列管式換熱器(材料工程原理)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《材料工程原理B課程設(shè)計(jì)》</p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 列管式換熱器設(shè)計(jì) </p><p>　　“列管式換熱器設(shè)計(jì)”任務(wù)書(shū)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目 </b></p><p>　　列管式換熱器設(shè)計(jì)——混合氣體處理能力22

2、6500kg/h</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件</b></p><p>　　為滿足某生產(chǎn)需要，需將混合氣體采用循環(huán)冷卻水冷卻，使混合氣體的溫度從100℃冷卻至48℃，已知混合氣體的壓力為6.9Mpa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4Mpa，循環(huán)水入口溫度25℃，出口溫度42℃。要求處理混合氣體的流量為226500kg/h，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該設(shè)計(jì)任

3、務(wù)。</p><p>　　混合氣體在各定性溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　循環(huán)冷卻水在各定性溫度下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　概述</b></p><p>　　§1.1換熱器的應(yīng)用及主要類型&#

4、183;···································4</

5、p><p>　　§1.2列管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)······························&#

6、183;·····5</p><p>　　第二章 列管式換熱器工藝的設(shè)計(jì)及計(jì)算</p><p>　　§2.1設(shè)計(jì)方案初選·················

7、3;····························6</p><p>　　§2.2估算傳熱面積··

8、;····································

9、83;·······6</p><p>　　§2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)······················&

10、#183;·················8</p><p>　　列管式換熱器工藝設(shè)計(jì)的核算</p><p>　　§3.1傳熱能力的核算······&

11、#183;····································

12、;·12</p><p>　　§3.2壁溫的核算·····························

13、···················15</p><p>　　§3.3換熱器內(nèi)流體流動(dòng)的阻力的核算·········

14、3;····················16</p><p><b>　　輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　§4.1管路系統(tǒng)原件的設(shè)計(jì)·

15、····································

16、3;··17</p><p>　　§4.2泵的設(shè)計(jì)····························

17、·····················17</p><p>　　§4.3風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)·········&

18、#183;····································

19、;·19</p><p>　　第四章 列管式換熱器設(shè)計(jì)一覽表·····························

20、;·········20</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)······················

21、······························21</p><p>　　第七章 參考文獻(xiàn)·&

22、#183;····································

23、;··············22</p><p>　　第八章 設(shè)計(jì)附圖·················

24、···································23</p&g

25、t;<p>　　第九章 答辯記錄及評(píng)語(yǔ)································&#

26、183;·············26</p><p><b>　　第一章 概述</b></p><p>　　§1.1換熱器的應(yīng)用</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，為實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過(guò)程的設(shè)備統(tǒng)稱為換

27、熱器。它是化工、冶煉、機(jī)械和其它許多工業(yè)廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，特別是對(duì)于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，換熱器尤為重要。通常在化工廠的建設(shè)中，換熱器的投資約占總投資的10~20%，在石油冶煉廠中約占全部工藝投資的40~50%。</p><p>　　換熱器的類型隨工業(yè)發(fā)展而擴(kuò)大，早期的換熱設(shè)備猶如制造水平和科學(xué)水平的限制，多有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、換熱面積小和體積較大等的特點(diǎn)，后來(lái)列管式換熱器的誕生使其成為長(zhǎng)期以來(lái)化

28、工生產(chǎn)中使用的典型換熱設(shè)備。</p><p>　　表1-1換熱器的分類及主要性能比較</p><p>　　§1.2列管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)</p><p>　　管殼式換熱器(列管式換熱器)適用于冷卻、冷凝、加熱、換熱、再沸、蒸發(fā)和廢熱回收等方面。由于其具有結(jié)構(gòu)牢、操作彈性大、可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在工程上使用廣泛，特別是在高溫高壓下。只有當(dāng)

29、流量小、壓力與溫度低，特別是物流對(duì)碳鋼具有腐蝕性或粘度很高時(shí)選用板式換熱器，如果流量小，但壓力或溫度較高時(shí)選用套管式換熱器。而具體的選用則需要綜合多種因素?fù)駜?yōu)選擇。常用列管式換熱器的基本構(gòu)型有一下幾種。</p><p>　　固定管板式換熱器 換熱管束固定在兩塊管板上，管板又分別焊在外殼的兩端，管子、管板和殼體都是剛性連接。當(dāng)管壁與殼壁的壁溫相差大于50℃時(shí)，為減小或消除溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，必須設(shè)有溫差補(bǔ)償裝置，

