化工原理課程設(shè)計(jì)(換熱器)

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器</b></p><p><b>　　操作條件：</b></p><p>　　煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃。</p>

2、<p>　　冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度35℃。</p><p>　　允許壓強(qiáng)降：不大于1×105Pa。</p><p>　　每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。</p><p><b>　　設(shè)備型式：</b></p><p><b>　　管殼式換熱器</b></p>

3、;<p><b>　　處理能力：</b></p><p>　　114000噸/年煤油</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。</p><p>　　管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸設(shè)計(jì)。</p><

4、p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。</p><p>　　設(shè)備簡(jiǎn)圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）。</p><p>　　對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問(wèn)題的討論。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)概述</b></p><p>　　1、1熱量傳遞的概念與意義[1](205)</p><p>　　1、

5、1、1 傳熱的概念</p><p>　　所謂的傳熱（又稱熱傳遞）就是間壁兩側(cè)兩種流體之間的熱量傳遞問(wèn)題。由熱力學(xué)第二定律可知，凡是有溫差存在時(shí)，就必然發(fā)生熱量從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。</p><p>　　1、1、2 傳熱的意義</p><p>　　化工生產(chǎn)中的很多過(guò)程和單元操作，都需要進(jìn)行加熱和冷卻，如：化學(xué)反應(yīng)

6、通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量，又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。所以傳熱是最常見(jiàn)的重要單元操作之一。無(wú)論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問(wèn)題。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過(guò)程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問(wèn)題，由此可見(jiàn)；傳熱過(guò)程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用

7、。歸納起來(lái)化工生產(chǎn)中對(duì)傳熱過(guò)程的要求經(jīng)常有以下兩種情況：①?gòu)?qiáng)化傳熱過(guò)程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。</p><p>　?、谙魅鮽鳠徇^(guò)程，如設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。</p><p>　　1、2 換熱器的概念與意義[2]</p><p>　　1、2、1 換熱器的概念</p><p>　　在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交設(shè)備，簡(jiǎn)稱為換

8、熱器。在換熱器中至少要有兩種不同的流體，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。</p><p>　　1、2、2 換熱器的意義</p><p>　　熱交換設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中為實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的一種工藝設(shè)備。在化工、煉油、動(dòng)力、原子能等眾多的工業(yè)部門和行業(yè)中，廣泛使用加熱器、冷卻冷凝器及其他熱交換設(shè)備來(lái)滿足一定的工藝生產(chǎn)條件；由這些設(shè)備構(gòu)成的換熱系統(tǒng)的狀況，對(duì)整個(gè)化工過(guò)

9、程的正常進(jìn)行及整個(gè)化工系統(tǒng)的投資與操作費(fèi)用關(guān)系重大。在一般化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的10%-20%[3]；在石油煉廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35%-40%[3]。因此，在能源日趨緊張的今天，合理設(shè)置及使用換熱器尤其重要。</p><p>　　此外，隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍。由此可

10、見(jiàn)，換熱器在我們的生活中占據(jù)著一定的意義。</p><p>　　1、3 換熱器的分類及特點(diǎn)[2]</p><p>　　隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過(guò)

11、熱器等。</p><p>　　換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中，間壁式換熱器應(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器（板翅式、管翅式等）。</p><p>　　1、3、1各換熱器的分類和特點(diǎn)</p><p>　　1、3、2 常見(jiàn)間壁式換熱器的分類和特點(diǎn)[1](271,278)</p&g

12、t;<p><b>　　1、管式換熱器</b></p><p><b>　　1）蛇管式換熱器</b></p><p>　　可分為兩類，沉浸式蛇管換熱器和噴淋式換熱器。前者換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。主要缺點(diǎn)是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的較小，因而總傳熱系數(shù)K值也較小。而后者便于檢修和清

13、洗、傳熱效果也較好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。二者的結(jié)構(gòu)如下圖：圖1為常見(jiàn)的幾種蛇管的形狀，圖2為噴淋式換熱器。</p><p><b>　　圖1 蛇管的形狀</b></p><p><b>　　圖2 噴淋式換熱器</b></p><p><b>　　2）套管式換熱器</b></p>&

