化工原理課程設(shè)計(jì)說明書---煤油冷卻器的設(shè)計(jì) (2)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù)（任務(wù)書）………………………………3</p><p>　　設(shè)計(jì)要求………………………………………………………..3</p><p>　　列管式換熱器形式及特點(diǎn)的簡述……………………………..3</p><p>　　論述列管式換熱器形式的選擇

2、及流體流動空間的選擇……..8</p><p>　　換熱過程中的有關(guān)計(jì)算（熱負(fù)荷、殼層數(shù)、總傳熱系數(shù)、傳熱面積、壓強(qiáng)降等等）…………………………………………..10</p><p>　　物性數(shù)據(jù)的確定………………………………………………14</p><p>　　總傳熱系數(shù)的計(jì)算……………………………………………14</p><p>　　傳熱面

3、積的計(jì)算………………………………………………16</p><p>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算…………………………………………16</p><p>　　換熱器的核算…………………………………………………18</p><p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果概要表（主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等等）…………22</p><p>　　主體設(shè)備計(jì)算及其說明………………………………

4、…………22</p><p>　　主體設(shè)備裝置圖的繪制…………………………………………33</p><p>　　課程設(shè)計(jì)的收獲及感想…………………………………………33</p><p>　　附表及設(shè)計(jì)過程中主要符號說明……………………………..37</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………..40</p>

5、<p>　　一、設(shè)計(jì)題目及原始數(shù)據(jù)（任務(wù)書）</p><p>　　1、生產(chǎn)能力：17×104噸/年煤油</p><p>　　2、設(shè)備形式：列管式換熱器</p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)條件：</b></p><p>　　煤油：入口溫度140oC，出口溫度40 oC</p><

6、;p>　　冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30oC，出口溫度40 oC</p><p>　　允許壓強(qiáng)降：不大于105Pa</p><p>　　每年按330天計(jì)，每天24小時連續(xù)運(yùn)行</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1、選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算</p><p

7、><b>　　2、要進(jìn)行工藝計(jì)算</b></p><p>　　3、要進(jìn)行主體設(shè)備的設(shè)計(jì)（主要設(shè)備尺寸、橫算結(jié)果等）</p><p><b>　　4、編寫設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　5、進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制（用420*594圖紙繪制裝置圖一張：一主視圖，一俯視圖。一剖面圖，兩個局部放大圖。設(shè)備技術(shù)要求、主要

8、參數(shù)、接管表、部件明細(xì)表、標(biāo)題欄。）</p><p>　　三、列環(huán)式換熱器形式及特點(diǎn)的簡述</p><p><b>　　換熱器概述</b></p><p>　　換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。</p><p&g

9、t;　　在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。</p><p>　　在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益

10、加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。換熱器按照換熱介質(zhì)不同可分為水-水換熱器和汽-水患熱器；按照工作原理不同可分為間壁式、直接接觸式、蓄熱式和熱管式換熱器。</p><p><b>　　1.表面式換熱器</b></p><p>　　又稱間壁式換熱器。是指通過傳熱表面間接加熱的換熱器。由于表面式換熱器冷熱流體傳熱時被固體

11、壁面所隔開，熱流體和冷流體通過壁面進(jìn)行熱量傳遞，所以與直接接觸式換熱器相比，換熱效率較低，常用在兩種流體不容滲混的場合。主要有管式、容積式、板式、螺旋板式等形式。</p><p><b>　　2.管式換熱器</b></p><p>　　是指由圓筒形殼體和裝配在殼體內(nèi)的帶有管板的管束所組成的管式換熱器。結(jié)構(gòu)簡單、造價低、流通截面較寬、易于清洗水垢;但傳熱系數(shù)低、占地面積

12、大。管殼式換熱器有固定管板式汽-水換熱器、帶膨脹節(jié)管殼式汽-水換熱器、浮頭式汽-水換熱器、u彩管殼式汽-水換熱器、波節(jié)型管殼式汽-水換熱器、分段式水-水換熱器等兒種類型。</p><p><b>　　3.套管式換熱器</b></p><p>　　是指由管子制成管套管等構(gòu)件組成的管式換熱器。</p><p><b>　　4.板式換熱器&