30、比如波形膨脹節(jié)。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造成本低，管程可用多種結(jié)構(gòu)，規(guī)格范圍廣，在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。因殼側(cè)不易清洗故不適宜較臟或有腐蝕性的物流的換熱，適用于殼壁與管壁溫差小于70℃、殼程壓力不高、殼程結(jié)垢不嚴(yán)重、并且可以用化學(xué)方法清洗的場(chǎng)合。</p><p>　　浮頭式換熱器 一端管板與殼體固定，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)。殼體與管束對(duì)熱膨脹是自由的，因而殼體與管束之間無(wú)溫差應(yīng)力。為了浮頭部分便于檢修

31、、安裝和清洗，浮頭端常常設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)要保證浮頭的密封，否則操作時(shí)無(wú)法知道內(nèi)浮頭端是否泄漏。浮頭式換熱器的應(yīng)用比較普遍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)費(fèi)用較高</p><p>　　U形管式換熱器 管束彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，殼體與管束分開(kāi)，僅有一塊管板，無(wú)浮頭，可以不考慮溫差補(bǔ)償。</p><p>　　U形管式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管束可以從殼體內(nèi)抽出，便于管外清洗。但管內(nèi)清洗困難，故

32、管內(nèi)必須是清潔和不易結(jié)垢的物流。管束中心存在空隙，流體易走短路從而影響傳熱效果。管板上排管數(shù)較少，U形管不能互換，結(jié)構(gòu)不緊湊。</p><p>　　填料函式換熱器 浮頭部分與殼體采用填料函密封。一是把填料函設(shè)置在浮頭端的接管處；二是把填料函設(shè)置在管板處；三是把浮頭伸出空調(diào)外設(shè)置成外填料函式。</p><p>　　填料函式換熱器具有浮頭式的優(yōu)點(diǎn)，又克服了固定管板式的缺點(diǎn)，制造方便，易于檢

33、修清洗。但是由于填料函密封性能的限制，目前只用于直徑700mm以下的換熱器，大直徑很少采用，尤其在操作壓力和溫度較高時(shí)就更少采用。殼程內(nèi)不宜走易揮發(fā)、易燃、易爆及有毒物流。</p><p>　　第二章 列管式換熱器的設(shè)計(jì)及計(jì)算</p><p>　　§2.1設(shè)計(jì)方案初選</p><p><b>　　選擇換熱器類型</b></p&g

34、t;<p>　　考慮制造費(fèi)用、操作具體條件要求、維護(hù)費(fèi)用及清洗的難易程度的因素，初步選擇固定管板式換熱器（后續(xù)計(jì)算表明應(yīng)該選擇浮頭式）。</p><p><b>　　流程安排</b></p><p>　　流程的安排應(yīng)該考慮到一下原則：</p><p>　　易結(jié)垢的流體應(yīng)走易清洗的一側(cè)。</p><p>　　

35、有時(shí)在設(shè)計(jì)上要提高流體的流速來(lái)提高傳熱膜系數(shù)，在這種情況下應(yīng)將需提高流速的流體放在管程。</p><p>　　具有腐蝕性的流體應(yīng)走管程。</p><p>　　粘度大的流體應(yīng)走殼程。</p><p>　　需要指出的是，以上要求常常不能同時(shí)滿足，故在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮其主要問(wèn)題。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的要求，由于冷卻水容易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)使水走管程，混合氣體走殼程。從熱交換角度，

36、混合氣體走殼程可以與空氣進(jìn)行熱交換，增大傳熱強(qiáng)度。選用Φ25×2.5 mm的10號(hào)碳鋼管。</p><p><b>　　確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　殼程混合氣體的定性溫度T：T?=100℃ T?=48℃ T=(T?+T?)/2=74℃</p><p>　　管程冷卻水的定性溫度t：t?=25℃ t?=42℃

37、t=(t?+t?)/2=33.5℃</p><p>　　各物性數(shù)據(jù)如表2.1</p><p>　　§2.2估算傳熱面積</p><p><b>　　換熱器的熱負(fù)荷</b></p><p>　　換熱器的熱負(fù)荷是指在確定的物流進(jìn)口條件下，使其達(dá)到規(guī)定的出口狀態(tài)，冷流體和熱流體之間所交換的熱量，或是通過(guò)冷、熱流體間壁

