化工原理課程設(shè)計(jì)---無(wú)相變列管式換熱器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　化工原理課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué) 院： 化學(xué)工程學(xué)院 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： &

2、lt;/p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2010年 06月 </p><p><b>　　化工原理課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　《換熱器》設(shè)計(jì)任務(wù)書 </p><p>　　一、設(shè)計(jì)題目：無(wú)相變列管式換熱器的設(shè)計(jì)</p><

3、;p>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件</p><p>　　某生產(chǎn)過(guò)程中，用循環(huán)冷卻水冷卻柴油。</p><p>　　1、柴油入口溫度： 140 ℃，出口溫度： 60 ℃</p><p>　　2、柴油流量： 6500 kg/h，壓力： 0.3 MPa </p><p>　　3、循環(huán)冷卻水壓力： 0.4 MPa，入口溫度：

4、 29 ℃，出口溫度： 39 ℃</p><p>　　已知柴油的有關(guān)物性數(shù)據(jù)：密度ρ1=994kg/m3；定壓熱比容cp，1=2.22kJ/(kg·℃)；熱導(dǎo)率λ1=0.14W/(m·℃)；黏度μ1=7.15×10-4 Pa·s</p><p>　　三、設(shè)計(jì)項(xiàng)目(說(shuō)明書格式)</p><p>　　1、封面、任務(wù)書、目錄。

5、</p><p>　　2、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)確定的換熱器類型進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。</p><p>　　3、換熱器的工藝計(jì)算：</p><p><b>　　確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　估算傳熱面積</b></p><p><b>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸<

6、/b></p><p>　　換熱器核算：包括傳熱面積核算和換熱器壓降核算</p><p>　　4、換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)</p><p>　　5、繪制列管式換熱器結(jié)構(gòu)圖（CAD）。</p><p>　　6、對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)述。</p><p><b>　　7、參考文獻(xiàn)</b></p>

7、<p>　　成績(jī)?cè)u(píng)定 指導(dǎo)教師 </p><p>　　2010年 6月 8 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.1 選擇換熱器類型1</p>&

8、lt;p>　　1.2 冷熱流體流動(dòng)通道的選擇1</p><p>　　2 換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算1</p><p>　　2.1 確定物性數(shù)據(jù)1</p><p>　　2.2 估算傳熱面積2</p><p>　　2.2.1 熱流量2</p><p>　　2.2.2 平均傳熱溫差2</p><p

9、>　　2.2.3 冷卻水用量2</p><p>　　2.2.4 總傳熱系數(shù)2</p><p>　　2.2.5 計(jì)算傳熱面積2</p><p>　　2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸2</p><p>　　2.4 換熱器核算5</p><p>　　2.4.1 熱量核算5</p><p>　　2

10、.4.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力6</p><p>　　3 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 殼體壁厚9</p><p>　　3.2 管板尺寸9</p><p>　　3.3 接管尺寸11</p><p>　　3.4 換熱器封頭選擇11</p><p>　　3.5 膨脹節(jié)選

11、擇12</p><p>　　3.6 其他部件12</p><p><b>　　4 評(píng)述13</b></p><p>　　4.1 可靠性評(píng)價(jià)13</p><p>　　4.2 個(gè)人感想13</p><p><b>　　5 參考文獻(xiàn)13</b></p>&

12、lt;p><b>　　1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介</b></p><p>　　1.1 選擇換熱器類型</p><p>　　兩流體溫度變化情況：熱流體柴油入口溫度140℃，出口溫度60℃；冷流體入口溫度29℃，出口溫度39℃。，t冷=（29+39）/2=34℃，t熱=（140+60）/2=100℃，</p><p>　　t熱- t冷=100-34=6

13、6℃，溫差較大，但是柴油壓力為0.3Mpa，冷卻水壓力為0.4 Mpa，壓力偏低，故可以選用固定管板式換熱器，采用逆流</p><p>　　1.2 冷熱流體流動(dòng)通道的選擇</p><p>　　從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使冷卻水走管程，由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，所以冷卻水走管程，柴油走殼程，以便散熱。選用φ25×2.5的碳鋼管，