13、lt;/b></p><p>　　是指不同溫度的流體交錯在多層緊密排列的薄壁金屬板間流動換熱的表面式換熱器。主要由傳熱板片、固定蓋板、活動蓋板、定位螺栓及壓緊螺栓組成，板片之間用墊片進(jìn)行密封。由于板片表面的特殊結(jié)構(gòu)，能使流體在低流速下發(fā)生強(qiáng)烈湍動，從而強(qiáng)化了傳熱過程。板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，傳熱系數(shù)高，適應(yīng)性大，節(jié)省材料，但板片間流通截面狹窄，易形成水垢和沉積物，造成堵塞，密封墊片耐熱性差時易滲漏。此

14、種換熱器常用于供暖系統(tǒng)。板式換熱器計(jì)算時應(yīng)考慮換熱便面污垢的影響，傳熱系數(shù)計(jì)算時應(yīng)考慮污垢修正系數(shù)。</p><p>　　其中列管式換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。同時，管板式換熱器已成為高效、近臭的換熱設(shè)備，大齡的應(yīng)用于工業(yè)中。列管式換熱器的資料較為完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。&

15、lt;/p><p>　　列管式換熱器有三種類型，分別為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器和填料函式換熱器。</p><p>　　1.固定管板式：固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓

16、緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。</p><p>　　固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。</p>&l

17、t;p>　　圖1 固定管板式換熱器</p><p>　　固定管板式換熱器的特點(diǎn)是：旁路滲流較小；造價低；無內(nèi)漏。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管較多，比較緊湊；殼側(cè)層清洗困難，加上膨脹節(jié)的方法不能照到管子的相對移動。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。</p><p>　　固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較

18、低，不適用于殼程易結(jié)垢場合。</p><p>　　2.浮頭式換熱器：其兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端課相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。此種換熱器的管束不受殼體的約束，殼體與管束之間不會因?yàn)榕蛎浟康牟煌a(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。</p><p>　　特點(diǎn)：該種換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價比固定管板式要高出約</p><p>

19、;　　20％，材料的消耗量較大，浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以安裝時要特別注意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏，且管束和殼體間隙較大，設(shè)計(jì)</p><p>　　圖2. 浮頭式換熱器</p><p>　　時避免短路。該種換熱器比較適合管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。</p><p><b>　　3.U型管式換熱器</b></p>

20、<p>　　僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。</p><p>　　這類換熱器的特點(diǎn)是：管束可以自由伸縮，不會因?yàn)楣軞ぶg的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速</p><p>　　較高，傳熱性能好；承壓能力強(qiáng)；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內(nèi)清洗不變，管束中間分布的管子難以更換，管板中心部分布管不緊湊，管子數(shù)目不能太多。僅

21、適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫高壓腐蝕性強(qiáng)的情形。</p><p>　　圖3.U型管式換熱器</p><p><b>　　4.填料函式換熱器</b></p><p>　　此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。</p><p>　　特點(diǎn)為它的管束也可以自由膨脹，所以

22、管殼間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼程都能清洗。造價較低、加工制造簡便，材料消耗較少。填料密封處于泄露，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。</p><p>　　四、論述列管式換熱器形式的選擇及流體流動空間的選擇</p><p><b>　?、贀Q熱器形式的選擇</b></p><p>　　本次任務(wù)中兩流體的溫度變化：煤油熱

23、流體進(jìn)口溫度為140℃，</p><p>　　出口溫度為40℃；冷卻介質(zhì)水的進(jìn)口溫度為30℃，出口溫度為40℃。</p><p>　　該換熱器用自來水作冷卻介質(zhì)，受環(huán)境影響，進(jìn)口溫度會降低，由此可知該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，有上一步驟中對換熱器形式及特點(diǎn)的陳述，課選用固定管板式換熱器。</p><p>　?、诹黧w流動空間的選擇</p>&l

24、t;p>　　在管殼式換熱器的計(jì)算中，首先要決定何種流體走管程，何種流</p><p>　　體走殼程，這需遵循一些一般原則。</p><p>　?、逡擞谕ㄈ牍軆?nèi)空間的流體</p><p>　　不清潔的流體：因?yàn)樵诠軆?nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間便于清洗；</p><p>　　體積小的流體：管內(nèi)空間的流動

25、截面往往要比管外空間的截面要小，流體易于獲得理想的流速，而且也便于做成多程流動。</p><p>　　有壓力的流體：管子承壓能力強(qiáng)，而且還簡化了殼體密封要求。</p><p>　　與外界溫差大的流體：可以減少熱量的逸散。</p><p>　　㈡宜于通入管間的流體</p><p>　　當(dāng)兩流體溫度相差較大時，α值大的流體走管間，這樣可以減少管壁