38、所傳遞的熱量。在熱損失很小，可以忽略不計(jì)的條件下，對(duì)于無(wú)相變的工藝物流，換熱器的熱負(fù)荷由下式確定：</p><p><b>　　Q?=</b></p><p>　　式中 Q?----熱負(fù)荷，kJ/h；</p><p>　　m?----工藝流體的質(zhì)量流速，kg/h；</p><p>　　----工藝流體的熱容，kJ/k

39、g℃；</p><p>　　----工藝流體的溫度變化，℃</p><p>　　* 由上式計(jì)算本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的熱負(fù)荷：</p><p>　　Q?==226500×3.297×(100－48)</p><p>　　=38832006kJ/h</p><p><b>　　=1078

40、7kw</b></p><p><b>　　冷卻劑的用量</b></p><p>　　冷卻劑的用量取決于工藝流體所需的熱量及冷卻劑的進(jìn)出口溫度，此外還與設(shè)備的熱損失有關(guān)。而對(duì)于流體被冷卻的情況，工藝流體所放出的熱量等于冷卻劑所吸收的熱量與熱損失之和，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為可靠起見(jiàn)，?？珊雎詿釗p失，以下式計(jì)算冷卻劑用量：</p><p>　

41、　式中 ----------冷卻劑用量，kg/h；</p><p>　　----------冷卻劑熱容，kJ/kg℃；</p><p>　　----------冷卻劑進(jìn)出口溫度的變化，℃</p><p>　　* 由上式計(jì)算本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的冷卻劑用量：</p><p><b>　　=</b></p&g

42、t;<p>　　=152.01kg/s=547270kg/h</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　平均傳熱溫差是換熱器的傳熱推動(dòng)力，其值不僅和進(jìn)出口溫度有關(guān)，而且與換熱器內(nèi)兩種流體的流型有關(guān)。</p><p>　　對(duì)于逆流和并流，平均 溫差均可用換熱器兩端流體溫度的對(duì)數(shù)平均溫差表示，即：</

43、p><p>　　式中 -------逆流或并流的平均傳熱溫差，℃；</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　逆流： =T?－ =T?－</p><p>　　并流： =T?－ =T?－</p><p>　　* 按逆流計(jì)算本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的平均傳熱

44、溫差：</p><p><b>　　=37.8℃</b></p><p><b>　　傳熱面積</b></p><p>　　對(duì)于傳熱面積的估算可根據(jù)流體的具體情況，參考換熱器傳熱系數(shù)的大致范圍選取合適的K值，然后利用傳熱速率方程式，初步確定所需的傳熱面積：</p><p>　　式中 A-----

45、------估算的傳熱面積，；</p><p>　　K-----------選取的傳熱系數(shù)，w/℃；</p><p>　　--------平均傳熱溫差，℃</p><p>　　----------換熱器的熱負(fù)荷，kw</p><p>　　考慮到估算性質(zhì)的影響，常取傳熱面積為計(jì)算值的1.5~1.15倍。</p><p>

46、　　* 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，查列管式換熱器用作冷卻器時(shí)的K值范圍表選擇總的傳熱系數(shù)K=350w/℃</p><p>　　按逆流估算本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的傳熱面積：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=815.3</b></p><p>　　§2.3工

47、藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　選擇管徑及管內(nèi)流速</b></p><p>　　若選擇較小管徑，管內(nèi)傳熱膜系數(shù)可以提高，而且對(duì)于同樣傳熱面積來(lái)說(shuō)可以減小殼體直徑。但管徑小，流動(dòng)阻力大，機(jī)械清洗困難，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況選用合適的管徑。</p><p>　　根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求及查常用換熱管的規(guī)格和尺寸偏差表、列管式換熱器中不同粘度液體

48、的最大流速表以及列管式換熱器常用流速，選擇GB8163—8（碳鋼）取管內(nèi)流速1.3m/s</p><p>　　選擇管長(zhǎng)、確定管程數(shù)和總管數(shù)</p><p>　　選定管徑和管內(nèi)流速后，可由下式確定單程管數(shù)：</p><p>　　式中 ------單程管數(shù)目；</p><p>　　------管程的體積流量，；</p>

49、<p>　　------傳熱管內(nèi)徑，m；</p><p>　　-------管內(nèi)流體流速，</p><p>　　可得單程換熱器的管長(zhǎng)如下：</p><p>　　式中 L------按單程計(jì)算的管長(zhǎng)，m ；</p><p>　　A------估算的傳熱面積，；</p><p>　　---