14、管內(nèi)流速設(shè)為ui=1.0m/s。</p><p>　　2 換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　2.1 確定物性數(shù)據(jù)</p><p>　　定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。</p><p>　　殼程柴油的定性溫度：</p><p>　　t熱=（140+60）/2=100℃</p><p>　　

15、管程流體的定性溫度：</p><p>　　t冷=（29+39）/2=34℃</p><p>　　根據(jù)定性溫度，查化工原理書附錄[1]，利用內(nèi)插法計(jì)算殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。</p><p>　　柴油的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　密度 ρ1=994kg/m3</p>&l

16、t;p>　　定壓比熱容 Cp1=2.22kJ/(kg·℃)</p><p>　　熱導(dǎo)率 λ1=0.14W/(m·℃)</p><p>　　粘度 µ1=7.15×10-4Pa·s</p><p>　　冷卻水

17、在34℃的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　密度 ρi=994.3kg/m3</p><p>　　定壓比熱容 Cpi=4.174kJ/(kg·K)</p><p>　　熱導(dǎo)率 λi=0.6241W/(m·K)</p>&

18、lt;p>　　粘度 µi=0.0007428Pa·s</p><p>　　2.2 估算傳熱面積</p><p><b>　　2.2.1 熱流量</b></p><p>　　Q1=m1Cp1t1=6500×2.22×（140-60）=1.15×106

19、kJ/h=319.4kW</p><p>　　2.2.2 平均傳熱溫差</p><p>　　Δt1=60-29=31K，Δt2=140-39=101K</p><p>　　所以，Δtm=(101-31)/ln(101/31)=59.27K</p><p>　　2.2.3 冷卻水用量</p><p>　　流量wi=Q1/

20、 Cpi/Δti=1.15×106/4.174/(39-29)=2.755×104 kg/h</p><p>　　2.2.4 總傳熱系數(shù)</p><p>　　利用化工原理附表，根據(jù)兩種流體的性質(zhì)，可查出換熱器總傳熱系數(shù)，取其值為350。</p><p>　　2.2.5 計(jì)算傳熱面積</p><p>　　考慮15%的面積裕度

21、，S=1.15×S=1.15×15.4=17.7m2</p><p>　　2.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　2.3.1 管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用φ25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速</p><p>　　2.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依據(jù)傳熱管

22、內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度 </p><p>　　按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)L=6m，則該換熱器管程數(shù)為</p><p><b>　　（管程）</b></p><p><b>　　傳熱管總根數(shù) 根</b></p&

23、gt;<p>　　2.3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p>　　按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)為</p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　2.3.4 傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用

24、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，則</b></p><p>　　橫過(guò)管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　　根</b></p><p>　　2.3.5 殼體內(nèi)徑</p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取

25、管板利用率，則參考《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》[2],殼體內(nèi)徑</p><p>　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，圓整可取。</p><p><b>　　2.3.6 折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板（水平圓缺），取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的，則切去的圓缺高度為。</p><p><b>　　取折流板間距

26、，則</b></p><p>　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取板間距為200mm。</p><p>　　折流板數(shù) 塊，折流板圓缺水平裝配。</p><p><b>　　2.3.7 接管</b></p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)油品流速為，則接管內(nèi)徑為</p><p><b&

27、gt;　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為。</b></p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為，則接管內(nèi)徑為</p><p><b>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為。</b></p><p><b>　　2.4 換熱器核算</b></p><p>　　2.4.1 熱量核算</p><

28、;p>　　1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù) </p><p>　　對(duì)圓缺形折流板，可采取克恩公式</p><p>　　當(dāng)量直徑，由正三角形排列得</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><p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)&

29、lt;/b></p><p><b>　　粘度校正 </b></p><p>　　2)管程對(duì)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)分別為</p><p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)</b&

