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

1、<p><b>　　化工原理課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2010年01月22日</p><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<

2、;/p><p>　　列環(huán)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及流體流動(dòng)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………………………………

3、………………14</p><p>　　總傳熱系數(shù)的計(jì)算……………………………………………14</p><p>　　傳熱面積的計(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>

4、<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…………………………………………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)

5、過程中主要符號(hào)說明……………………………..37</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………..40</p><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><

6、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><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(shí)連續(xù)運(yùn)行</p><p>&

7、lt;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><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>&l

8、t;/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(gè)局部放大圖。設(shè)備技術(shù)要求、主要參數(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

9、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>　　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(shí)也會(huì)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(dòng)力、制冷、食

10、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(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)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

11、.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(shí)被固體壁面所隔開，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

12、><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(jià)低、流通截面較寬、易于清洗水垢;但傳熱系數(shù)低、占地面積大。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>&

13、lt;/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</b></p><p>　　是指不同溫度的流體交錯(cuò)在多層緊密排列的薄壁金屬板間流動(dòng)換熱的表面式換熱器。主要由傳熱板片、固定蓋板、活動(dòng)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

14、湍動(dòng)，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(shí)易滲漏。此種換熱器常用于供暖系統(tǒng)。板式換熱器計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮換熱便面污垢的影響，傳熱系數(shù)計(jì)算時(shí)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)

15、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(shí)，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)。</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

16、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

17、工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對(duì)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(shí)，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><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(jià)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(duì)移動(dòng)。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力

18、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(duì)于殼體作某些移動(dòng)，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(huì)因?yàn)榕蛎浟康牟煌a(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時(shí)，

19、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(jià)比固定管板式要高出約</p><p>　　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(shí)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(shí)避免短路。該種換熱器比較適合管

20、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><p>　　僅有一個(gè)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(huì)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>　

21、　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(jià)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>

22、;<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，所以管殼間不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼程都能清洗。造價(jià)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(dòng)空間的選擇</p&

23、gt;<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(huì)降低，由此可知該換熱器的管壁溫度和殼體壁

24、溫之差較大，有上一步驟中對(duì)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(dòng)空間的選擇</p><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

25、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(dòng)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(dòng)。</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。&l

26、t;/p><p>　?、嬉擞谕ㄈ牍荛g的流體</p><p>　　當(dāng)兩流體溫度相差較大時(shí)，α值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對(duì)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(shí)，α值霄的流體走管間，此時(shí)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>　　

27、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(huì)，以保安全。</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(duì)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

28、結(jié)垢，所以使水走管程，煤油走殼程。</p><p>　?、哿黧w流速的選?。簱Q熱器常用流速的范圍如下表</p><p>　　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&

29、gt;<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><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

30、><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(shí)，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>&

31、lt;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。</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?。一般先按照逆流計(jì)算，然后再校核。</p>

32、<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(duì)流傳熱系數(shù)和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。由于殼程對(duì)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(gè)殼程對(duì)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。考慮安全系數(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>

33、;<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><p>　　Xi校核對(duì)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(dòng)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>　　

34、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>　?、⑦x取經(jīng)驗(yàn)的傳熱系數(shù)K值。</p><p><b>　?、Ｓ?jì)算傳熱面積。</b></p><p>　?、び上盗袠?biāo)準(zhǔn)選取換熱器的基本參數(shù)。</p><p>　?、バ：藗鳠?/p>

35、系數(shù)，包括管程、殼程對(duì)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><p>　?、π：擞行骄鶞夭睢?lt;/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(dòng)阻力，如果超過允許范圍，需重新選

36、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(gè)反復(fù)試算的過程，有時(shí)需要反復(fù)試算2-3次。所以換熱器設(shè)計(jì)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）

37、,W；</p><p>　　K—總傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p>　　S—與K值對(duì)應(yīng)的傳熱面積，m2；</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>　　

38、式中 W---流體的質(zhì)量流量，kg/h；</p><p>　　--定壓比熱容，kJ/（kg?℃）；</p><p>　　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(shí)，則</b></p><p>　　式中 W—飽和蒸汽的冷凝速率，kg

39、/h；</p><p>　　r—飽和蒸汽的汽化熱，/kg/kJ。</p><p><b>　　平均溫度差Δtm</b></p><p>　　恒傳熱時(shí)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

40、流</b></p><p>　　式中Δt1、Δt2換熱器兩端熱冷流體的溫度差，℃。</p><p><b>　　錯(cuò)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，

41、℃</p><p>　　--溫差校正系數(shù)，無量綱，</p><p><b>　　總傳熱系數(shù)K</b></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(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；

42、</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>　?、傥镄詳?shù)據(jù)的確定：定性度取流體

43、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℃</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>&l

44、t;p>　　定壓比熱容：cp0=2.22kJ/（kg?℃）</p><p>　　導(dǎo)熱系數(shù)：λ0=0.140W/（m2?℃）</p><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

45、容：cpi=4.08kJ/（kg?℃）</p><p>　　導(dǎo)熱系數(shù)：λi=0.626W/(m2?℃)</p><p>　　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

46、)=2.15×104(kg/h)</p><p>　　Q0= m0CoΔto=2.15×104×2.2×（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(&

47、#176;C)</p><p><b>　　3.冷卻水用量：</b></p><p>　　Wi =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>

48、;<b>　　管程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　=4805.2 W/（m2?℃）</p><p>　　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>

49、;　　由上表可得：</b></p><p>　　Rsi=0.000344m2℃/W</p><p>　　Rs0=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==

50、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><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>

51、;</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></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.