50、--管外徑，m </p><p>　　如果按單程計(jì)算的管太長(zhǎng)，則應(yīng)該采用多程管，此時(shí)應(yīng)按實(shí)際情況選擇每程管的長(zhǎng)度。在選取管長(zhǎng)時(shí)應(yīng)注意合理利用材料，還要使換熱器具有適宜的長(zhǎng)徑比。列管式換熱器的長(zhǎng)徑比可在4~25范圍內(nèi)，一般情況下為6~10。</p><p>　　確定了每程管子長(zhǎng)度后即可求的管程數(shù)：</p><p>　　式中 L--------按單程計(jì)算的管長(zhǎng)，m

51、；</p><p>　　L--------選取的每程管長(zhǎng)，m；</p><p>　　------管程數(shù)（必須取整數(shù)）</p><p>　　則換熱器的總管數(shù)為：</p><p>　　式中 -------換熱器總管數(shù)</p><p>　　* 由上式分別計(jì)算本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的管程數(shù)和傳熱管數(shù)：</p&

52、gt;<p>　　==374.3=375（根）</p><p>　　按單程管計(jì)算所需的傳熱管長(zhǎng)度：</p><p><b>　　==27.7m</b></p><p>　　因此按單程管設(shè)計(jì)時(shí)傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多程管結(jié)構(gòu)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，去傳熱管長(zhǎng)l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為：</p><p>&l

53、t;b>　　==4（管程）</b></p><p>　　傳熱管總數(shù)=375×4=1500（根）</p><p>　　三、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　換熱器的平均傳熱溫差由下式計(jì)算：</p><p>　　其中溫差校正系數(shù)與流體的進(jìn)出口溫度有關(guān)，也與換熱器的殼程數(shù)及管程數(shù)有關(guān)（值可查溫差校正系數(shù)圖）

54、。而一般要求值不得低于0.8，否則會(huì)出現(xiàn)溫度交叉或溫度逼近的情況，此時(shí)應(yīng)該采用多殼程結(jié)構(gòu)的換熱器或多臺(tái)換熱器串聯(lián)。</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)平均傳熱溫差的計(jì)算：</p><p><b>　　=3.0 </b></p><p>　　按單殼程，雙管程，查溫差校正系數(shù)圖得=0.91</p><p>

55、　　平均傳熱溫差：= 0.93 37.8=35.2℃</p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p><b>　　四、管子排列</b></p><p>　　換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列，如下圖所示。</p>&l

56、t;p>　　(a) 正方形直列    （b）正方形錯(cuò)列    (c) 三角形直列 </p><p>　?。╠）三角形錯(cuò)列  （e）同心圓排列 </p><p>　　正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗。對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之

57、間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開(kāi)來(lái)。管板與管子的連接可脹接或焊接。</p><p>　　* 本次列管式換熱器的設(shè)計(jì)采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。</p><p><b>　　取管心距（mm）</b></p><p>　　隔板中心

58、到距離其最近一排管中心距離的計(jì)算：22（mm）</p><p>　　即各程相鄰的管心距為 222=44（mm）管束的分程方法， 由于每程各有傳熱管375根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按如圖選取。</p><p><b>　　五、殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程換熱器殼體的內(nèi)徑由下式計(jì)算：</p>&l

59、t;p>　　式中 ------傳熱管數(shù)目</p><p>　　---------管板利用率（正三角形排列，2管程，=0.7~0.85）</p><p>　　需要指出的是，由此計(jì)算的內(nèi)徑僅做參考，內(nèi)徑的可靠確定方法是按比例在管板上畫(huà)出隔板位置并進(jìn)行排管，以此確定內(nèi)徑。</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)中取管板利用率=0.75，則有：</

60、p><p>　　按卷制殼體的金級(jí)擋，考慮到管板利用率為0.75，取D=1500（mm）</p><p><b>　　折流板</b></p><p>　　安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>

61、;　　的形狀和間距必須適當(dāng)。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過(guò)管束，使湍動(dòng)程度大為增加。</p><p>　　常用的折流擋板有圓缺形和圓盤(pán)形兩種，前者更為常用。切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10～40％，一般取25％，過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱 。</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的折流板取圓缺形，圓缺的高度為殼體內(nèi)徑的25%即：</

62、p><p><b>　?。╩m）</b></p><p>　　折流板間距 B=0.3D=0.3×1500=450(mm)</p><p>　　折流板數(shù) （塊）</p><p><b>　　其它主要附件及接管</b></p><p>　　拉桿數(shù)量與直徑可查《拉桿

