固定管板式冷却器的设计

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1、NINGXIAUNIVERSITY课程设计 （2010届） 自由发挥设计题目： 固定管板式冷却器的设计 学院专业 固定管板式冷却器的设计 列管式换热器(又名列管式冷凝器)，是一种结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广的换热器•因此在石油、化工生产中，尤其是高温高压等大型换热器的主要结构形式按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1〜500m2。 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管

2、束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，(或膨胀节)。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或

3、有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。 .设计条件处理能力为年产42万吨己烷冷却器(按300天/年)，管程和壳程的压力均不大于 0.6MPa,管程和壳程的压力降均不大于30KPa。被冷却的物料为己烷，物料从正常温度 T,=68.74C被冷却，出口温度T2=44C。冷却剂为水，进口温度为ti=30C，出口温度 t2=38C .设计步骤 1.工艺计算1.估算传热面积，初选换热器型号己烷的质量流量：qmi=1400t/d=388.89kg/s 计算定性温度G和tm11Tm=1(T+T2)=-(68.74+44)=56.37o

4、C2211tm=丄(t1-t2)=-(30+38)=34oCm2122定性温度下查得： 物料名称 己烷 水 比热容 Cp=2428.34J水 11 cp=4174Jgkg_k_ 密度 p=624.89kg/m3 p=994.3kg/m3 粘度 □=0.00023pa曾 □=0.00074pags 导热系数 11 X=0.1047w§m—雷— 11 X=0.6248w§m_k_ (2)计算热负荷1400x1000Q=qm1cp1(T-T2)=2428.34(68.74-44)=973473.64J/S Mm1p11224x3600冷却剂的流量 97347

5、3.64 4174(38-30) =29.153kg/s (3) 确定流体流径该设计任务的热流体为己烷，冷流体为水，为使苯通过壳程壁面向空气中散热，提高冷却效果，令苯走壳程，水走管程。计算逆流传热的平均温度差 h…t2:小逆t1In—."■：t2 ((68.74一38)_(44-30)=2128°C68.74—38In44-30 (5) 校正传热平均温度差 T1-T2t2_t1 38-3068.74—30 68.74-4438-30 =3.093 -0.2065 由©二(R,P)查表得©=0.93,因为0.85<0.93<0.95,满足要求。由此得： .辻価二Ct

6、m逆=0.9321.28=19.79oC ⑹根据总传热系数K的大致范围，初选总传热系数K。=470W/(m2*) (7) 初算传热面积S。 cQ973473.64,二 S0104.m4 K°%折47019.79 (8) 初选换热器型号 根据工艺条件，选取公称压力PN=1.0MPa，根据流体物性，选定换热管材为:碳素钢。由于两流体温差<50,可选用固定管板式换热器，初选换热器型号为：G600II—1.0—110,初定换热器的工艺尺寸： 换热面积：S=109.3m2 公称直径DN取600mm 管长L=4500mm 总管数：n=416 管程流通面积A=0.0368m2

7、管心距：t=25mm 管壁汉壁厚①d0xbmm：:①19疋2mm 中心排管数：Nc=23 管子排列方式：正三角形 管程数：NP=2 壳程数：NS=1 2.核算压力降 (1)管程压力降 计算管程流速ui 29-153,0.7967/ 叭994.30.0368 管内Re二diUi： —门“ 取绝对粗糙度; 二0.00015m 因为0.5<0.7967<3m/s,所以满足要求 0.00015 则0.01 d0.015 查图得■=0.0419 管程压力降送心R=((人-+1.5)巴「+3汉匹1FtgNsNp d22p 对于巾19mm2mm的换热器，结

8、构校正系数Ft=1.4,Np=2,Ns=1 代入数值: 、.汩.(0.0419d+1.5)994・3°.796723"心°.79672 I0.015- 1.521 =16161.26Pa=16.16126KPa 因为10KPa〈16.16126KPa〈30KPa，故符合要求。 (2)壳程压力降迟AP0(P'+AP')FsNs 管外 0.00023 =24881.99 折流板间距：h=300mm折流板型式：25%圆缺形 折流板数"罟=罟十14 :p1=Ff°Nc(NB+1)二2 :.P\=0.5524881.99'0'228 (14+1)23 22 =7

9、538.35Pa 也p2=Nb(3.5- 2h厂u。2D)2 =20(3.5- 2)0.6 对于液体Fs=1.15 ，其中F=0.5,f0=5Re°228,Nc=23。代入数值得: =3075.01PaSAP0(也P'+AP')FsNs=(7538.35+3075.01)1.15如=12205.37Pa=12.20537KPa因为10KPa〈2.20537KPa〈30KPa,故符合要求，满足设计要求3.核算总传热系数 （1）.计算管程对流传热系数aiNu=0.023Re0.8Prnai=0023A（dup）悶（Cp卩）n dig入 自来水被加热，n取0.4,代入数值： ”

10、0.0/40.e50.7匍6e9W.0=°4097第w/（m.k） 0.0150.0007420.6248 （2）计算壳程对流传热系数a0（Kern法）计算壳程当量直径 de和流速U0，管子为三角形 4(3t22 JT 4® 0.0252——0.0192)24 二d° 心0.019 -0.01727m A=h(D -Ncd0)=0.3(.6-23.019)=0.0489m2 qv0 14001000 qm0 0.53m/s AA0 U0=—- 因为0.2<0.53<1.5m/s,所以满足要求。 Nu=0.36ReRe0.55 LL Pr1/3

11、()0.14 。物料被冷却, LL 0.14取0.95，将数值代入上式: CpJ J.0.14 010、°55=0.36-( 0.01727 0.00023 (242&34°.00023)130.95 0.1047 =947.726w/(m2k) 根据冷热流体的性质及温度，在(GB151-99P140-141选取污垢热阻尺。和&Rdi=0.0001m76km/Rdo=O.OOOim7&m/ 计算总传热K丄二丄_-虫-Rdi如二b_-虫•农0•丄其中Ka。didi扎dma。 -的确定： Tsm=1/2(Tmtm)，查表，得到=51.54wM二_k」 dm

12、 d°-di 0.019—0.015 二0.0169m 泌 ,0.019 In di 0.015 1 1 0.019 0.019 1 1 = x+0.000176x十x 0.000176 K 4197.87 0.015 0.0169 947.726 解出k'=555.74w/(m2k) (3) 由k'计算传热面积S' S'二 Q K：tm折 973473.映&49m6 ⑹因为宁严爲；4946。903”9.04—19^4%<25乳所选换热 器能完成任务。 设计结果，选用固定管板式换热器，型号为G600II—1.0—110