26、與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應(yīng)力可以降低。</p><p>　　若兩流體給熱性能相差較大時，α值霄的流體走管間，此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。</p><p>　　黏度大的流體，管間的截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大。</p><p>　　泄漏后危險(xiǎn)大的流體，可以減少泄露機(jī)會，以

27、保安全。</p><p>　　根據(jù)所查得的資料，不潔凈或易于結(jié)垢的物料應(yīng)流經(jīng)易于清洗的</p><p>　　一側(cè)，對于直管一般走管內(nèi)；溫度較高的物料宜走管內(nèi)一減少熱損失，但要求被冷卻的流體走殼程、黏度大的走殼程，且循環(huán)水易于結(jié)垢，所以使水走管程，煤油走殼程。</p><p>　　③流體流速的選?。簱Q熱器常用流速的范圍如下表</p><p>　

28、　表一 換熱器常用流速的范圍</p><p>　　由上表可得管內(nèi)循環(huán)水流速范圍為1m/s-2m/s，現(xiàn)取管內(nèi)流速1.0m/s。</p><p><b>　?、軗Q熱管規(guī)格的選取</b></p><p>　　換熱管規(guī)格及排列形式如下表所示</p><p>　　表二 換熱管規(guī)格及排列形式</p><

29、;p>　　選用φ25×2.5碳鋼管。</p><p>　　五、過程中的有關(guān)計(jì)算（熱負(fù)荷、殼層數(shù)、總傳熱系數(shù)、傳熱面積、壓強(qiáng)降等等）</p><p>　　列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　設(shè)計(jì)步驟</b></p><p>　　目前，我國已經(jīng)制訂了管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用系列

30、化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這樣可簡化設(shè)計(jì)和加工。但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求而自行設(shè)計(jì)非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。兩者的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：</p><p>　　1.非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般設(shè)計(jì)步驟</p><p>　?、×私鈸Q熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能。</p><p>　?、⒂蔁崞胶庥?jì)算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。<

31、;/p><p>　?、Q定立體通入的空間。</p><p>　?、び?jì)算流體的定性溫度，一確定流體的物性數(shù)據(jù)。</p><p>　?、コ跛阌行骄鶞夭睢Ｒ话阆劝凑漳媪饔?jì)算，然后再校核。</p><p>　?、x取管徑和管內(nèi)流速。</p><p>　?、в?jì)算傳熱系數(shù)K值，包括管程對流傳熱系數(shù)和殼程對流傳熱系數(shù)的計(jì)算。由于殼程對

32、流傳熱系數(shù)與殼頸、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此一般先假定一個殼程對流傳熱系數(shù)，以計(jì)算K值，然后再校核。</p><p>　?、ǔ豕纻鳠崦娣e?？紤]安全系數(shù)和初估性質(zhì)，因而常取實(shí)際傳熱面積是計(jì)算值的1.15-1.25倍。</p><p><b>　?、窆荛LL。</b></p><p>　?、?jì)算管數(shù)N并校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。</p>&

33、lt;p>　　Xi校核對流傳熱系數(shù)及有效平均溫差；校核傳熱面積，應(yīng)有一定安全系數(shù)，否則需要重新設(shè)計(jì)。</p><p>　　Xii計(jì)算流體流動阻力。如果阻力超過允許范圍，需要調(diào)整設(shè)計(jì)，直至滿意為止。</p><p>　　2.系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器選用的設(shè)計(jì)步驟</p><p><b>　?、≈立ヅc1相同。</b></p><p&

34、gt;　?、⑦x取經(jīng)驗(yàn)的傳熱系數(shù)K值。</p><p><b>　　ⅲ計(jì)算傳熱面積。</b></p><p>　　ⅳ由系列標(biāo)準(zhǔn)選取換熱器的基本參數(shù)。</p><p>　　ⅴ校核傳熱系數(shù)，包括管程、殼程對流傳熱系數(shù)的計(jì)算。假如核算的K值與原選擇的經(jīng)驗(yàn)值相差不大，就不再進(jìn)行校核；如果相差較大，則需重新假設(shè)K值并重復(fù)上述ⅱ一下步驟。</p>