63、直徑與拉桿數(shù)表》選取</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的內(nèi)徑為1500mm故其拉桿直徑為 ，拉桿數(shù)量不得少于10個(gè)。</p><p>　　在殼程入口處應(yīng)該設(shè)置防沖擋板，如圖2-3 </p><p><b>　　圖2-3</b></p>

64、;<p>　　換熱器流體進(jìn)出口接管不宜采用軸向接管，但如果必須采用軸向接管時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置管程緩沖擋板，而接管直徑取決于處理量和適宜的流速，同時(shí)還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性及強(qiáng)度要求。</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)中，對(duì)于殼程流體進(jìn)出口接管，若取接管內(nèi)流速為，則接管內(nèi)徑為：</p><p><b>　?。╩）</b></p>&l

65、t;p>　　對(duì)于管程流體進(jìn)出口接管，若取管內(nèi)流體流速則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　圓整后，取殼程流體進(jìn)出口接管規(guī)格為，取管程流體進(jìn)出口接管規(guī)格為</p><p>　　第三章 列管式換熱器工藝設(shè)計(jì)的核算</p><p>　　§3.1傳熱能力的核算</p><p>　　核算的目的在于驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的換熱器是否能打到規(guī)定的熱負(fù)荷

66、，并留有一定的傳熱面積裕度。</p><p>　　殼程流體傳熱膜系數(shù)的核算</p><p>　　克恩提出的對(duì)于采用圓缺形折流板時(shí)殼程流體的傳熱膜系數(shù)的計(jì)算式為：</p><p>　　式中 -----管外傳熱膜系數(shù)，；</p><p>　　------殼程流體的導(dǎo)熱系數(shù)，</p><p>　　--------當(dāng)量直

67、徑，m；</p><p>　　--------管外流動(dòng)雷諾數(shù)；</p><p>　　---------普蘭特常數(shù)，取定性溫度下的值</p><p>　　---------流體定性溫度下的粘度，；</p><p>　　--------流體壁溫下的粘度，</p><p>　　而當(dāng)量直徑隨管子的布置方式而變化，對(duì)于采用三角形

68、排列的情況：</p><p>　　式中 --------管間距，m；</p><p>　　------傳熱管外徑，m</p><p>　　雷諾數(shù) </p><p>　　----殼程流體的體積流量，</p><p>　　式中 ------折流板間距，m；</p><p

69、>　　------管子外徑，m；</p><p>　　--------管子間距，m</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)中的殼程流體傳熱膜系數(shù)的核算：</p><p>　　用克恩法計(jì)算，其中當(dāng)量直徑：</p><p><b>　　殼程的流通截面積：</b></p><p><

70、;b>　　殼程流體的流速：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)：</b></p><p><b>　　普蘭特?cái)?shù)：</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　故

71、 </p><p>　　管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的核算</p><p>　　若管程為流體無(wú)相變的傳熱，則通常情況下用下式計(jì)算其傳熱膜系數(shù)：</p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　適用條件為低粘度流體（）</p><p>　　* 本次列管式換熱器的管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的核算：

72、</p><p>　　管程流體流通截面積：</p><p><b>　　管程流體流速：</b></p><p><b>　　雷諾數(shù)：</b></p><p><b>　　普蘭特?cái)?shù)：</b></p><p><b>　　故 </

73、b></p><p>　　污垢熱阻和管壁熱阻的核算</p><p>　　由于目前處理物料種類繁多且操作條件復(fù)雜，以至于目前對(duì)污垢熱阻的選取主要憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（具體可查《污垢熱阻的大致范圍表》）</p><p>　　而對(duì)于管壁熱阻的計(jì)算可采用下式計(jì)算：</p><p>　　式中 b-------傳熱管壁厚，m；</p>&

74、lt;p>　　------管壁導(dǎo)熱系數(shù)，（查《常見(jiàn)金屬材料到導(dǎo)熱系數(shù)表》）</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的污垢熱阻及管壁熱阻的核算</p><p>　　查《污垢熱阻的大致范圍表》，取</p><p>　　管外側(cè)污垢熱阻 </p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 </p><p>　　管

75、壁熱阻（查表知碳鋼在設(shè)計(jì)條件下導(dǎo)熱系數(shù)約為）</p><p>　　故 總傳熱系數(shù)為：</p><p><b>　　換熱面積裕度的核算</b></p><p>　　在求的了平均傳熱溫差和中傳熱系數(shù)后，對(duì)于確定的熱負(fù)荷所需的傳熱面積為：</p><p>　　據(jù)此數(shù)值根據(jù)換熱器的實(shí)際傳熱面積可求出換熱器的面積裕度：<

