循环水冷却器.docx
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循环水冷却器
化工原理课程设计
设计题目:
循环水冷却器设计
设计时间：
2013.6.23-2013.7.1
设计班级：
食安班
设计者：
学号：
2010
指导教师：
设计成绩：
目 录
化工原理课程设计任务书
1.设计任务书
设计题目：
循环水冷却器设计
设计条件：
1.设备处理量：
74T/h。
2.循环水：
入口：
55℃，出口：
40℃。
3.冷却水：
入口：
20℃，出口：
30℃。
4.常压冷却，热损失：
5%。
5.两侧污垢热阻0.00017m2·℃/w。
6.初设K＝900w/m2·℃。
设计要求：
1.设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书。
2.根据所选换热器画出设备装配图。
2.设计摘要
传热过程是因温度差而产生热量从高温区向低温区的转移。
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。
化工生产过程中存在的极其普遍的过程，实现这一过程的换热设备，却种类繁多，样式多样。
按换热设备的传热方式划分主要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。
虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单，制造容易等特点，但由于在换热过程中，有高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使在应用上受到限制。
因此工业上所有的换热设备工业上所有的换热设备以间壁式换热器居多。
管式换热器的类型也是多种多样的，从其结够上大致可分为管式换热器和板式换热器。
管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括板式、螺旋板式、板壳式换热器。
不同类型的换热器各有自己的优点和使用条件。
其中以列管式换热器应用的更为广泛。
烈管式换热器的类型是多种多样，列管式换热器可以分为固定管板式、U形管式和浮头式等。
在这次实验设计中我们选择的是固定管板式换热器。
它单位体积的传热面积极大，结构简单，加工制造比较容易，结构坚固，性能可靠，适应面广。
在现代的化工生产中应用最为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上比较成熟。
本设计是一列管换热器的设计。
该换热器应具备的功能可以将循环水由55℃冷却至40℃。
换热器所用的冷却介质是初始温度为20℃的冷水，并要求冷水出口温度为30℃。
此换热器又称循环水冷却器。
根据所给的任务，我们综合考虑。
首先确定了流体流径。
我们选择冷却水通入管内，而循环水通入管间。
其次，我们确定两流体的定性温度，由于温度引起的热效应不大，可以选择固定管板式换热器。
初算时利用暂定的总传热系数和算出的热负荷，初算换热器的换热面积，换热器的根数和长度，确定管程数。
进而我们可以查阅相关资料。
在《固定管板换热器系列标准中》，我们初步选择最接近计算值最符合的换热器，然后进行校核验算是否符合要求。
有了初步的换热器后，我们便要对其设备参数进行校核，对其附件进行选择和匹配。
包括换热器壳体、封头、管箱、管板、法兰的选用，折流板、隔板、支座形式的选用等。
在选择这些附件的同时，不仅应当使其与所选换热器能够很好的匹配，并要使换热器既造价低廉又坚固耐用，且要兼顾经济的效果。
3．主要物性参数表
3.1循环水
对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均制，故循环水的定性温度为：
t定循=（55+40）/2=47.5℃
根据定性温度，分别查处有关的物性参数如下：
密度ρh=989.1kg/m3；
比热容Cph=4.174kJ/kg·℃
导热系数λh=0.6443W/m·℃
粘度μh=0.000648Pa·s
3.2．冷却水
对于黏度较低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均制，故冷却水的定性温度为：
tm=（20+30）/2=25℃
根据定性温度，分别查处有关的物性参数如下：
密度ρi=996.9kg/m3
比热容Cpi=4.179kJ/（kg·℃）
导热系数λi=0.6083W/（m·℃）
粘度μi=0.0009025Pa·s
表1物性参数表
物性
壳程（循环水）
管程（冷却水）
符号
数据
符号
数据
密度kg/m3
ρh
989.125
ρc
996.95