14、lt;p>　　管套管換熱器系用管件將兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接成同心圓的套管然后用180度的回彎管將多段管套串聯(lián)而成。如圖3所示。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱要求而增減。每程的有效長(zhǎng)度為4-6m，若管子太長(zhǎng)，管中間會(huì)向下彎曲，是環(huán)形中的流體分布不均勻。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，能耐高溫；傳熱面積可根據(jù)需要而增減；適當(dāng)?shù)剡x擇管內(nèi)外徑，可使流體的流速較大；且雙方的流體做嚴(yán)格的逆流，有利于傳熱。缺點(diǎn)為管間接頭較多，易發(fā)生泄露；單位長(zhǎng)度傳熱面

15、積較小。</p><p>　　圖3 套管式換熱器</p><p><b>　　3）管殼式換熱器</b></p><p>　　管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要有以下幾種：</p><p><b>　　固定管板式換熱器</

16、b></p><p>　　這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以致管子扭彎或是管子從管板上松脫，甚至毀

17、壞換熱器。</p><p>　　為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時(shí)，為安全起見(jiàn)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60-70℃和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況下。一般殼程壓強(qiáng)超過(guò)0.6MPa時(shí)，補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償作用，就要考慮其他結(jié)構(gòu)。其結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　圖4 固定管板式換熱器</p

18、><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p><p>　　換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”,所以這種換熱器稱為浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不受殼體約束，因此當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其

19、缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。其結(jié)構(gòu)如下：</p><p><b>　　圖5 浮頭式換熱器</b></p><p><b>　　填料函式換熱器</b></p><p>　　這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也比浮頭式低廉。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理一易揮發(fā)、易燃易爆和有毒的介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如下：&l

20、t;/p><p>　　圖6 填料函式換熱器</p><p><b>　　U型管換熱器</b></p><p>　　這類換熱器只有一個(gè)管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：</p><p><b>　　圖7 U形管換熱器

21、</b></p><p><b>　　2、板式換熱器</b></p><p><b>　　1）夾套式換熱器 </b></p><p>　　套式換熱器主要應(yīng)用于反應(yīng)過(guò)程的加熱或冷卻。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部接進(jìn)入夾套，冷凝水則有下部接管流出。作為冷卻氣時(shí)，冷卻介質(zhì)由夾套下部的接管進(jìn)入，而由上部接管流出。這種

22、換熱器的傳熱系數(shù)較低，傳熱面又受</p><p>　　夾 </p><p><b>　　管</b></p><p><b>　　圖8夾套式換熱器</b></p><p>　　容器的限制，因此適用于傳熱量不太

23、大的場(chǎng)合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使其內(nèi)液體做強(qiáng)制對(duì)流；為了彌補(bǔ)傳熱面的不足，還可在其內(nèi)安裝蛇管等。其結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p>　　圖9 板式換熱器示意圖</p><p><b>　　2）板式換熱器 </b></p><p>　　板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備所提供的傳熱面積大；總傳熱系數(shù)高，如對(duì)低粘度液體的

24、傳熱，K值可高達(dá)7000 W/(·oC)；可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積，檢修和清洗都比較方便。其缺點(diǎn)是：處理量不太大；操作壓強(qiáng)較低，一般低于1500kPa，最高也不超過(guò)2000kPa；因受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能過(guò)高，一般對(duì)合成橡膠墊圈不超過(guò)130oC，壓縮石棉墊圈低于250oC。</p><p>　　3）螺旋板式換熱器 </p><p>　　螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是

25、：總傳熱系數(shù)高；不易堵塞和結(jié)垢；能利用低溫?zé)嵩春途芸刂茰囟?；結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點(diǎn)是：操作壓強(qiáng)和溫度不宜太高，目前最高操作壓強(qiáng)為2000kPa,，溫度約在400oC以下；不易檢修，因整個(gè)換熱器為卷制而成，一旦發(fā)生泄露，修理內(nèi)部很困難。其結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖10螺旋板式換熱器 </p><p><b>　　3、翅片式換熱器</b></p>&