76、/p><p>　　為保證換熱器操作的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于10~20%，否則應(yīng)予以調(diào)整或重新設(shè)計(jì)，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。</p><p>　　* 本次列管式換熱器換熱面積裕度的核算：</p><p><b>　　所需的傳熱面積</b></p><p>　　本次換熱器設(shè)計(jì)的實(shí)際傳熱面積：</p>

77、<p>　　故 該換熱器的面積裕度為：</p><p>　　因此該換熱器的設(shè)計(jì)符合要求，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p><b>　　§3.2壁溫的核算</b></p><p>　　有些情況下，傳熱膜系數(shù)與壁溫有關(guān)，在這種情況下，計(jì)算傳熱膜系數(shù)需先假定壁溫，求得傳熱膜系數(shù)后再核算壁溫。另外，計(jì)算溫差應(yīng)力，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的

78、換熱器型式是否合適，是否需要加設(shè)溫度補(bǔ)償裝置等均需核算壁溫。</p><p>　　對(duì)于穩(wěn)定的傳熱過(guò)程，如果忽略污垢熱阻，則有 </p><p>　　式中 Q------換熱器熱負(fù)荷，w；</p><p>　　-----熱流體平均溫度，℃；</p><p>　　-----熱流體側(cè)的管壁溫度，℃；</p><p>

79、　　-----冷流體的平均溫度，℃；</p><p>　　-----冷流體側(cè)的管壁溫度， ℃；</p><p>　　-----熱流體側(cè)的傳熱膜系數(shù)，；</p><p>　　-----冷流體側(cè)的傳熱膜系數(shù)， ；</p><p>　　-----熱流體側(cè)的傳熱膜面積，； </p><p>　　-----冷流體側(cè)的傳熱膜面積，

80、</p><p>　　當(dāng)管壁熱阻很小時(shí)，用下式計(jì)算壁溫：</p><p>　　* 本次列管式換熱器設(shè)計(jì)的壁溫核算：</p><p>　　因管壁很薄，且熱阻很小，故管壁溫度可由上式計(jì)算。并且由于本次設(shè)計(jì)換熱器用循環(huán)水做冷卻劑，當(dāng)冬季操作時(shí)循環(huán)水進(jìn)口的溫度會(huì)明顯降低，為確保安全可靠取循環(huán)水進(jìn)口溫度為15℃，出口溫度為36℃計(jì)算壁溫。并且取兩側(cè)污垢熱阻為零來(lái)計(jì)算。于是

81、有：</p><p><b>　　式中 </b></p><p><b>　　傳熱管平均壁溫：</b></p><p>　　而殼體溫度可以近似取味哦殼程流體的平均溫度：T=75℃</p><p>　　此溫差較大，故需設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置。而由于換熱器課程流體的壓力較高，因此需選用浮頭式換熱器

82、。</p><p>　　§3.3換熱器內(nèi)流體流動(dòng)的阻力的核算</p><p><b>　　管程流體阻力核算</b></p><p>　　對(duì)于無(wú)相變的換熱器，管程流體的阻力等于流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和換熱器管程局部阻力之和，即：</p><p>　　式中 -----單程直管阻力； -----局

83、部阻力；</p><p>　　-----殼程數(shù)； -------管程數(shù)；</p><p>　　-------直管阻力結(jié)垢校正系數(shù) （近似1.5）； ------管程總阻力</p><p>　　其中 </p><p>　　* 本次列管式換熱器的設(shè)計(jì)中管程流體阻力的核算：</p><

84、;p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算， </p><p>　　由 ，傳熱管相對(duì)粗糙度為0.01，查莫狄圖0.04，流速，</p><p><b>　　故：</b></p><p>　　管程流體阻力在允許范圍內(nèi)。</p><p><b>　　殼程流體阻力核算：</b></p><p&

85、gt;　　對(duì)于圓缺形折流板時(shí)殼程流體阻力采用貝爾方法計(jì)算：</p><p>　　式中 -----殼程總阻力； ------流過(guò)管束的阻力； 流過(guò)折流板缺口的阻力； ------殼程校正系數(shù)（對(duì)氣體1.0，對(duì)液體1.15） </p><p><b>　　----殼程數(shù)</b></p><p>　　其中

86、 </p><p>　　* 本次列管式換熱器的設(shè)計(jì)中殼程流體阻力的核算：</p><p>　　取 =1, =1, ，流體流經(jīng)管束的阻力損失：</p><p><b>　　=0.5 </b></p><p>　　流體流過(guò)折流板缺口的阻力損失：</p><p>　　由 B=0.