30、gt;</p><p><b>　　3)傳熱系數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)化工原理附錄，可取</p><p>　　管外側(cè)污垢熱阻Rsi=0.000172m2·℃/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Rso=0.000344m2·℃/W</p><p><b>

31、;　　4)傳熱面積</b></p><p>　　該換熱器的實(shí)際傳熱面積</p><p>　　該換熱器的面積欲度H=（Sp-S）/S=(23.55-17.56)/17.56=0.34=34%</p><p>　　而一般換熱器的面積欲度大于15%~20%，就可以滿足要求。故所設(shè)計(jì)的換熱器較為合適。</p><p>　　2.4.2 換熱

32、器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力</p><p><b>　?。?）管程阻力</b></p><p>　　，，管程結(jié)垢校正系數(shù)</p><p><b>　　，</b></p><p>　　由，查《化工原理》書表1-2得傳熱管相對(duì)粗糙度為，再查圖1-27得，流速，，所以</p><p>&l

33、t;b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>　?。?）殼程阻力</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　流體流經(jīng)管

34、束的阻力 </p><p>　　流體流過(guò)折流板缺口的阻力</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　總阻力</b></p><p>　　殼程流動(dòng)阻力也比較合適。</p>&l

35、t;p>　?。?）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見附錄</p><p><b>　　3 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 殼體壁厚</b></p><p>　　由工藝得，殼體內(nèi)徑，殼體定性溫度為100℃。殼體設(shè)計(jì)壓力為0.3MPa。選用低合金結(jié)構(gòu)鋼板16MnR卷制，材料100℃時(shí)的許用應(yīng)力，取

36、焊縫系數(shù)，腐蝕欲度，則</p><p><b>　　計(jì)算厚度 </b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)厚度 </b></p><p><b>　　名義厚度 ，取。</b></p><p><b>　　有效厚度 </b></p><p&

37、gt;<b>　　水壓試驗(yàn)壓力</b></p><p><b>　　所選材料的屈服應(yīng)力</b></p><p><b>　　水壓試驗(yàn)校核</b></p><p>　　100.2Mpa＜0.9，水壓強(qiáng)度滿足要求。</p><p><b>　　3.2 管板尺寸</b

38、></p><p>　　固定管板厚度設(shè)計(jì)采用BS法[3]。</p><p>　　假定管板厚度 b=40mm</p><p>　　總換熱管數(shù)量 n=50</p><p>　　一根管壁金屬的橫截面積為</p><p>　　開孔強(qiáng)度削弱系數(shù)（雙程）</p><p>　　兩管板間換熱管有效長(zhǎng)度（除

39、兩管板厚度）L估取5910mm</p><p><b>　　計(jì)算數(shù)值K</b></p><p>　　按管板簡(jiǎn)支考慮，依K值查圖得，G1=1.0，G2=0.57，G3=1.3。</p><p><b>　　管子與筒體的剛度比</b></p><p><b>　　筒體內(nèi)徑截面積 </b&

40、gt;</p><p>　　管板上管孔所占的總截面積 </p><p><b>　　系數(shù) </b></p><p><b>　　系數(shù)</b></p><p>　　換熱管與殼體的總膨脹差</p><p><b>　　最大壓差</b></p>

41、<p><b>　　當(dāng)量壓差</b></p><p>　　殼程壓力 ，管程壓力。</p><p><b>　　管板最大應(yīng)力</b></p><p><b>　　管子最大應(yīng)力</b></p><p>　　管板采用16Mn鍛，</p><p>　

42、　換熱管采用10號(hào)碳素鋼，</p><p><b>　　管板，管子強(qiáng)度校核</b></p><p>　　管板計(jì)算厚度滿足強(qiáng)度要求?？紤]管板雙面腐蝕取C2=4mm，隔板槽深取4mm，實(shí)際管板厚度為48mm。</p><p><b>　　3.3 接管尺寸</b></p><p>　　接管選用20號(hào)熱扎碳