35、<p>　?、π：擞行骄鶞夭?。</p><p>　?、：藗鳠崦娣e，使其有一定的安全系數(shù)，一般安全系數(shù)取1.1-1.25，否則需要重新設(shè)計(jì)。</p><p>　?、ㄓ?jì)算流體流動阻力，如果超過允許范圍，需重新選換熱器的基本參數(shù)再行計(jì)算。</p><p>　　由此可知，換熱器的傳熱設(shè)計(jì)，實(shí)際上是一個反復(fù)試算的過程，有時需要反復(fù)試算2-3次。所以換熱器設(shè)計(jì)

36、計(jì)算帶有試差性質(zhì)。</p><p><b>　　傳熱計(jì)算的主要公式</b></p><p>　　傳熱速率方程式 Q=KSΔtm</p><p>　　式中Q—傳熱速率（熱負(fù)荷）,W；</p><p>　　K—總傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p>　　S—與K值對應(yīng)的傳熱面積，m2；&l

37、t;/p><p>　　Δtm—平均溫度差，℃。</p><p>　　1.傳熱速率（熱負(fù)荷）Q</p><p>　　傳熱的冷熱流體均沒有相變化，且忽略熱損失，則</p><p>　　式中 W---流體的質(zhì)量流量，kg/h；</p><p>　　--定壓比熱容，kJ/（kg?℃）；</p><p>　　

38、T—熱流體的溫度，℃；</p><p>　　t—冷流體的溫度，℃；</p><p><b>　　流體有相變化時，則</b></p><p>　　式中 W—飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h；</p><p>　　r—飽和蒸汽的汽化熱，/kg/kJ。</p><p><b>　　平均溫度差Δtm

39、</b></p><p>　　恒傳熱時的平均溫度差Δtm=T-t</p><p><b>　　變溫傳熱的溫度差</b></p><p><b>　　逆流和并流</b></p><p>　　式中Δt1、Δt2換熱器兩端熱冷流體的溫度差，℃。</p><p><

40、b>　　錯流和折流</b></p><p>　　設(shè)計(jì)過程中的具體計(jì)算：</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　—按逆流計(jì)算的平均溫度差，℃</p><p>　　--溫差校正系數(shù)，無量綱，</p><p><b>　　總傳熱系數(shù)K</b>

41、;</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　K—總傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p>　　--傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p>　　--傳熱管內(nèi)外側(cè)表面上的污垢熱阻，m2?℃/W；</p><p>　　--傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直

42、徑，m；</p><p>　　--傳熱管比導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p><b>　　b—管壁厚度，m。</b></p><p>　　①物性數(shù)據(jù)的確定：定性度取流體進(jìn)口溫度平均值</p><p>　　殼程煤油的定性度：T==90℃</p><p>　　管程流體的定性溫度：t==35℃

43、</p><p>　　根據(jù)定性溫度，可以查取管程和殼程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。</p><p>　　煤油在90℃下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　密度：ρ0=825kg/m3</p><p>　　定壓比熱容：cp0=2.22kJ/（kg?℃）</p><p>　　導(dǎo)熱系數(shù)：λ0=0.140W/（m2?℃）</p&g

44、t;<p>　　粘度：μ0=0.000715Pa?s</p><p>　　循環(huán)冷卻水在35℃下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　密度：ρi=994kg/m3</p><p>　　定壓比熱容：cpi=4.08kJ/（kg?℃）</p><p>　　導(dǎo)熱系數(shù)：λi=0.626W/(m2?℃)</p><p>

45、　　粘度：μi=0.000725Pa?s</p><p><b>　?、诳倐鳠嵯禂?shù)的計(jì)算</b></p><p>　　1.熱流量：m0=17×104×103/(330×24)=2.15×104(kg/h)</p><p>　　Q0= m0CoΔto=2.15×104×2.2×

46、（140-40）=4.773×106kJ/h=1325.8kw2.平均傳熱系數(shù):</p><p>　　=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=[(140-40)-(40-30)]/ln[(140-40)/(40-30)]=39(°C)</p><p><b>　　3.冷卻水用量：</b></p><p>　　Wi =

47、Q0/(C iΔti)= 4.773×106/[4.08×(40-30)]=1.175×105kg/h</p><p><b>　　4.總傳熱系數(shù)K</b></p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　=4805.2 W/（m2?℃）</p><p