87、4m D=1.25m 則：</p><p><b>　　總阻力損失：</b></p><p><b>　　Pa</b></p><p>　　由于所設(shè)計(jì)即日起殼程流體的操作壓力較高，故此阻力損失也較適宜。</p><p>　　第四章 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)</p><p>　

88、　§4.1管路系統(tǒng)原件的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　管件選取</b></p><p>　　綜合操作條件下壓力、溫度以及經(jīng)濟(jì)的要求，選用壓力配管用碳素鋼管STPG35、38、42（JIS G3454）</p><p>　　2、管接頭、閥門(mén)、龍頭的選取</p><p>　　由于單管的長(zhǎng)度多為5m、6m或16f

89、t（英尺）、20ft，而本次設(shè)計(jì)管長(zhǎng)達(dá)10m（非標(biāo)設(shè)計(jì)），故管接頭的選取尤為重要。管接頭一般有焊接接頭和法蘭街頭兩類。雖然在可裝卸接頭中螺旋式管接頭的應(yīng)用最為廣泛，但由于氣密性和腐蝕性的問(wèn)題不宜用于化工廠，所以本次設(shè)計(jì)選用法蘭作為管接頭。（具體法蘭以及密封墊的尺寸可查表選用）</p><p>　　閥門(mén)、龍頭的選取參照J(rèn)IS B2011~2062(注意標(biāo)明閥的開(kāi)度、開(kāi)關(guān)方向，以防由于操作失誤而發(fā)生事故)</p

90、><p><b>　　§4.2泵的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1、確定泵進(jìn)出口的直徑</p><p>　　泵吸入口的流速一般取為3m/s左右。從制造方便考慮，大型泵的流速取大些，以減小泵的體積，提高過(guò)流能力。而從提高泵的抗汽蝕性能考慮，應(yīng)減小吸入流速；對(duì)于高汽蝕性能要求的泵，進(jìn)口流速可以取到1.0-2.2m/s。</p>

91、<p>　　* 本次離心泵設(shè)計(jì)中取流速2.2m/s，</p><p><b>　　而冷卻水流量</b></p><p>　　則由下式計(jì)算進(jìn)口直徑：</p><p><b>　　出口直徑：</b></p><p>　　2、泵轉(zhuǎn)速的確定 </p><p>

92、<b>　　從汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式</b></p><p>　　可知，轉(zhuǎn)速n和汽蝕基本參數(shù)和C有確定的關(guān)系（假定NpSH=2.6）</p><p><b>　　則泵的安裝高度：</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　NPSHr = NPSHa/1.3 =

93、 2（m）</p><p>　　故 </p><p>　　一般的清水泵C值大致在800~1000左右，選C=1000，則有n=800（rpm）</p><p>　　確定泵的功率及工作效率</p><p>　　首先確定比轉(zhuǎn)速（揚(yáng)程H=60m）</p><p><b>　　估算容積效率

94、：</b></p><p><b>　　估算機(jī)械效率：</b></p><p>　　估算水力效率（設(shè)計(jì)總效率70%）</p><p><b>　　軸功率</b></p><p>　　配套電機(jī)功率(K為工況變化系數(shù)，K=1.1~1.2)</p><p><b&

95、gt;　　選擇葉片數(shù)</b></p><p>　　對(duì)于 ,取Z=6(片)</p><p><b>　　計(jì)算葉輪直徑</b></p><p>　　查《泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)程》圖1-1-15得=0.20</p><p><b>　　求通過(guò)葉輪的流量</b></p><p>

96、;<b>　　求葉輪進(jìn)口直徑:</b></p><p><b>　　§4.2風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　對(duì)于混合氣體輸入設(shè)備的選取，由于混合氣體壓力為6.9MPa，故普通的通風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)是無(wú)法完成輸送任務(wù)的，因此需選擇壓縮機(jī)來(lái)完成輸送任務(wù)。理論上選擇活塞式壓縮機(jī)可在較高效率下完成輸送任務(wù)，但考慮設(shè)計(jì)難度以及經(jīng)濟(jì)性，選擇離心式