52、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.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<

53、/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>　　φΔt=0.82</b></p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　Δtm=φΔt=0.82×39=32（℃）</p><p>

54、;　　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><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>

55、<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><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=

56、0.25×800=200（mm）</p><p>　　取折流板間距B=0.3D,則</p><p>　　B=0.3×800=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>&

57、lt;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</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</

58、p><p><b>　　d=m</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為160mm。</p><p><b>　　換熱器的核算</b></p><p>　　1.殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)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>

59、<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><p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　2.管程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><p&g

60、t;<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><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>&

61、lt;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(shí)，查國標(biāo)得換熱器實(shí)際傳熱面積應(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(dòng)阻力</b></p><p><b>　　1.管程流動(dòng)阻力

62、</b></p><p>　　由Re=27695，傳熱管相對(duì)粗糙度為0.005，查莫狄圖得</p><p>　　=0.033W/(m?℃)，流速ui=1.01m/s，ρ=994kg/m3</p><p>　　管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)，小于105Pa。</p><p><b>　　2.殼程流動(dòng)阻力</b>&l

63、t;/p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p><b>　　F=0.5，</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>&l

64、t;p><b>　　總阻力</b></p><p>　　殼程流動(dòng)阻力也小于105Pa，符合要求。</p><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&

65、gt;<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/T4737-2002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)

66、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(shí)間并不太充裕，故計(jì)算從略，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

67、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(huì)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

68、焊接時(shí)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，設(shè)計(jì)溫度≤300度，并且在操作中無劇烈地震動(dòng)，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(duì)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(shí)，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

69、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(huì)產(chǎn)生不良影響時(shí)，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，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(shí)，以會(huì)加速接頭的損</p><p>　　6.管箱的選擇DN≤400mm為平蓋管

70、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&

71、gt;　　mm</b></p><p><b>　　不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管</b></p><p><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><

72、p><b>　　按下列公式計(jì)算：</b></p><p><b>　　帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管</b></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

73、外邊緣（無補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，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><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>&

74、lt;p><b>　　表三 折流板間距</b></p><p><b>　　7.定距管</b></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)

75、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≥d；</p><p>　　c、當(dāng)官板較薄時(shí)，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>

76、　　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(cè)可得下表：</p><p>　　表四 拉桿的直徑和數(shù)量</p><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(gè)支座；公稱直徑D≥9

77、00mm的換熱器，需要四個(gè)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）L≤30000mm時(shí)，取LA=(0.4-0.6)L;</p><p>　　L＞30000mm時(shí)，取LA=(0.5-0.7)L;</p><p><b>　　且LB≈。</b></p>&l

78、t;p>　　（2）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(gè)字母意義如圖所示</p><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(cè)按LA≈0.6L，并使LB滿足上式的要求來確

79、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=3.959×10-4。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&g

80、t;<p><b>　　=0.078m2</b></p><p><b>　　=0.025 m2</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>

81、<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：</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&g

82、t;<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><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<

83、/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><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(duì)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)

84、力。</p><p>　　管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力：</p><p>　　2.817×105N</p><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</

85、b></p><p>　　壓力作用于管子上的軸向力：</p><p>　　=3.129×104N</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　2.1×107N</b></p><p>　　-6.35552.1×10

86、-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><p>　　通過對(duì)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(gè)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A

87、1圖紙）</p><p>　　九、附表及設(shè)計(jì)過程中主要符號(hào)說明；</p><p>　　表八 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算結(jié)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(hào)說明</b></p&g

88、t;<p><b>　　P——壓力，Pa </b></p><p>　　R——熱阻，㎡·℃/W；</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)&l

89、t;/p><p>　　D——?dú)んw內(nèi)徑d——管徑</p><p>　　Q——傳熱速率，W；</p><p><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;&

90、lt;/p><p>　　——對(duì)流傳熱系數(shù)W/(㎡·℃);</p><p><b>　　——校正系數(shù);</b></p><p>　　——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)</p><p>　　——粘度，Pa·s；</p><p>　　——密度，㎏/m3;</p><

91、;p>　　Pr——普郎特系數(shù)；</p><p><b>　　n——板數(shù)，塊；</b></p><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

92、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(duì)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(huì)遇到很多問題。設(shè)計(jì)過程中所涉及到得一些知識(shí)來源于我們平時(shí)所學(xué)

93、，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(gè)計(jì)算過程后，我開始選擇公式。最先假設(shè)管程自來水的流速，有余有一個(gè)范圍，先前沒有經(jīng)驗(yàn)，只能隨便設(shè)定一個(gè)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Math

94、Type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?cè)谠O(shè)計(jì)過程中也應(yīng)該有選擇的充分利用這些資源。</p><p>　　在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)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(shí)間，同學(xué)也幫助了我很多

95、，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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)冷卻器設(shè)備的了解。在設(shè)計(jì)的過

96、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(shí)到，組員之間一定要多溝通，多交流意見，要不然，一個(gè)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)任務(wù)。但由于本課程設(shè)計(jì)屬第一次設(shè)計(jì)，而且時(shí)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?cè)谝黄鹩懻?，有了他們的幫助，才使我更快更順利地在較短時(shí)間內(nèi)完成本設(shè)計(jì)。&l

97、t;/p><p><b>　　十一、參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1.《化工原理課程設(shè)計(jì)》（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(cè)，夏清，姚玉英</p><p>　　3.《換熱器手冊(cè)》，錢頌文主編，化學(xué)工業(yè)出版社</p><

98、p>　　4.《管殼式換熱器手冊(cè)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><p>　　6.《化工原理課程設(shè)計(jì)》，大連理工大學(xué)化工原理教研室編，大連理工大學(xué)出版社</p><p>　　7. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB151-89鋼制管殼式換熱器.國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1989</p><