48、>　　殼程傳熱系數(shù)α0=290W/（m2?℃）</p><p><b>　　污垢熱阻</b></p><p>　　表二 流體的污垢熱阻</p><p><b>　　由上表可得：</b></p><p>　　Rsi=0.000344m2℃/W</p><p>　　Rs

49、0=0.000172 m2℃/W</p><p>　　管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45.3W/（m?℃）</p><p><b>　?、蹅鳠崦娣e的計(jì)算</b></p><p>　　S丿==148.6（m2）</p><p>　　又需要考慮15％的面積裕度S=1.15×148.6=170.89 （m2）</p>

50、<p>　?、芄に嚱Y(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算</p><p>　　1.選用的是φ25×2.5的傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.0m/s</p><p><b>　　管程數(shù)和傳熱管數(shù)</b></p><p>　　2.由傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>　　ns=</b

51、></p><p>　　按單程關(guān)計(jì)算所需傳熱管的長度</p><p><b>　　L=（m）</b></p><p>　　單程管計(jì)算，傳熱管過長，采用多管程結(jié)構(gòu)。取l=4.5m，則換熱器的程數(shù)為</p><p>　　傳熱管總根數(shù)N=4×104=416(根)</p><p>　　3.

52、平均傳熱溫差及校正殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p><b>　　R==10</b></p><p><b>　　P==0.091</b></p><p>　　按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表可得</p><p><b>　

53、　φΔt=0.82</b></p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　Δtm=φΔt=0.82×39=32（℃）</p><p>　　4.傳熱管的排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列方法，即每程內(nèi)均按正三角形排列。取管心距t=1.25d0，則</p>

54、;<p>　　t=1.25×25=31.25≈32（mm）</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p>　　nc=1.19=1.19=24(根)</p><p><b>　　5.殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，則殼體內(nèi)徑為</p&g

55、t;<p>　　D=1.05t,取D為800</p><p><b>　　6.折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25﹪，則切去圓缺高度h=0.25×800=200（mm）</p><p>　　取折流板間距B=0.3D,則</p><p>　　B=0

56、.3×800=240（mm），可以取B為300mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)NB=</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　7.接管</b></p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑為</

57、p><p><b>　　d=m</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm</p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p><b>　　d=m</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為160mm。</p>

58、;<p><b>　　換熱器的核算</b></p><p>　　1.殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺型折流板，課采用克恩公式</p><p>　　當(dāng)量直徑，有正三角形排列的</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p>

59、;<p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　2.管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)</p><p>

60、;<b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　3.傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　4.傳熱面積</b></p><p>　　該換熱器的實(shí)際傳熱面積</p><p>　　由前面所得D=800,B=300,且取管長l為4.5m時，查國標(biāo)得換熱器實(shí)際傳熱

61、面積應(yīng)為148.5m2，則</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p><p><b>　　換熱器內(nèi)流動阻力</b></p><p><b>　　1.管程流動阻力</b></p><p>　　由Re=27695，傳熱管相對粗糙度為0.005，查莫狄圖得</p><p>

62、　　=0.033W/(m?℃)，流速ui=1.01m/s，ρ=994kg/m3</p><p>　　管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)，小于105Pa。</p><p><b>　　2.殼程流動阻力</b></p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p><b>　　F=0

63、.5，</b></p><p>　　NB=14, =0.138</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p>　　B=0.3m, D=0.8m</p><p><b>　　總阻力</b></p><p>　　殼程流動阻力也小于105Pa，符合要求。</p>

64、<p>　　六、設(shè)計(jì)結(jié)果概要表（主要設(shè)備尺寸及衡算結(jié)果）</p><p>　　七、主體設(shè)備計(jì)算及其說明</p><p><b>　　1.工藝條件</b></p><p><b>　　2.封頭的選擇</b></p><p>　　上下兩封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4737-200

65、2標(biāo)準(zhǔn)，封頭為：。如圖所示，材料選用20R鋼。下封頭常與裙座焊接，h2=50mm，材料選用20R鋼。</p><p><b>　　3.管板尺寸確定</b></p><p><b>　　管板結(jié)構(gòu)如下：</b></p><p>　　由于固定管板式換熱器管板計(jì)算十分復(fù)雜，需要綜合考慮多種因素，考慮到本次設(shè)計(jì)時間并不太充裕，故計(jì)算