26、lt;p><b>　　1）翅片管換熱器</b></p><p>　　翅片式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在管子表面上裝有徑向或軸向翅片。翅片的種類很多，按翅片的高度不同，可分為高翅片和低翅片兩種，地翅片一般為螺紋管。高翅片適用于管內(nèi)、外對(duì)流傳熱系數(shù)相差較大的場(chǎng)合，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于空氣冷卻器長(zhǎng)，地翅片適用于兩流體的對(duì)流傳熱系數(shù)不太大的場(chǎng)合，如對(duì)粘度較大液體的加熱或冷卻等。</p>&l

27、t;p>　　2）板翅式換熱器 </p><p>　　板翅式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是：總傳熱系數(shù)高，傳熱效果好；結(jié)構(gòu)緊湊；輕巧牢固；適應(yīng)性強(qiáng)，操作范圍廣。主要缺點(diǎn)是：由于設(shè)備流到很小，故易堵塞，而且增大了壓強(qiáng)降；換熱器一旦結(jié)垢，清洗和檢修很困難，所以處理的物料應(yīng)較潔凈或預(yù)先進(jìn)行精制；由于隔板和翅片都有薄鋁片制成，故要求介質(zhì)對(duì)鋁不發(fā)生腐蝕。</p><p><b>　　4、 熱管

28、換熱器</b></p><p>　　以熱管為基本傳熱單元的熱管傳熱器是一種新型的高效換熱器，它是由熱管束、殼體和隔板構(gòu)成，冷熱流體被隔板隔開。</p><p>　　當(dāng)熱源對(duì)熱管一端供熱時(shí)，工作液自熱源吸收熱量而蒸發(fā)汽化，蒸汽在壓差作用下高速流動(dòng)至熱管的另一端，并向冷源放出潛熱后凝結(jié)，冷凝液回至熱端，并被再次沸騰汽化。過(guò)程如此反復(fù)循環(huán)，熱量不斷的從熱端傳至冷端。熱管傳熱的特點(diǎn)是通

29、過(guò)沸騰和氣化、蒸汽流動(dòng)和蒸汽冷凝三步進(jìn)行。由于沸騰及冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)很大，而蒸汽的流動(dòng)阻力有較小，因此熱管兩端的溫度差很小，它特別適用于低溫差的傳熱。熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、工作可靠、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，它可用于氣-氣、氣-液和液-液間的換熱過(guò)程。其結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p><b>　　圖11 熱管換熱器</b></p><p><b>　　

30、圖12熱管示意圖</b></p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介</p><p>　　2、1 列管間壁式換熱器的分類【見(jiàn)1、3、2】</p><p>　　2、2 間壁式管殼式的列管換熱器【見(jiàn)1、3、2—1、3）】</p><p>　　2、3 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選型[1](278,284)</p><p>

31、;　　管殼式換熱器設(shè)計(jì)和選型的核心是計(jì)算換熱器的傳熱面積，進(jìn)而確定換熱器的其他尺寸或選擇換熱器的型號(hào)。</p><p>　　2、3、1 管殼式換熱器的型號(hào)與系列標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　1）管殼式換熱器的基本參數(shù)和型號(hào)：</p><p>　?。?）基本參數(shù) 管殼式換熱器的基本參數(shù)包括以下幾項(xiàng)：</p><p>　　①公稱換熱面積 ；②公稱直

32、徑 ；③公稱壓力 ；④換熱器管長(zhǎng)度 ；</p><p>　?、輷Q熱管規(guī)格；⑥管程數(shù) 。</p><p>　?。?）型號(hào)表示方法 管殼式換熱器的型號(hào)由五部分組成：</p><p>　　其中：1──換熱器代號(hào)，G代表固定管板式，F(xiàn)代表浮頭式；</p><p>　　2──公稱直徑DN，mm；</p><p>　　3──管程