43、素鋼管，鋼管許用應(yīng)力，C2=1。</p><p><b>　　接管計(jì)算厚度 </b></p><p><b>　　接管有效厚度 </b></p><p><b>　　開孔直徑 </b></p><p><b>　　接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 </b></p&

44、gt;<p>　　接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 </p><p><b>　　需要補(bǔ)強(qiáng)面積 </b></p><p>　　可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為</p><p>　　因?yàn)椋圆挥昧硇柩a(bǔ)強(qiáng)。</p><p><b>　　則該接管強(qiáng)度足夠。</b></p><p>　　3.

45、4 換熱器封頭選擇</p><p>　　綜合考慮，此換熱器采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。</p><p><b>　　計(jì)算厚度 </b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)厚度 </b></p><p><b>　　名義厚度 ，取。</b></p><p>　　故該

46、封頭可用2mm厚的16MnR鋼板制作，取直邊高度為25mm。</p><p><b>　　3.5 膨脹節(jié)選擇</b></p><p><b>　　殼壁橫截面面積 </b></p><p><b>　　換熱管總截面面積</b></p><p>　　管，殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向離F1&

47、lt;/p><p>　　壓力作用于殼體上的軸向應(yīng)力F2</p><p><b>　　，其中</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　壓力作用于管子上的軸向應(yīng)力</p><p><b>　　則</b></p><

48、p>　　根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》</p><p>　　故本換熱器不用安裝膨脹節(jié)。</p><p><b>　　3.6 其他部件</b></p><p>　　設(shè)備法蘭采用甲型平焊法蘭，配用壓緊面為平形，則墊片采用非金屬軟墊片耐油橡膠石棉墊。根據(jù)工藝條件，選取墊片厚度為17.5mm的。</p><p>

49、　　支座采用鞍座，選用JB/T 4712 鞍座 BI 400-F/S。</p><p>　　取,,其安裝高度為200mm。</p><p><b>　　4 評(píng)述</b></p><p><b>　　4.1 可靠性評(píng)價(jià)</b></p><p>　　根據(jù)主要設(shè)備的厚度來(lái)校核，看是否符合強(qiáng)度要求。由3.1

50、節(jié)的設(shè)計(jì)可以得到，換熱器的壁厚經(jīng)水壓校核符合強(qiáng)度要求。故設(shè)計(jì)可行性較好。</p><p>　　從經(jīng)濟(jì)性考慮，其材料根據(jù)各個(gè)部件的功能選用如低合金鋼，碳素鋼，綜合看來(lái)較經(jīng)濟(jì)，并且其制造工藝簡(jiǎn)單方便。而且，設(shè)計(jì)都滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，該設(shè)計(jì)可靠性較高。</p><p><b>　　4.2 個(gè)人感想</b></p><p>　　化工設(shè)計(jì)是一項(xiàng)

51、比較繁瑣的設(shè)計(jì)工作，它不僅要求我們隊(duì)化工設(shè)計(jì)有基礎(chǔ)的了解，而且還要對(duì)化工原理、化工機(jī)械等課程的知識(shí)具有一定運(yùn)用能力，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)也要有一定的操作能力。我們學(xué)習(xí)的是一種設(shè)計(jì)的思維和設(shè)計(jì)的態(tài)度，反復(fù)推敲的能力。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)，不僅鞏固可化工原理等各課程的知識(shí)，同時(shí)磨練了意志力。相信這次課程設(shè)計(jì)會(huì)讓我們更加注意理論與實(shí)踐的結(jié)合，對(duì)以后的學(xué)習(xí)具有很大的幫助。</p><p><

52、;b>　　5 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 夏清，陳常貴.化工原理上冊(cè).第一版（修訂）.天津：天津大學(xué)出版社，2005</p><p>　　匡國(guó)柱，史啟才.化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007</p><p>　　刁玉瑋，王立業(yè)，喻健良.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ).大連：大連理工大學(xué)出版社，2006</p>