比热容kJ/kg·℃
Cph
4.174
Cpc
4.179
粘度Pa.s
μh
576.05
10-6
μc
906
10-6
导热系数W/m·℃
λh
644.3
10-3
λc
608.25
10-3
进口温度℃
T1
55
t1
20
出口温度℃
T2
40
t2
30
4估算传热面积
4.1换热器的热负荷：
=74000×4.174×（55-40）×95%
=4.401×106kJ/h
=1222.5kw
4.2平均传热温差（对流传热）：
4.3冷却水用量：
4.4传热面积：
由已知K=900W/m2·℃。
考虑到估计性质的影响，根据经验范围，取实际传热面积为估计值的1.15倍。
S=60.59×1.15=69.68m2
5.工程结构尺寸
5.1管径和管程流速：
选用
25×2.5传热管，取内管流速1.2m/s
5.2管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程管传热管数
所以ns=78（根）
按单管程计算，传热总管长度为：
现在取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为：
传热管总根数：
N=78
2=156（根）
5.3．平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
按单壳程双管程结构，查表得：
ε△t=0.81
平均传热温差：
由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大故取单壳程合适。
5.4．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，隔板两侧采用正方型排列，取管心距t=1.25d
则t=1.25×25=31.25≈32（mm）
隔板中心到离其最近一排管中心距离:
s=t/2+6mm
=32/2+6=22mm
隔板两侧相邻管心距为：
αc=2s=44mm
通过管束中心线的管数：
5.5壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为：
圆整可取：
D=600（mm）
5.6折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内经的25%，则切去的圆缺高度为：
h=0.25×600=150（mm）
取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×600=180（mm）
可取B=200（mm）
折流板数：
5.7附件
选取拉杆直径为12mm，拉杆数量为4根，壳程入口应设置防冲挡板。
5.8接管
管程流体进出口接管：
取接管内冷却水流速为：
u=2m/s
则接管内径：
壳程流体进出口接管：
取接管内循环水流速为：
u=2m/s
即接管内径；
所以取标准管：
壳程接管：
φ127×4.5，管程接管：
φ146×4.5。
经校核,符合标准
6.换热器的核算
6.1传热能力核算
6.1.1管程传热膜系数：
αi=0.023Re0.8Pr0.4λi/di
管程流速截面积：
管程流体速度：
6.1.2污垢热阻和管壁热阻
污垢热阻：
Rsi=0.00017（m2℃）/W
Rso=0.00017（m2℃）/W
管壁导热系数：
λ=50W/m·℃
6.1.3壳程对流传热膜系数：
当量直径：
壳程流通面积：
粘度校正
6.1.4总传热系数K
6.1.5传热面积：
实际传热面积：
面积裕度：
6.2换热器内流动的流动阻力
6.2.1管程流动阻力：
由Re=26510.36,传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得λi=0.0322w/m·℃μi=1.2m/sρ=996.9kg/m3,所以
△P1=0.033×（6/0.02）×（1.22×996.9/2）=6933.64Pa
△P2=ξρμ2/2=3×996.9×1.22/2=2153.304Pa
∑△Pi=（6933.64+2153.304）×1.5×2=27260.832Pa
管程流动阻力在允许范围之内。
6.2.2壳程阻力：
Σ△P0=（△P1'+△P2'）FtNsFt=1.15Ns=1
流体经管束的阻力：
△P1'=Fƒ0nc（NB+1）ρμ2/2
F=0.5ƒ0=5×24178-0.228=0.501
nc=1.1N0.5=1.1×1560.5=13.74
NB=29μ0=0.792m/s
△P0=0.5×0.501×13.74×（29+1）×0.7922×989.1/2=32031.4Pa
流体经过折流板缺口的阻力损失：