33、數(shù)：ⅠⅡⅣⅥ；</p><p>　　4──公稱壓力PN，MPa；</p><p>　　5──公稱換熱面積SN，m2。</p><p>　　例如 800mm、 0.6MPa的單管程、換熱面積為110m2的固定管板式換熱器的型號(hào)為：</p><p>　　G800 I-0.6-110</p><p>　　2）管殼式換熱器的系

34、列標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　為了便于對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行選型，有關(guān)單位制訂了系列標(biāo)準(zhǔn)。附錄【2】中列入了固定管板式及浮頭式換熱器的部分系列標(biāo)準(zhǔn)，供設(shè)計(jì)時(shí)選用。</p><p>　　2、3、2 管殼式換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題</p><p><b>　　1）流體流徑的選擇</b></p><p>　　選擇流程的一般原則：&l

35、t;/p><p>　　a.不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)清洗比較方便。</p><p>　　b.腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子便于清洗和檢修。</p><p>　　c.壓強(qiáng)高的流體走管內(nèi)，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。</p><p>　　d.飽和蒸汽宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較干凈，它對(duì)清潔無(wú)要

36、求。</p><p>　　e.有毒氣體宜走管內(nèi)，使泄漏機(jī)會(huì)減少。</p><p>　　f.被冷卻的流體走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強(qiáng)冷卻效果。</p><p>　　g.度大的流體或流量較小的流體宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在Ｒｅ（Ｒｅ＞100）低值下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。</p><p&

37、gt;　　h.剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若兩流體的溫度差較大，對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管間，因壁面溫度與ａ大的流體溫度相近，可以減少熱應(yīng)力。</p><p><b>　　2）流體流速的選擇</b></p><p>　　增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)。減少污垢在管子上沉積的可能，即降低了污垢熱阻，使傳熱系數(shù)增大，從而減少換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流動(dòng)阻力增

38、大，動(dòng)力消耗就增多，所以適宜的流速要通過(guò)經(jīng)濟(jì)衡算才能確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表1、表2及表3列出一些工業(yè)上常用的流速范圍。</p><p>　　表1 管殼式換熱器中常用到的流速范圍</p><p>　　表2 管殼式換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度</p><p>　　表3 管殼式換熱器中不同黏度液體的常用流速</p><p>　　3）流體

39、兩端溫度的確定</p><p>　　若換熱器中冷、熱流體的溫度都有工藝條件所規(guī)定，就不存在確定流體兩端溫度的問(wèn)題。換熱器冷熱流體兩端的溫度由工藝條件規(guī)定。但對(duì)加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)出口溫度需由設(shè)計(jì)者確定。設(shè)計(jì)中，冷卻水兩端溫差可取5℃—10℃。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。</p><p>　　4）管子的規(guī)格和排列方式</p><p>　　換熱

40、管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對(duì)于潔凈的流體管徑可取小些。但對(duì)于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過(guò)多。目前我國(guó)試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用∮25mm×2.5mm和∮19mm×2mm兩種規(guī)格的管子。</p><p>　　管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求的管子長(zhǎng)度。實(shí)

41、際所取管長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)出廠的鋼管長(zhǎng)度合理截用。我過(guò)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度多為6m、9m，故系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5、2.3、4.5、6和9 m六種，其中以3m和6m更為普遍。此外管長(zhǎng)和管徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為4～6（直徑小的換熱器可取大些）。</p><p><b>　　圖13 管子的排列</b></p><p>　　管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形直列、轉(zhuǎn)角正方形

42、排列，與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍流程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝 （圖7），可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。</p><p>　　5）管程和殼程數(shù)的確定</p><p>　　當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對(duì)流傳熱系

43、數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增大動(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問(wèn)題。管殼式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。</p><p>　　管程數(shù)Np可按下式計(jì)算;</p><p>　　式中:  u——管程內(nèi)流體的適宜速度，m