66、從略，僅采用下表選取。</p><p><b>　　4.換熱管的選擇</b></p><p>　　選用的是φ25×2.5的碳鋼管，通過上述計(jì)算定為四管程結(jié)構(gòu)，且公稱直徑D=800mm。換熱管排列圖如下：</p><p>　　我們計(jì)算所用換熱管數(shù)為416根。</p><p><b>　　5.管板與管子連

67、接</b></p><p>　　管子與管板的連接方式主要有以下三種：a脹接；b焊接；c脹焊接. 脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會引起不良后果的情況，特別適用于材料可焊性差（如碳鋼換熱管）及制造廠的工作量過大的情況。由于脹接管端處在焊接時產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的升高，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用，所以脹接結(jié)構(gòu)受到壓力和溫度的限制，一般適用于設(shè)計(jì)壓力≤4Mpa

68、，設(shè)計(jì)溫度≤300度，并且在操作中無劇烈地震動，無過大的溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕；焊接連接具有生產(chǎn)簡單、效率高、連接可靠的優(yōu)點(diǎn)。通過焊接，使管子對管板有較好的增將作用；并且還有可降低管孔加工要求，節(jié)約加工工時，檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)優(yōu)先采用。此外，當(dāng)介質(zhì)毒性很大，介質(zhì)和大氣混合易發(fā)生爆炸介質(zhì)有放射性或管內(nèi)外物料混合會產(chǎn)生不良影響時，為確保接頭密封，也常采用焊接法。焊接法雖然優(yōu)點(diǎn)甚多，因?yàn)樗⒉荒芡耆苊狻翱p隙腐蝕”和焊接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力腐蝕，

69、而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可靠的焊縫。焊接法雖然較脹接可以乃更高的溫度，但是在高溫循環(huán)應(yīng)力的作用下，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，列管與管孔存在間隙，當(dāng)受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕時，以會加速接頭的損</p><p>　　6.管箱的選擇DN≤400mm為平蓋管箱；500mm≤DN≤800mm為平蓋管箱和封頭管箱，推薦使用封頭管箱；DN≥900mm，選擇封頭管箱。</p><p>　?。?）管箱接管位置

70、最小尺寸，如圖所示。</p><p><b>　　可按下列公式計(jì)算：</b></p><p><b>　　帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管</b></p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管</b></p><p&

71、gt;<b>　　mm</b></p><p>　　上面兩式中取C≥4S(S為管箱殼體厚度，mm)且≥30mm。</p><p>　?。?）殼程接管位置最小尺寸，如下圖。</p><p><b>　　按下列公式計(jì)算：</b></p><p><b>　　帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管</b>&l

72、t;/p><p><b>　　不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管</b></p><p>　　L1/L2-------殼程管箱接管位置最小尺寸，mm；</p><p>　　C-----------補(bǔ)強(qiáng)圈外邊緣（無補(bǔ)強(qiáng)圈時，為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體鏈接焊縫間的距離，mm；</p><p>　　---------接管外徑，mm；</p

73、><p>　　---------補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm。</p><p>　　3.折流板間距S---------補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm。</p><p>　　換熱器折流板間距S見下表</p><p><b>　　表三 折流板間距</b></p><p><b>　　7.定距管</b>

74、;</p><p>　　根據(jù)GB/T8163-2008流體輸送用無縫鋼管，采用Φ25×2.5的定距管。</p><p>　　常用拉桿有兩種形式，見下圖。</p><p>　　a、拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束；</p><p>　　b、拉桿與折流板為點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，l1≥

75、d；</p><p>　　c、當(dāng)官板較薄時，也可采用其他鏈接形式。</p><p>　　本換熱器采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。</p><p>　　6.拉桿的選擇及數(shù)量</p><p>　　常用的拉桿結(jié)構(gòu)有：拉桿定居管結(jié)構(gòu)與拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)。查換熱器手冊可得下表：</p><p>　　表四 拉桿的直徑和數(shù)量</p&g

76、t;<p>　　由公稱直徑可以確定拉桿直徑為12。</p><p><b>　　8.支座的選取</b></p><p>　　公稱直徑D≥800mm的換熱器，至少需要兩個支座；公稱直徑D≥900mm的換熱器，需要四個支座。支座在換熱器上的位置，應(yīng)根據(jù)工藝安裝的要求來確定。其位置尺寸，一般按以下原則來確定。</p><p>　　（1）

