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一、前言 熱交換器是進行熱交換操作的通用工藝設備,被廣泛應用于各個工業(yè)部門,尤其在石油、化工生產中應用更為廣泛。換熱器分類方式多樣,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,其中間壁式換熱器用量最大,據統(tǒng)計,這類換熱器占總用量的99 %。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類,其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性,在長期的操作過程中積累了豐富的經驗,其設計資料比較齊全,在許多國家都有了系列化標準。近年來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構簡單、牢固、操作彈性大、應用材料廣等優(yōu)點,管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設備中仍占有絕對優(yōu)勢。如何確定最佳的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問題。本說明書對指定有機物進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的計算說明。 2、 設計任務 班級： 姓名： 學號： 任課老師： 選擇一個合適的換熱器，冷卻78C的某液態(tài)有機物至60C，此有機物的流量為82kg/s； （1） 合理安排操作管路； （2） 選擇一臺合適的離心泵； （3） 有機物69C的物理性質： （4） 冷卻水：進口溫度t1=20C； （5） 操作條件：換熱器管殼兩側的壓降皆不應超過0.1MPa。 3、 目錄 一 前言.........................................................................................................................................1 二 設計任務.................................................................................................................................2 四 計算明細表.............................................................................................................................4 1 管殼式換熱器規(guī)格.............................................................................................................4 2 離心泵的型號規(guī)格.............................................................................................................4 3 計算數據結果記錄.............................................................................................................5 五 計算過程.................................................................................................................................6 1 選擇合適的換熱器.............................................................................................................6 1.1 熱力學數據的獲取..........................................................................................................6 1.2 計算熱負荷和......................................................................................................6 1.3 計算溫差和估計傳熱系數..............................................................................................6 1.4 估算換熱面積..................................................................................................................7 1.5 計算管程壓降和給熱系數..............................................................................................7 1.6 計算殼程壓降和給熱系數..............................................................................................8 1.7 計算傳熱系數..................................................................................................................9 1.8 校核傳熱面積.................................................................................................................9 2 安排管路和選擇合適的離心泵........................................................................................9 2.1 管徑初選.........................................................................................................................9 2.2 壓頭計算.........................................................................................................................10 六 