碳钢在该条件下的热导率为５０W ／(m 2·℃)。

0000011i i i i m K d d bd R R d d d αλα=++++44115800.0250.0250.00250.02511.010 1.0104577.10.020.02500.02258265.6--==⨯+⨯++⨯+⨯⨯ Ｗ/(m 2·℃) 传热面积校核32770.16510'28.19158062.19T m Q S K t ⨯===∆⨯m 2 实际传热面积0 3.140.025313531.7925T S d lN π==⨯⨯⨯=m 2与原估计值基本相符换热器的面积裕度31.79251,128'28.19S S ==传热面积裕度＞１0%，所选换热器的规格可用总结我们所设计的浮头式换热器是单壳程,相对于单管程来说,当流量一定时,对流传热系数较大,对传热过程更有利。

但是,这样势必会导致一定流体阻力损失,即输送流体的动力费用增加。

工艺结构尺寸衡算时，我们所选的管内流速适中,若其流速很大,虽能增大对流传热系数,减小污垢在壁面上的沉积,即降低污垢热阻，使总传热系数增加，从而减小换热器的传热面积。

但流速增加，流动阻力增大,动力消耗增加,我们需要综合考虑经济费用。

我们采用逆流和折流方式进行传热，平均温差较大，有利于换热器的优化。

最终选取的换热器零部件型号尺寸都需要综合考虑实用价值和经济效益等一系列因素。

附录及图纸表1 计算结果汇总表项目结果 单位 管程流速(i u ） 0.8 ｍ/s管程表面传热系数a (i α) 45７７.１ W ／（m 2·℃) 管程阻力(i P ∆） 706６．２5 Pa 壳程流速(0u ） 5.2 m/s 壳程传热膜系数(0α） ８265.６ W/(m 2·℃） 壳程阻力（0P ∆） 927４09 Ｐa 热流量(T Q ) １６０2.22 k Ｗ 传热温差ｂ（m t ∆) 59.08 ℃ 总传热系数（K ) １5８0 W/(m ２·℃) 裕度c ('/S S ）1．１2８%a流体在圆形直管内作强制对流时的传热系数，本实验设计是对低黏度流体加热。

ｂ本实验采取逆流传热，传热温差较大。

c计算得传热面积与实际传热面积之比，需在1.1~2.5之间,这样才能保证留有10%~2５％的安全系数，换热器的设计才合理。

表２ 设备结构尺寸汇总表项目 结果 单位 换热器型式 浮头式 壳程数 1 管程数3管径φ２5×2．5 ｍm管子排列组合排列壳体内径4００mｍ管长３00０mｍ管心距4４mm管数目90 根折流板数1９个折流板间距1５0 mm管程接管内径90 mm壳程接管内径8０mm传热面积31.７9 ｍ2表３设备选型汇总表ﻩ代号型号材料尺寸厂家1 GB151-B 碳钢Q2３5-B DＮ400 海东不锈钢有限公司2 GB／T14976 碳钢φ25×2.5宝丰钢业3 GＢ95３-88 碳钢Q23５DＮ50 永年向东冷镦标准件厂4 JB/Ｔ4７37－９5 09MnNiD ＤＮ５00中石化北京石化工程公司5 402－101H-０2 09MnNiD DＮ3５０中石化北京石化工程公司6 GB/T 61７0 碳钢ＤＮ20 上海申商五金机电有限公司7 4０2-101H－11０9MnNiD ＤN40０兰州石油化工机器厂８４０2-101H-05 Q235－ＡDＮ4００淄博搪泰化工设备有限公司9 402-１01H-03Q235PTFE DＮ15０巩义市恒庆供水材料公司10 4０２-10１H-08 碳钢Q23５－BDＮ400 盐山亚星管件制造厂1１GＢ953-88 碳钢DＮ40 绍兴福全申力五金配件厂１２402-101H-０6碳钢Q235-B DN400 定襄县宇龙锻造有限公司5、。