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化工原理课程设计
换热器与泵的选型
一、换热器的相关说明
换热器〔heat exchanger〕，是将热流体的局部热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。是进展热交换操作的通用工艺设备。 被广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它很多工业部门的通 用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加 热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。
换热器种类很多，依据使用目的可分为冷却器、加热器、冷 凝器和汽化器；依据构造材料可分为金属材料换热器和非金属材 料换热器；尤其是依据冷、热流体热量交换的原理和方式根本上 可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间 壁式换热器应用最多。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牢靠性和广泛的适应性 ,在长期的操作过程中积存了丰富的阅历,其设计资料比较齐全,在很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型换热器的挑战 ,但由于管壳式热交换器具有构造简洁、结实、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 主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有确定 优势。如何确定最正确的换热器,是换热器优化的问题。
泵的评价与选用
泵的性能参数主要有流量和扬程，此外还有轴功率、转速和 必需汽蚀余量。流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量， 一般承受体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的 能量增量，对于容积式泵，能量增量主要表达在压力能增加上， 所以通常以压力增量代替扬程来表示。
设计任务书的作用
本设计书对指定有机物进展冷却，如何选择适宜的换热器， 如何合理安排操作管路以及如何选择适宜的离心泵作出具体的计算说明。
二．设计任务
一．工艺要求
要求将温度为 78℃的某液态有机物冷却至 60℃，此有机物的流量为 25kg/s。现拟用温度为 t1=15℃的冷水进展冷却。要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过 。有机物在 69℃时的物性数据如下：
r = 997 kg/m 3 ;
m = 0 . 6 mP a × s ;
C = 2 .2 2 kJ/kg × ° C ;
p
l = 0 .1 6 W/m × ° C.
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二．流程：
管路布置如图〔右方参考图〕，泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米，〔均不考虑局部阻力损失〕
三． 要求
选用一个适宜的换热器
合理安排管路
选用一台适宜的离心泵
三．计算结果明细表
管壳式换热器的规格
公称直
径
公称压力
PN/
管程数
N
管子根
数
中心排
管数
管程流
通面积
换热管
长度
管心距
/mm
换热面
积/m2
DN/mm
MPa
N
N
/m2
L/mm
T
f19 ´ 2mm
400 —— 2 94 11 6000 32
离心泵的型号规格
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型号 转速 流量
n/(r/mi
扬程 效率 功率
/m h / %
必需气蚀量 质量〔泵/
〔NPSH〕 /m 底座〕/kg
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m3/h
L/s
轴功 电机 r
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n)
率
功率
IS80-
2900
30
64
44/46
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65-125
50
20
75
60
18
18
74
计算数据结果记录
工程
冷却剂出口温度
结果
31
单位
°C
循环水定性温度
23
°C
热负荷
999
kW
冷却水质量流量
kg / s
并流对数平均温差
°C
逆流对数平均温差
°C
估算换热面积
m2
管程流淌面积
m2
管内冷却水流速
m / s
管程给热系数
(
W / m2 ×°C
摩擦系数
管程压降
Pa
壳程流淌面积
壳程有机物流速
m2
m / s
当量直径
m
壳程给热系数
(
W / m2 ×°C
壳程压降
Pa
)
( )
)
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核算传热系数
W / m2 ×°C
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校核传热面积 m 2
冷却水流量
m3 / h
总局部阻力系数
阻力损失
m
压头〔扬程〕
m
四．计算过程
一．选择适宜的换热器
确定物性数据
设计方案：冷却水：用温度t1=15℃的河水进展冷却，从Δ tm>10℃及防止水中盐类析出为原则，选择出口温度为31℃。考虑到冬季使用时，其进口温度较低，换热器管壁温与壳体壁温之 差较大；夏季时河水的温度变化也不是很大，因此选用管壳式换 热器。从二种流体的物性来看，由于冷却水较易结垢，假设其流速 太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从 综合考虑，应使冷却水走管程，有机液态化合物走壳程，并且保 证冷却水的流速不宜过慢。
入口温度为 t1=15℃，出口温度为 t2=31℃ 冷却水的定性温度为 tm=〔15+31〕/2=23℃ 两流体的温差Tm-tm=69-23=46℃
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两流体在定性温度下的物性数据如下
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物性 温度流体 ℃
密度
kg/m3
粘度 比热容 导热系数
mPa〃s kJ/(kg〃℃) W/(m〃℃)
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有机物循环水
69 997
23
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m 2
计算热负荷Q 和q
由热量衡算
换热器的总的换热量: Q = q c
(T - T
) = 25 ´ ´ (78 - 60) = 999kW
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m1 p1 1 2
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冷却水所需的流量： q = Q =
999
= / s
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m2 c (t
p 2 2
- t ) ´ (31 -15)
1
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m 估
计算温差Dt 和估量传热系数K
并流时，Δt1=T1-t1=78-15=63℃，Δt2=T2-t2=60-31=29℃
Dt - Dt 63 - 29
- 10 -
Dt =
m
1 2
D
t
= 63 = °C
- 10 -
1
ln Dt ln 29
2
逆流时，Δt1=T1-t2=78-31=47℃，Δt2=T2-t1=60-15=45℃
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Dt =
m逆
Dt - Dt
1 Dt 2
= 47 - 45
47
= °C
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1
ln Dt ln 45
2