△P2=NB（3.5-2B/D）μ2ρ/2B=0.20D=0.60
△P2=29（3.5-2×0.2/0.6）×0.7922×989.1/2=25489.2Pa
总阻力损失：
△P总=32031.4+25489.2=57520.6Pa
壳程流动阻力在允许范围内。
7.换热器主要结构尺寸和计算结果表
管程
壳程
流率kg/h
74000
1108680.6
温度℃进/出
20/30
55/40
压力MPa
<1.6
<1.6
物
性
定性温度℃
25℃
47.5℃
密度kg/m3
996.9
989.1
热容kJ/（kg.℃）
40719
4.174
粘容Pa.s
90.25×10-5
64.8×10-5
导热系数W/（m℃）
60.83×10-5
64.43×10-5
普兰特数
6.32
3.74
设
备
结
构
参
数
型式
固定管板式
台数
1
壳体内径mm
600
壳层数
1
管径
Φ25×2.5
管心距
32
管长
6000
管子排列
△
管数目（根）
156
折流板数
29
传热面积m2
62.20
折流板距
200
管程数
2
材质
碳钢
接管壳程内径
Φ127×4.5
接管管程内径
Φ146×4.5
主要计算结果
管程
壳程
流速m/s
0.995
0.792
传热膜系数w/m2·℃
4317.1
4819.3
污垢热阻m2·℃/w
0.00017
0.00017
阻力损失
0.019
0.025
热负荷kw
1222.5
传热温差℃
18.38
传热系数w/m2·℃
1069.4
裕度
18.14％
8.零件参数
8.1壳体壁厚
S，c=PDi/2[&]tΦ-P=1.6×600/2×113×0.9-1.6=4.76mm
C=1.24mm
Sc=Sc+C=6mm
8.2接管法兰
Dg
管子
平焊法兰
螺栓
焊缝
dH
S
D
D1
D2
f
b
d
重量（kg）
数量
直径
K
H
125
133
4
235
200
178
3
10
18
1.98
8
M16
5
6
150
159
4.5
260
225
202
3
12
18
2.62
8
M16
5
6
8.3设备法兰
Dg
D
D
D
D
D
b
a
a
d
规格
数量
法兰重量
600
730
690
655
645
643
40
15
13
23
M20
28
35.1
8.4封头管箱
封头：
以外径为公称直径的椭圆形封头
公称直径Dg
曲面高度h1
直边高度h2
内表面积F（m2）
容积v（m3）
600
150
40
0.464
0.396
8.5设备法兰垫片（橡胶石棉板）
公称直径Dg
垫片内径d
公称压力F（m2）
垫片外径D
600
615
16
655
8.6管法兰用垫片
法兰公称压力Mpa
介质温度
密封面型式
垫片名称
材料
冷却水
≤1.6
≤60
光滑
橡胶垫片
橡胶板
循环水
≤1.6
≤60
光滑
橡胶垫片
橡胶板
8.7管板
管板厚度30，长度666，材料为16MnR。
8.8支垫（鞍式支座）
公称直径Dg
每个支座允许负荷t
b1
L
B
l
K1
b
m
重量（kg）
600
36.8
180
550
120
260
420
90
220
26.3
8.9设备参数总表
序号
图号标准
名称
数量
材料
单重（kg）
总量（kg）
1
LNQ-001-3
前瑞管箱
1
组合件
84.5
2
HG20592
法兰PL100-1.0RF
2
Q235-B
2.62
5.24
3
GB8163-87
接管Φ108X5L=160
2
Q235-B
4
LNQ-001-2
折流板
29
Q235-A
7.5
217.5
5
筒体DN127X4.5
1
Q235-B
278
6
LNQ-001-2
拉杆
4
Q235-B
4.2
16.8
7
GB/T6170
螺母M16
8
4级
0.04
0.32
8
LNQ-001-3
法兰
1
20II
87
9
垫片Φ642/Φ600S=3
4
石棉橡胶板
0.3
10
JB/T4701-2000
法兰-FM600-1.0
1
Q235-B
40.8
11
筒体DN600X8L=140
1
Q235-B
16.8
12
JB/T4746-2002
封头EHA600X5
1
Q235-B
17
13
GB/T14976
换热管Φ25X2.5，L=6000
156
0Cr18Ni9
3.4
530.4
14
JB/T4712-92
支座500-S
2
Q235-A/Q235-B
26.3
15
JB/4701-2000
法兰-FM500-1.0
1
Q235-B
29.5
16
SYJ11-65
垫片
2
橡胶板
0.15
0.3
17
LNQ-001-3
防松吊耳
2
Q235-B
0.08
0.16
18
LNQ-001-2