97、壓縮機(jī)。</p><p>　　離心壓縮機(jī)主要由葉輪和機(jī)殼組成，小型壓縮機(jī)的葉輪直接裝在電動(dòng)機(jī)上，中、大型壓縮機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器或皮帶輪與電動(dòng)機(jī)聯(lián)接。離心式壓縮機(jī)一般為單側(cè)進(jìn)氣，用單級(jí)葉輪；流量大的可雙側(cè)進(jìn)氣，用兩個(gè)背靠背的葉輪。</p><p>　　由于離心式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，使用離心泵的設(shè)計(jì)思路無(wú)法完成設(shè)計(jì)任務(wù)或設(shè)計(jì)不合理，因此直接選用BCL406型離心式壓縮機(jī)來(lái)完成混合氣體的輸送任務(wù)（最

98、高操作壓力以及操作溫度均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)）。</p><p>　　列管式換熱器設(shè)計(jì)一覽表</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　這是我第一次材料工程原理設(shè)計(jì)，從剛開(kāi)始接到這個(gè)任務(wù)時(shí)，</p><p>　　我就知道這將是一項(xiàng)比較復(fù)雜的過(guò)程，果不其然，剛開(kāi)始著手做時(shí)就布置從何下手。在綜合了很多參考

99、書(shū)后，我知道了第一步是如何查找物性數(shù)據(jù)。在接下來(lái)的計(jì)算里，我也是錯(cuò)誤頻繁出現(xiàn)，不是單位換算就是計(jì)算錯(cuò)誤。在焦躁的情緒下我漸漸理清了我的思緒，跟著參考文獻(xiàn)，我也能一步步走入正軌。其實(shí)這個(gè)設(shè)計(jì)并不是很難，只要肯翻書(shū)，查資料與人商量就能化繁為簡(jiǎn)，找到正確的道路。</p><p>　　這樣一個(gè)設(shè)計(jì)讓我又愛(ài)又恨，恨的是數(shù)字的復(fù)雜,過(guò)程的繁瑣。愛(ài)的是它讓我重新認(rèn)識(shí)了一遍材料工程原理，讓我對(duì)以往的知識(shí)有了一個(gè)鞏固。我們?cè)O(shè)計(jì)的要

100、求是列管式換熱器。將設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合，設(shè)計(jì)題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際，具有相當(dāng)大的實(shí)踐意義。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我參考了許多本文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其中必然的聯(lián)系但也有不同的思路，我借助許多前輩的思路結(jié)晶運(yùn)用到了我的生產(chǎn)設(shè)計(jì)鐘來(lái)，巧妙地幫我解決了許多難題。材料工程原理課程設(shè)計(jì)旨在學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合性聯(lián)系。</p><p>　　當(dāng)然，在此次設(shè)計(jì)中，我也充分運(yùn)用了個(gè)人努力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作，通過(guò)互幫互助

101、，團(tuán)結(jié)奮斗，我們收收獲了良好的成果與美好的友誼。其中，也離不開(kāi)老師的指導(dǎo)，沒(méi)有老師的有求必應(yīng)，我們也許會(huì)拘泥于一個(gè)問(wèn)題很久，通過(guò)老師耐心的指導(dǎo)，讓我們盡快完成了任務(wù)，也加深了對(duì)理論知識(shí)的了解，為我們?nèi)蘸笞呱瞎ぷ鲘徫黄鸬搅撕艽髱椭?lt;/p><p><b>　　第七章 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 柴誠(chéng)敬等.《化工原理課程設(shè)計(jì)》[M],.天津:天津科學(xué)技

102、術(shù)出版社,2000. </p><p>　　[2] 化工設(shè)備全書(shū)—換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.</p><p>　　[3] 化工設(shè)備計(jì)算[M]. 聶清德:化學(xué)工業(yè)出版社,1991.</p><p>　　[4] 天津大學(xué)化工原理教研室編《化工原理》 [M],天津:天津科技出版社,1996.</p><p>　　[5] 潘國(guó)昌,

103、《化工設(shè)備設(shè)計(jì)》[M], 北京：清華大學(xué)出版社.2001</p><p>　　[6] 童景山 .流態(tài)化干燥工藝與設(shè)備 [M].北京 : 科學(xué)出版社 ,1989.</p><p>　　[7] 吳聲，《管殼式換熱器管束振動(dòng)與防范》，《振動(dòng)、測(cè)試于診斷》第12卷第4期，1992年12月，南京，南京化工公司化機(jī)廠》.</p><p>　　[8] 錢(qián)頌文，《換熱器手冊(cè)》[M]