44、/s;；</p><p>　　u1——管程內(nèi)流體的實(shí)際速度，m/s。</p><p>　　當(dāng)時(shí)可采用多殼程，也可將幾個(gè)相同的換熱器串聯(lián)使用。</p><p>　　當(dāng)殼方流體太低時(shí)，也可以采用殼方如殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程。但由于縱向隔板在安裝和檢修都有困難，故一般不采用殼程的換熱器，而是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。<

45、;/p><p><b>　　6） 折流擋板</b></p><p>　　安裝折流擋板的目的是為了提高殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。為達(dá)到較好的傳熱效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。對(duì)于圓缺形擋板，切去弓形的高度約為外殼內(nèi)徑的10%——40%；(一般20%——25%)，過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱。 </p><p>　　兩相鄰擋板的距離（板間距）h一般取換熱器外

46、徑D的0.2—1倍。固定管板式換熱器h有150mm、300mm、600mm三種。</p><p>　　浮頭式換熱器h有150mm、200mm、300mm、480mm、600mm五種。</p><p>　　板間距過(guò)小，不便于制造和檢修，流動(dòng)阻力大。板間距過(guò)大，不能使流體垂直地流過(guò)管束，從而使管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)下降。</p><p>　　擋板切去的弓形高度及板間距對(duì)

47、流體流動(dòng)的影響如圖8所示。</p><p>　　圖14 擋板缺口高度及擋板間距的影響</p><p><b>　　7）外殼直徑的確定</b></p><p>　　換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大與（對(duì)浮頭式換熱器而言）管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子排列方法等，可用做圖確定殼體的內(nèi)徑。但是，當(dāng)管數(shù)機(jī)多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，做圖太麻煩

48、，一般在初步設(shè)計(jì)中，可先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用做圖法畫出管子的排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走“短流”，可以適當(dāng)增減一些管子。</p><p>　　另外，初步設(shè)計(jì)中，可用下式估算殼體內(nèi)徑：</p><p>　　D=t(nc-1)+2b1</p><p>　　式中：D——?dú)んw

49、內(nèi)徑,m;</p><p>　　t——管中心距,m;</p><p>　　nc——位于管束中心線上的管數(shù)。</p><p>　　b1————管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取b1=(1—1.5)do</p><p>　　管子按正方形排列時(shí)  </p><p>　　管子按三角形排列時(shí) 

50、 </p><p>　　n——換熱器的總管數(shù)。</p><p>　　計(jì)算得到的殼徑應(yīng)按換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。標(biāo)準(zhǔn)尺寸見(jiàn)表4。</p><p><b>　　表4 殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸</b></p><p><b>　　8）主要附件</b></p><p>　　（1）封頭：封頭有方

51、形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體（一半小于400mm），圓形用語(yǔ)大直徑的殼體。</p><p>　?。?）沖擋板：為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料口裝設(shè)緩沖擋板。</p><p>　?。?）導(dǎo)流筒：殼程流體的進(jìn)出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間，為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒。</p><p>　　（4）放氣孔、排液孔：換熱器的殼體

52、上常安有放氣孔和排液孔，以除去不凝性氣體和冷凝液等。</p><p>　?。?）接管：換熱器中流體進(jìn)出口的接管直徑按下式計(jì)算，即：</p><p>　　式中：Vs—流體的體積流量，㎡/s；</p><p>　　u-----接管中流體的流速，m/s。</p><p><b>　　流速u的經(jīng)驗(yàn)值為：</b></p>

53、;<p>　　對(duì)液體 u=1.5～2m/s;</p><p>　　對(duì)蒸汽 u=20～50m/s</p><p>　　對(duì)氣體 u=(15～20)p/ρ(p為壓強(qiáng)，ρ為密度)</p><p><b>　　9）材料選用</b></p><p>　　換熱器材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。<

54、/p><p>　　金屬材料：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅和鋁。非金屬材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃。不銹鋼和有色金屬材料抗腐蝕性能好，但價(jià)格相對(duì)較高。</p><p>　　10） 流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算</p><p>　?。?）管程阻力：管程阻力可按一般摩擦力公式求的。對(duì)與多程換熱器，其阻力等于個(gè)程直管阻力，回彎阻力及進(jìn)出阻力之和。一般進(jìn)出阻力不算，故管程總阻力的計(jì)