77、L≤30000mm時，取LA=(0.4-0.6)L;</p><p>　　L＞30000mm時，取LA=(0.5-0.7)L;</p><p><b>　　且LB≈。</b></p><p>　?。?）LB必須滿足殼程接管焊縫與支座焊縫間之距離要求，即</p><p>　　其中各個字母意義如圖所示</p>

78、<p>　　式中：的數(shù)值，按JB1167-81中的B型，其值如下表</p><p>　　表五 的數(shù)值表 單位：mm</p><p>　　所查手冊按LA≈0.6L，并使LB滿足上式的要求來確定LA和LB。</p><p>　　9.計(jì)算每四根管子之間的面積f：</p><p>　　則f=3.959×1

79、0-4。脹接長度l1取管板厚度減3mm，即l1=40-3=37mm。所以在操作條件下，每平方米焊接周邊所產(chǎn)生的力qp則</p><p>　　所以qp=13641Pa</p><p>　　計(jì)算管子中的溫差應(yīng)力：</p><p><b>　　=0.078m2</b></p><p><b>　　=0.025 m2&

80、lt;/b></p><p>　　彈性模量E：E=0.21×106Mpa；膨脹系數(shù)κ：κ=11.8×10-6</p><p><b>　　所以有：</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)有：=6.616×106Pa</p><p>　　溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米焊接周邊上的拉脫力：</

81、p><p>　　所以=1488.604Pa</p><p>　　由已知條件可知和作用方向相同，都是管子受壓，則和拉脫力為：</p><p><b>　　q=+</b></p><p>　　q==15129.6</p><p>　　因管端卷邊或管板開槽焊接，則需用拉脫力為=4.0Mpa，</p&g

82、t;<p>　　管板與換熱管的許用拉脫力如下表</p><p>　　表六 許用拉脫力</p><p>　　因此拉脫力在需用范圍之內(nèi)。</p><p>　　10.殼體厚度的確定</p><p>　　計(jì)算得殼體內(nèi)徑D=800mm，差標(biāo)準(zhǔn)尺寸如下</p><p>　　表七 殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸</p>

83、;<p>　　殼體厚度選用12mm。</p><p>　　11.計(jì)算是否需要安裝膨脹節(jié)</p><p>　　膨脹節(jié)是裝在固定板換熱器上的撓性元件，對于管子與殼體的膨脹變形差進(jìn)行補(bǔ)償，以此來消除或減小不利的溫差應(yīng)力。</p><p>　　管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力：</p><p>　　2.817×105N</p&

84、gt;<p><b>　　2.94×104N</b></p><p>　　壓力作用于殼體上的軸向力：</p><p><b>　　6.02×103N</b></p><p>　　壓力作用于管子上的軸向力：</p><p>　　=3.129×104N<

85、/p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　2.1×107N</b></p><p>　　-6.35552.1×10-6N</p><p>　　根據(jù)《鋼制管殼式換熱器的設(shè)計(jì)規(guī)定》，兩項(xiàng)小于操作條件下的，故本設(shè)計(jì)的換熱器不需要安裝膨脹節(jié)。</p>

86、<p>　　通過對主題設(shè)備進(jìn)行的計(jì)算，有國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選取各個零部件的到匹配表如下.</p><p>　　通過以上設(shè)計(jì)，根據(jù)GB/T539，選用耐油石棉橡膠板作為墊片。</p><p>　　八、主題裝置圖的繪制（見A1圖紙）</p><p>　　九、附表及設(shè)計(jì)過程中主要符號說明；</p><p>　　表八 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算結(jié)

87、構(gòu)</p><p>　　表九 列管式換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值</p><p>　　表十 常見流體污垢熱阻</p><p><b>　　主要符號說明</b></p><p><b>　　P——壓力，Pa </b></p><p>　　R——熱阻，㎡·℃/W；&

88、lt;/p><p>　　S——傳熱面積，㎡；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃；</p><p>　　——實(shí)際傳熱面積， </p><p>　　V——體積流量N——管數(shù)</p><p>　　D——?dú)んw內(nèi)徑d——管徑</p><p>　　Q——傳熱速率，W；</p><p&

89、gt;<b>　　Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)；</b></p><p>　　t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　u——流速，m/s;</p><p>　　m——質(zhì)量流速，㎏/h;</p><p>　　——對流傳熱系數(shù)W/(㎡·℃);</p><p><b>　　——校正系數(shù);&l