附錄........................................................................................................................................12 七 符號說明................................................................................................................................13 八 設計說明................................................................................................................................15 九 參考文獻................................................................................................................................15 四、計算結果明細表 （1） 管殼式換熱器的規(guī)格 公稱直徑 DN/mm 公稱壓力 PN/ MPa 管程數 N 管子根數 n 中心排 管數 管程流通面積/m2 換熱管長度L/mm 管心距/mm 換熱面積/m2 700 4 2 574 27 0.0507 4500 25 150.8 （2） 離心泵的型號規(guī)格 型號 轉速 n/(r/min) 流量 揚程 /m 效率 功率 必需氣蝕量 （NPSH）r/m 質量（泵/底座）/kg m3/h L/s 軸功率 電機功率 IS150- 125-250 1450 120 33.3 22.5 71 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）計算數據結果記錄 項目 結果 單位 冷卻劑出口溫度 40 循環(huán)水定性溫度 30 熱負荷 3276.72 kW 冷卻水質量流量 39.25 并流對數平均溫差 35.7 逆流對數平均溫差 39.0 估算換熱面積 147.4 管程流動面積 0.0507 管內冷卻水流速 0.78 管程給熱系數 3969 摩擦系數 0.036 管程壓降 12539.7 Pa 殼程流動面積 0.134 殼程有機物流速 0.61 當量直徑 0.0173 m 殼程給熱系數 1315 殼程壓降 5483.32 Pa 核算傳熱系數 693 校核傳熱面積 121.24 冷卻水流量 144 總局部阻力系數 21.64 阻力損失 7.5 m 壓頭（揚程） 15.96 m 五、計算過程 一 選擇合適的換熱器 1 熱力學數據的獲取 冷卻劑：河水， 從Δtm>10℃及防止水中鹽類析出為原則，選選擇出口溫度：t2=40C 循環(huán)水的定性溫度： 入口溫度為，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據如下 物性 流體 溫度 ℃ 密度 kg/m3 粘度 mPas 比熱容 kJ/(kg℃) 導熱系數 W/(m℃) 有機物 69 997 0.6 2.22 0.16 循環(huán)水 30 995.7 0.8012 4.174 0.6171 2 計算熱負荷和 由熱量衡算 3 計算溫差和估計傳熱系數 并流時， 逆流時， 根據管程走循環(huán)水，殼程走有機物，總傳熱系數K現(xiàn)暫?。? 4 估算換熱面積 根據可以選擇下述標準換熱器（查附錄得）：（排列方式：正三角形） 公稱直徑 DN/mm 公稱壓力 PN/ MPa 管程數 N 管子根數 n 中心排 管數 管程流通面積/m2 換熱管長度L/mm 管心距/mm 換熱面積/m2 700 4 2 574 27 0.0507 4500 25 150.8 5 計算管程壓降及給熱系數 根據標準換熱器提供的參數管程流動面積 管內冷卻水流速 管程給熱系數 取鋼的管壁粗糙度為0.1mm，則 管程壓降 6 計算殼程壓降及給熱系數 擋板間距B取0.9m， 殼程中有機物被冷卻， 取折流擋板間距 管束中心線管數 殼程流動面積 因 管子排列為三角形，F(xiàn)=0.5，fs=1.15 擋板數： 殼程壓降 7 計算傳熱系數 污垢熱阻和管壁熱阻 管外側污垢熱阻 管內側污垢熱阻 取鋼管壁厚，熱導率 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 初取水經濟流速 由于182mm不是標準管徑，因此確定 符合經濟流速范圍 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 標準90彎頭3個 球心閥1個 流入換熱器 流出換熱器 故 換熱器壓降 根據和以及IS型離心泵系列特性曲線可以選擇 型號為IS150-125-250的離心泵。 六、附錄 （1）物理性質 物性 流體 溫度 ℃ 密度 kg/m3 粘度 mPas 比熱容 kJ/(kg℃) 導熱系數 W/(m℃) 有機物 69 997 0.6 2.22 0.16 循環(huán)水 30 995.7 0.8012 4.174 0.6171 （2） 管外側污垢熱阻 管內側污垢熱阻 鋼管熱導率 七、符號說明 主要符號說明 符號 意義 計量單位 A 面積 m2 定壓比熱容 d 管徑 m g 重力加速度 m/s2 單位重量流體的機械能損失 m l 管路長度 m m 質量 kg 虛擬壓強 Pa p 流體壓強 Pa pa 大氣壓 Pa B 擋板間距 m T 周期時間 s t 時間 s t 溫度 ℃ u 流速 m/s qv 體積流量 m3/s qm 質量流量 Kg/s 絕對粗糙度 mm 局部阻力系數 摩擦系數 動力黏度 密度 Kg/m3 He 有效壓頭 m D 換熱器殼徑 m f 校正系數 f0 殼程流體摩擦系數 K 傳熱系數 NT 管子總數 Q 熱流量 W或J/S 給熱系數 熱導率 數群 Gr 格拉私霍夫數 Nu 努塞爾數 Pr 普朗特數 Re 雷諾數 下標 g 氣體的 m 平均 w 壁面的 s 殼程的 t 管程的 有 有機物的 八、設計說明 （1） 需要冷卻的有機物走殼程，冷卻劑走管程； （2） 有機物可以采取逆流的方式； （3） 換熱器說明： 1 采用光滑管 光滑管結構簡單，制造容易。缺點是它強化傳熱的性能不足。為了提高換熱器的傳熱系數，可采用結構形式多樣化的管子，如異性管，翅片管，螺紋管等。 2 選用 的管子。 3 本設計中采用4.5米長的管子。 4 管子的排列形式：本設計中采用正三角形錯列的排列方式，而在隔板兩側采用正方形直列。 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，取折流板間距B=0.9m （4） 管路布置如圖所示： （5） 管路選擇內徑150mm的鋼管，至少使用下列零件：底閥1個；標準90彎頭3個；球心閥1個。 （6） 由于計算所得有效壓頭為15.96m，流量為144m3/h，根據離心泵特性曲線和工作點，選取型號為IS150-125-250的離心泵。 九、參考文獻 [1] 王元文，陳連.管殼式換熱器的優(yōu)化設計[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：化學工業(yè)出版社，2006. - 15 -