55、算式為：</p><p>　　式中:——分別為直管及回彎管中流動(dòng)阻力引起的壓強(qiáng)降。</p><p>　　Ft——結(jié)垢校正因數(shù)，對(duì)管徑為Ф25×2.5mm管子取1.4。對(duì)Ф19×2mm管子取1.5。</p><p><b>　　Np——管程數(shù)；</b></p><p>　　Ns——串聯(lián)的殼程數(shù)，即串聯(lián)的

56、換熱器數(shù)。</p><p><b>　　直管阻力:  </b></p><p><b>　　回彎管阻力  </b></p><p>　　殼程流動(dòng)阻力：現(xiàn)已提出的計(jì)算公式多，但由于流體流動(dòng)復(fù)雜，使所得結(jié)果相差很多，下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)的公式，即：</p><p>　　式中&#

57、160;      ----殼程總阻力引起的壓強(qiáng)降,Pa;</p><p>　　-----流體橫向通過(guò)管束的壓強(qiáng)降，Pa;</p><p>　　----流體通過(guò)折流板缺口處的壓強(qiáng)降，Pa;</p><p>　　Fs-----殼程結(jié)垢校正系數(shù)，液體取1.15，氣體取1.0;</p><p>&l

58、t;b>　　其中  </b></p><p>　　F——管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)。</p><p>　　對(duì)正三角形排列    F=0.5；</p><p>　　正方形斜轉(zhuǎn)45度排列   F=0.4；</p><p>　　正方形直列  

59、 F=0.3；</p><p>　　----殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)Re?500時(shí)    </p><p>　　uo——按殼程最大流動(dòng)截面積Ao計(jì)算的流速,m/s;</p><p>　　Ao=h(D-nodo);no——位于管束中心線的管子數(shù)</p><p><b>　　NB——折流板數(shù)

60、；</b></p><p>　　n——折流板間距，m。</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為0.1～1atm，氣體的為0.01～0.1atm。設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間予以平衡，使即能滿足工藝又經(jīng)濟(jì)合理。</p><p><b>　　第三章 操作要求</b></p><p&

61、gt;<b>　　3、1操作要求</b></p><p>　　1. 選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。</p><p>　　2. 管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸設(shè)計(jì)。</p><p>　　3. 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。</p><p>　　4. 設(shè)備簡(jiǎn)圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）。</p>

62、<p>　　5. 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問(wèn)題的討論。</p><p>　　3、2管殼式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：[1](284,285)</p><p>　　3、2、1試算并初選設(shè)備規(guī)格</p><p>　　1）確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。</p><p>　　2）根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷。</p><p&g

63、t;　　3）確定利流體在換熱器兩端的溫度，選擇管殼式換熱器的形式；計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下流體物性。</p><p>　　計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則決定殼程數(shù)。</p><p>　　依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況選定總傳熱系數(shù)K值。</p><p>　　由總傳熱速率方程Q=KS△tm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器

64、的基本尺寸（如d、L、n及管子在管板上的排列等），或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。</p><p>　　3、2、2 計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降</p><p>　　根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降，檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流擋板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。</p><p

65、>　　3、2、3核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K'。比較K的初設(shè)値和計(jì)算值，若K'/K=1.15——1.25，則初選的換熱器合適，否則需另設(shè)K値，重復(fù)以上計(jì)算步驟。</p><p>　　第四章 物性參數(shù)及其選定</p><p><b>　　4、1 定性溫度&

66、lt;/b></p><p>　　冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為：35℃，根據(jù)前面的原則選定出口溫度為：45 ℃</p><p>　　則有： 煤油的定性溫度： ℃</p><p><b>　　水的定性溫度： ℃</b></p><p>　　根據(jù)[4]《化學(xué)工程手冊(cè)》.化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù).化學(xué)工業(yè)出版社 分別查得在此條件