90、t;/b></p><p>　　——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)</p><p>　　——粘度，Pa·s；</p><p>　　——密度，㎏/m3;</p><p>　　Pr——普郎特系數(shù)；</p><p><b>　　n——板數(shù)，塊；</b></p><

91、p><b>　　K——總傳熱系數(shù)，</b></p><p>　　十、后記：化工原理課程設(shè)計(jì)的收獲及感想。</p><p>　　本次化工原理課程設(shè)計(jì)，老師并不是像以往一樣給精餾塔的設(shè)計(jì)題目，而是換熱器的設(shè)計(jì)。全班共有兩組數(shù)據(jù)，分別為15×104噸/年和17×104噸/年。我們組的設(shè)計(jì)任務(wù)是17×104噸/年。確定任務(wù)后，組員進(jìn)行分工合

92、作來確定實(shí)驗(yàn)方案、選擇流程、查取資料、進(jìn)行過程和設(shè)備的計(jì)算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過程中，往往會遇到很多問題。設(shè)計(jì)過程中所涉及到得一些知識來源于我們平時所學(xué)，聯(lián)系最緊密的應(yīng)該就是《化工原理》和《工程制圖》。開始根本不知道從何下手，在第一天老師來輔導(dǎo)后，大概知道了設(shè)計(jì)步驟。了解到整個計(jì)算過程后，我開始選擇公式。最先假設(shè)管程自

93、來水的流速，有余有一個范圍，先前沒有經(jīng)驗(yàn)，只能隨便設(shè)定一個值進(jìn)行計(jì)算，再核算。剛開始選取的數(shù)據(jù)并不好，但后來算過一遍后，有了點(diǎn)技巧，最終取管程流速為1.0m/s。</p><p>　　在進(jìn)行工藝計(jì)算過程中，因?yàn)橛泻芏鄰?fù)雜的公式，所以我使用了MathType公式編輯器來輸入，很方便快捷。如今工業(yè)發(fā)展迅速，網(wǎng)上有很多管業(yè)換熱器計(jì)算的信息及應(yīng)用軟件，我們在設(shè)計(jì)過程中也應(yīng)該有選擇的充分利用這些資源。</p>

94、<p>　　在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，需要查閱各種零件的尺寸及規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，必須按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　此外，整個設(shè)計(jì)過程中，制圖占很大比例。由于我的工程制圖基礎(chǔ)不好，所以在畫圖這一塊我花費(fèi)了很長時間，同學(xué)也幫助了我很多，畫圖的技巧也學(xué)習(xí)了一些。</p><p>　　通過本次設(shè)計(jì)，我學(xué)會了根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料

95、確定主要工藝流程，主要設(shè)備，以及如何計(jì)算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)及數(shù)據(jù)。通過課程設(shè)計(jì)可以鞏固對主體設(shè)備圖的了解，以及學(xué)習(xí)到工藝流程圖的制法。對化工原理設(shè)計(jì)的有關(guān)步驟及相關(guān)內(nèi)容有一定的了解。通過本次設(shè)計(jì)熟悉了化工原理課程設(shè)計(jì)的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解。在設(shè)計(jì)的過程培養(yǎng)了大膽假設(shè)，小心求證的學(xué)習(xí)態(tài)度。通過本次課程設(shè)計(jì)，我還認(rèn)識到，組員之間一定要多溝通，多交流意見，要不然，一個人的能力再怎么強(qiáng)，在團(tuán)體工作中也是不能夠出色完成設(shè)計(jì)任

96、務(wù)。但由于本課程設(shè)計(jì)屬第一次設(shè)計(jì)，而且時間比較倉促，查閱文獻(xiàn)有限，本課程設(shè)計(jì)還不夠完善，不能夠進(jìn)行有效可靠的計(jì)算。</p><p>　　最后，非常感謝我的同組人員，正是有他們在一起討論，有了他們的幫助，才使我更快更順利地在較短時間內(nèi)完成本設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　十一、參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1.《化工原理課程設(shè)計(jì)》（

97、化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)）賈紹義，柴敬城主編，天津大學(xué)大學(xué)出版社</p><p>　　2.《化工原理》，下冊，夏清，姚玉英</p><p>　　3.《換熱器手冊》，錢頌文主編，化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　4.《管殼式換熱器手冊GB151》</p><p>　　5. 《化工工程制圖》，魏崇光，鄭曉梅主編，化學(xué)工業(yè)出版社</p&g