管板
1
16MnR
65
19
GB/T6170
螺母M20
128
6级
0.064
8.2
20
JB/T4707
螺栓M20x150-A
62
6.8级
0.33
20.46
21
SYJ11-65
垫片
1
橡胶板
0.3
9.学习体会与收获
这大三这学期有机会在老师的帮助下和同学一起设计化工原理课程设计感到很有压力，这次设计中我的收获很多，学习到了以前在书本上没有学到的知识和技巧.真正的将理论联系到了实际当中。
认识到了实践的重要性，也感觉到了经验的重要性。
在这两周的学习中在理论的基础上了解了怎样设计换热器，并将所学的付诸于实际设计当中。
在设计的过程中我们认真的查阅相关的资料，了解相关的知识，培养了自学的能力。
通过这次设计实践我真正体会到了理论要结合实际才会发挥价值。
而且我也认识到了我的不足，在设计的过程中发现自己对学习化工原理基础并没有深刻的了解。
对知识的运用不够熟练，同时也了解到自己缺乏耐心，这些方面都需要以后进行加强。
在循环水冷却器设计过程中，我感觉我的理论运用能力得到了提升。
我们需要掌握了查阅资料、选用公式和搜集数据的能力。
并树立了既考虑技术上的可行性，也注意到操作是的正确设计思想，在这种的设计思想下去分析解决实际问题的能力，还要培养了迅速准确的进行工程计算的能力，学会用简洁的文字，清晰的图案来表达自己的设计思想的能力。
这次的设计实验过程中我们组一共是五个人，大家是分工协作，培养了大家的合作精神。
我们在设计中都非常的认真配合的也很有默契。
我们在一起互相帮助互相学习。
共同探讨我们不会的地方。
我们也共同去思考更有创意的设计。
共同的进步，共同的享受我们成功的喜悦让我真正的体会了理论是要结合实际才能发挥价值。
但是没有好的理论基础在实践中的困难也会很多很多。
通过这次的设计实验我也找到了自己的不足，在设计的过程中发现自己对学习化工原理基础并没有深刻的了解。
对知识的运用不够熟练，同时也了解到自己的还没有耐心。
在设计中常常表现急躁多亏有大家的帮助，在这方面我还需要加强。
在设计的过程中使自己认识到了自己的不足，从而提高自己，完善自己。
10．参考文献
[1]天津大学.《化工原理》.天津:
天津科学技术出版社，1990.
[2]魏崇关,郑晓梅.《化工工程制图》.北京:
化学工业出版社，1992.
[3]《化工设备结构图册》编写组，《化工设备结构图册》.上海:
上海科学技术出版社，1978.
[4]柴诚敬，刘国维，李阿娜.《化工原理课程设计》.天津:
天津科学技术出版社，1994.
[5]Perry化学工程手册.
[6]华南理工大学.《化工过程及设备设计》.广州:
华南理工大学出版社，1986.
[7]刁玉玮，王立业编.《化工设备机械基础》.大连:
大连理工大学出版社，1989.
[8]中华人民共和国化学工业部工程建设标准《钢制管法兰，垫片，坚固件》（1991-12）化学工业出版社.
[9]《钢制列管式固定管板式换热器结构设计手册》1994.11.7.
[10]《化工设备设计手册材料与零部件》上海人民出版社.
[11]姚玉英主编《化工原理》（上）天津大学出版社.
[12]大连理工大学教研室编.《化工原理课程设计》大连理工大学出版社，1994，7.
[13]夏清主编《化工原理》（上）天津大学出版社2005，1.
[14]齐齐哈尔大学化工原理教研室编.《化工原理课程设计》.
[15]谭天恩，麦本熙，丁惠华.化工原理（上册）.第2版.北京：
化学工业出版社，1990.
11.重要符号说明
Q——热负荷KJ/h
mi——热流体质量流速KJ/h
Cpi——热流体比热容KJ/（kg℃）
Cpi——冷流体比热容KJ/（kg℃）
di——传热管的内径m
do——传热管的外径m
de——当量直径m
D——公称直径m
K——选取的传热系数
t1——冷流体进口温度
t2——冷流体出口温度
T1——热流体进口温度
T2——热流体出口温度
R——平均温差校正系数的参数
Ft——温度校正系数
Tm——平均温差
L——单程管长m
Np——单程数
N——总管数
D——公称直径m
P——公称压力Mpa
ai——管程传热膜系数
Vs——热流体体积流速
ui——管程流速m/s
Rei——管程雷诺准数
ao——壳程传热膜系数
h——折流板间距m
Ao——计算传热面积m2
T——管中心距m
uo——壳程速度m/s
De——当量直径m
Reo——壳程雷诺准数
Pro——课程普兰特数
——流体在定性温度的黏度，Pa.s
——导热系数，
dm——平均管径m
Rsi——管程的污垢热阻
Rso——壳程的污垢热阻
b——壁厚m
——管程压力降Pa
——相对粗糙度mm
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