67、下煤油和水的物性為：</p><p><b>　　表5 物性參數(shù)</b></p><p><b>　　參數(shù)K的選定</b></p><p>　　由于在定性溫度下，高溫物體煤油（有機(jī)物）的黏度為0.91×10-3，介于（0.5～1）×10-3 Pa·s，低溫物體水，故總傳熱系數(shù)范圍為280～7

68、10W/（m2·K）[1](355)。</p><p><b>　　第五章 工藝計(jì)算</b></p><p>　　5、1試算和初選換熱器的規(guī)格</p><p>　　5、1、1 流體流動(dòng)途徑：</p><p>　　采用逆流，因?yàn)槟媪鲿r(shí)的傳熱推動(dòng)力優(yōu)于并流和其他流動(dòng)形式。</p><p>　

69、　5、1、2 管程安排：</p><p>　　本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程，且水易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇循環(huán)水走換熱器的管程，煤油走殼程。</p><p>　　5、1、3 傳熱量Q：</p><p><b>　　冷卻水流量</b></p><p>　　5、1、4 兩流體的平均溫度差：</p&

70、gt;<p>　　暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為</p><p><b>　　而：</b></p><p>　　查圖4—19（a）[2]得：，符合要求,所以傳熱溫差的校正值為：</p><p>　　5、1、5 初選換熱器規(guī)格</p><p>　　根據(jù)冷熱流體在換熱器中有無(wú)相變及其物性等，假設(shè)

71、傳熱系數(shù)為，于是可求所需傳熱面積為：</p><p>　　由于，因此需考慮熱補(bǔ)償。兩流體溫度變化情況：熱流體煤油入口溫度140℃，出口溫度40℃；冷流體水入口溫度35℃，出口溫度45℃。t=(t1+t2)/2,t冷=(35+45)/2=40℃,t熱=(140+40)/2=90℃, t熱－t冷=90-40=50℃,溫差較大，但是允許的壓強(qiáng)降不大于0.1MPa，壓力偏低，故可以選用浮頭式換熱器。據(jù)此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)

72、（參見(jiàn)附錄）[2]中選定F700Ⅵ-4.0-105型換熱器，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表：</p><p>　　表6 換熱器的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　實(shí)際傳熱面積</b></p><p>　　若選擇該型號(hào)的換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為</p><p>　　5、2 核算壓強(qiáng)降</p><p

73、>　　5、2、1 管程壓強(qiáng)降：</p><p><b>　　其中，，，</b></p><p>　　管程流通面積: </p><p><b>　　管程流速: </b></p><p><b>　　管內(nèi)雷諾數(shù)</b></p><p>　　取

74、管壁粗糙度，，查（夏清等.化工原理（上冊(cè)）.天津：天津大學(xué)出版社，2005 ）[2]圖1-27,由關(guān)系圖中查得：λ=0.032；所以</p><p><b>　　管程壓強(qiáng)降：</b></p><p><b>　　符合工藝要求；</b></p><p>　　5、2、2殼程壓強(qiáng)降：</p><p>&l

75、t;b>　　其中，，，</b></p><p>　　管子為正方形斜轉(zhuǎn)排列，</p><p>　　取折流擋板間距 </p><p><b>　　殼程流通面積： </b></p><p><b>　　殼程流速： </b></p><p>　　殼內(nèi)雷諾數(shù)：

76、 ﹥（湍流）</p><p>　　殼程流體摩擦因數(shù) </p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　計(jì)算表明，管程和殼程的壓強(qiáng)降都能滿足設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　5、3 核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　5、3、1 管程對(duì)流傳熱系數(shù)</p>

77、<p>　　5、3、2殼程對(duì)流傳熱系數(shù) </p><p>　　由式 計(jì)算</p><p>　　取換熱器列管之中心距。則流體通過(guò)管間最大截面積為</p><p>　　殼程中的煤油被冷卻，取。所以</p><p>　　5、3、3 污垢熱阻 </p><p>　　管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為</