由于在一样的流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，
所以选择逆流。
由于水与中有机物的传热系数K在290～698 之间, 故取总传热系
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数K现暂取： K = 500W/m2
估算换热面积
× °C
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Q 999 ´103
A = = =
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估 Ky Dt
m逆
500 ´ ´1
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依据条件选取适宜的换热器
估
依据A 可以选择下述标准换热器〔查附录得〕：
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公称直径DN/mm
公称压力 PN/ MPa
管程数
N
管子根数 N
中心排管数
N
T
管程流通面积/m2
f19 ´ 2mm
换热管长度L/mm
管心距
/mm
换热面积/m2
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400 —— 2 94 11 6000 32
Ⅰ.传热管排列与分程方法：
承受组合排列法，即每程内均依据正三角形排列，隔板两侧采 用正方形排列。
管束的分程方法，每程各有传热管47根，其前后管箱中隔板设置 和介质的流通挨次按书上图所示
Ⅱ. 壳体内径：
承受多壳程构造，其壳程内径：
取管板利用率η = 则D=528mm 按卷制壳体的进级挡可取
D=600mm
Ⅲ. 折流板间距：
挡板的间距对壳程的流淌有重要的影响，间距太大，不能保证 流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小，不便于制 造和检修，阻力损失亦大。～ 倍。故取B=360mm
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故折流板数：N
= 传热管长
-1 =
6000 -1 = 16
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B 折流板间距 360
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计算管程压降Δрt及给热系数a i
依据标准换热器供给的参数管程流淌面积: A
1
=
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管内冷却水流速:
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q
u = m2
= = / s
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i r A
2 1
´
- 10 -
Re =
i
du r
mi 2
2
= ´ ´ » ´10-3
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i ：
管程给热系数a
l
l æ c
m ö
- 10 -
a = Re Pr = Re ç pi i ÷
- 10 -
i d d
i i
è l ø
- 10 -
)
æ ´103
´ ´10-3
ö
- 10 -
(
= ´
´ ´ ç
÷
- 10 -
= /
è ø
m2 × °C
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，则
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æ e 68 ö
æ
68 ö
- 10 -
ø
è
l = ç d + Re ÷
= ç 20
+ 19436 .21 ÷
=
- 10 -
è ø
i
管程压降：
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D æl l ö
ru2 æ
ö
´
- 10 -
pt = ç + 3÷ f N i = ç ´ + 3÷ ´ ´ 2 ´
- 10 -
è d ø t p 2 è
ø 2
- 10 -
= <
计算壳程压降Δрs及给热系数a 0
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¢ æ d ö
æ ö
- 10 -
A = BD ç1 - 0 ÷ = ´ ´ ç1 - ÷ = m 2
- 10 -
2 è l ø
¢ q 25
è ø
- 10 -
¢
u = m1
0 A r
2 有
= ´ 997
= m s
- 10 -
æ 3 p ö æ 3 ö
- 10 -
4ç 2
l 2 -
4 d 2 ÷
4 ´ ç 2
´ 2
- ´ 2 ÷
- 10 -
è 0 ø è ø
- 10 -
de =
pd
0
deu ¢r
=
´ ´ 997
´
= m
- 10 -
Re =
0
0 有 = = 17689 .93
m ´ 10 -3
有
- 10 -
Pr = Cp m
l
= ´ 103 ´ ´ 10 -3
=
- 10 -
壳程中有机物被冷却， æ
m ö 0 . 14
- 10 -
è
ø
ç m ÷
= 1 . 0
- 10 -
W
- 10 -
a = l
Re
1 æ m
Pr 3 ç
ö
ø
÷
- 10 -
è
0 de 0 m
W
1
= ´ ´ 17689 . ´ 3 ´
( )
= 1262 .20W / m 2 × °C
其大于估算的K值,故可行。
管束中心线管数 N = 11
TC
壳程流淌面积：
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A = B(D - N
2 TC
q
d )= ´ ( - 11 ´ )= m2
0
25
- 10 -
u = m1 = = m s
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0 r A
有 2
d u r
997 ´
´ ´ 997
- 10 -
Re =
0
0m0 =
´ 10-3
» 8903 .13
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因Re > 500 , f = 5 Re - = 5 ´ (8903
0
管子排列为三角形，F=，fs=
壳程压降：
.13 )-
=
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Dps
é
(
= êFf N N
ú
øû
ë 0 TC B
+ 1)+ N
æ -
ç
B è
2B öù
D ú
÷
øû
u2
f 0 r
s 2
- 10 -
= é ´ ´11 ´ (16 + 1)+ 16 ´ æ -
2 ´ öù ´ ´ 997 ´
- 10 -
è
ê
ë
= <
计算传热系数 K 计
污垢热阻和管壁热阻：
ç ÷ 2
- 10 -
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管外侧污垢热阻 R
外
= ×O C / W
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管内侧污垢热阻 R
内
= ×O C / W
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取钢管壁厚d = ´10-3 m ，热导率l = × m-1 × K -1
1
K计 = 1 d 1
+ R + + R +
a 内 l 外 a
i 0
= 1
- 10 -
1 + 1
+ + +
´10-3
- 10 -
= /(m2 ×O C)
校核传热面积
Q 999 ´103
A = = =
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计 K y Dt
计 m逆
´ ´1
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所选换热器： A =
- 10 -
A =
A
计
=
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所以选择的换热器符合要求。
二．安排管路和选择适宜的离心泵
1．管径初选
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