78、p><p>　　5、3、4 總傳熱系數(shù) </p><p>　　管壁熱阻可忽略時(shí)，則總傳熱系數(shù)為</p><p>　　由前面的計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的Ke為353，故所選擇的換熱器是合適的。安全系數(shù)為:</p><p>　　（滿足要求，即在范圍之內(nèi)：10%～25%）；</p>&

79、lt;p>　　（則：Ke/ K=353/302=1.169,而實(shí)際范圍應(yīng)為1.15～1.25，符合）。</p><p>　　第六章 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表</p><p><b>　　6、1 結(jié)果表</b></p><p><b>　　表7設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表</b></p><p>　　6、2 管束的排列

80、簡(jiǎn)圖</p><p>　　圖15 管子的排列方式</p><p>　　【注：本設(shè)計(jì)采用的是正方形斜轉(zhuǎn)45°，即第四個(gè)圖】</p><p>　　第七章 設(shè)備簡(jiǎn)圖及工藝流程圖</p><p><b>　　圖16 設(shè)備簡(jiǎn)圖</b></p><p>　　圖17 工藝流程圖</p&g

81、t;<p>　　主要說(shuō)明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，所以選定循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖所示，煤油經(jīng)泵抽上來(lái)，經(jīng)加水器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進(jìn)入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來(lái)經(jīng)管道從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行換熱，煤油從140℃被冷卻至40℃之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從35℃變?yōu)?5℃，由接管B流出。</p><p><b>　　第八章 個(gè)人收獲&l

82、t;/b></p><p>　　在做此次課程設(shè)計(jì)時(shí)，我最大的收獲是對(duì)所學(xué)的內(nèi)容有了更進(jìn)一步的理解：此次設(shè)計(jì)是根據(jù)任務(wù)書設(shè)計(jì)換熱器，首先要根據(jù)工藝參數(shù)查閱一些物性參數(shù)，然后根據(jù)工藝計(jì)算過(guò)程進(jìn)行核算，在這過(guò)程中要考慮很多因素：例如說(shuō)流體在換熱器中的流動(dòng)途徑，計(jì)算中要時(shí)刻注意計(jì)算結(jié)果是否滿足工藝要求等等。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)換熱器的理解，同時(shí)也對(duì)所學(xué)知識(shí)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)自己專業(yè)也有了更深的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了自己

83、的興趣，讓自己對(duì)以后的工作多多少少有了一定的認(rèn)識(shí)。</p><p>　　在設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該時(shí)刻記住“三動(dòng)”，即“動(dòng)腦”、“動(dòng)口”、“動(dòng)手”，要多思考、多問(wèn)人、多動(dòng)筆?？傊诟鞣矫?，我收獲挺大。</p><p><b>　　8、4 結(jié)論</b></p><p>　　1）估算管程流速u=1.39m/s,在0.5～3m/s范圍內(nèi)，符合要求。<

84、/p><p>　　2）估算殼程流速u=0.21m/s,在0.2～1.5m/s范圍內(nèi)，符合要求。</p><p>　　3）換熱器的管長(zhǎng)與殼徑之比L/D=4500/700=6.4，不在4～6范圍內(nèi)，不太符合要求。</p><p>　　5）管程壓強(qiáng)降=Pa﹤100000Pa,符合要求。</p><p>　　6）殼程壓強(qiáng)降=6949Pa﹤100000Pa

85、,符合要求。</p><p>　　7) Ke/ K=353/302=1.169,符合要求。</p><p>　　8）安全系數(shù)=16.9%，在10%～25%范圍內(nèi)，符合要求。</p><p><b>　　第九章 參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p>

86、<p>　　[1] 夏清，陳貴常，姚玉英.化工原理（上冊(cè)）.天津：天津大學(xué)出版社，2005.1.</p><p>　　[2] 百度文庫(kù).</p><p>　　[3] 阮奇，黃詩(shī)煌.化工原理優(yōu)化設(shè)計(jì)與解題指南.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.9.</p><p>　　[4] 編輯委員會(huì)編.化學(xué)工程手冊(cè)（第一篇）.化學(xué)工程出版社，1984.</p