浮頭式對二甲苯冷卻器的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　20xx 屆 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　學(xué)生姓名： xxx 學(xué) 號： </p><p>　　所在學(xué)院： </p><p>　　專 業(yè)： </p>

2、<p>　　設(shè)計(jì)(論文)題目: 浮頭式對二甲苯冷卻器的設(shè)計(jì) </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2012 年 6 月 </p><p>　　浮頭式對二甲苯冷卻器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要<

3、/b></p><p>　　各種類型的換熱器作為工藝過程重要的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、冶金、制冷等部門。換熱器應(yīng)按照工藝參數(shù)及條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足特定工況和苛刻操作條件的要求。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在工程中仍得到普遍使用。采用HTFS軟件進(jìn)行換熱器工藝設(shè)計(jì)已很普遍，但為了使設(shè)計(jì)出來的換熱器能更好地滿足各種工況，仍然有許多方面需在設(shè)計(jì)時(shí)加以充分考慮。&l

4、t;/p><p>　　本文是對浮頭式對二甲苯冷卻器的設(shè)計(jì)，其主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：</p><p>　　設(shè)計(jì)一臺浮頭式對二甲苯冷卻器，首先進(jìn)行冷卻器的工藝設(shè)計(jì)，確定選用的管殼式換熱器的類型、換熱器的管型、流體的走向和流向、確定相關(guān)的冷卻介質(zhì)，最后給出相關(guān)的理由。對二甲苯的性質(zhì)對于工藝設(shè)計(jì)有一定的影響，而工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果又可能直接影響到后期的熱力計(jì)算和制圖，所以如何正確的做出選擇，需要查詢一定量

5、的國標(biāo)和文獻(xiàn)。</p><p>　　然后對于對二甲苯的物性參數(shù)的查詢，通過《實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊》查詢對應(yīng)狀態(tài)下的對二甲苯的物性參數(shù)。處理完基本數(shù)據(jù)，接著對冷卻器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，初定換熱系數(shù)，選擇合適的管子尺寸，算的換熱面積，冷卻器管程和殼程的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，包括這流管尺寸、管子長度、接管直徑等。殼程的尺寸通過管子的排布而確定，管子的布置盡量要均勻合理，以免導(dǎo)致受熱不均引起的應(yīng)力。</p><p&

6、gt;　　接著進(jìn)行冷卻器的熱力計(jì)算。根據(jù)殼程和管程的傳熱系數(shù)，結(jié)合相關(guān)熱阻和相關(guān)影響因素，算出系統(tǒng)總傳熱系數(shù)。然后根據(jù)水和對二甲苯的污垢熱阻算出管程和殼程阻力。</p><p>　　本論文所做的工作是對浮頭式對二甲苯冷卻器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作和設(shè)計(jì)計(jì)算的一整套過程，分析并研究冷卻器設(shè)計(jì)過程中相關(guān)注意點(diǎn)，并怎樣通過改變相關(guān)變量來提高冷卻器的性能，為日后冷卻器的相關(guān)設(shè)計(jì)研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。</p>&l

7、t;p>　　關(guān)鍵詞：浮頭式 對二甲苯 管殼式換熱器 冷卻器 </p><p>　　The Design of floating head p-xylene cooler</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As process equipment, all types of heat exchan

8、gers are widely used in petrochemical, pharmaceutical, metallurgy, refrigeration and other departments. The heat exchanger should be designed in accordance with the process parameters and conditions to meet the requireme

9、nts of the specific conditions and harsh operating conditions. Shell and tube heat exchanger has a solid structure, flexible operation, high degree of reliability, the use of a wide range, so is still widely used in engi

10、neering. HTFS </p><p>　　This article is the design of the floating head p-xylene cooler, and its main contents and conclusions are as follows:</p><p>　　Design a floating head p-xylene cooler ,de

11、termine the selection of shell and tube heat exchanger type of heat exchanger tube, the fluid toward and direction to determine the cooling medium. Finally, giving related reasons. Have a certain impact on the p-xylene n

12、ature of the process design, process design results may have a direct impact on the thermodynamic calculation and mapping of late, so how to make a choice, you need a certain amount of GB and literature, will be a diffic

13、ulty. </p><p>　　For inquiries on the physical parameters of the p-xylene, the corresponding physical parameters of p-xylene in the state ok Practical Thermal Physical Properties Of Manual Queries. Deal with

14、the basic data, then the cooler design of the structure, an initial heat transfer coefficient, and select the appropriate pipe size, count the heat transfer area, cooler tube side and shell side of the structure size, in

15、cluding the flow tube size, pipe length, diameter, to take over. The size of the shell de</p><p>　　Followed by a cooler thermal calculation. According to the shell and tube heat transfer coefficient, and the

16、 related thermal resistance and related factors to calculate the overall heat transfer coefficient. Then calculated according to the fouling resistance of the tube side and shell side.</p><p>　　The work done

17、 in this paper is on the preparatory work of a floating head the p-xylene cooler design and design calculations of a set of processes, attention to points in the process of analysis and the cooler design, and how by chan

18、ging the relevant variables to improve the cooler performance provides a theoretical basis.</p><p>　　Key words: Floating Head, P-xylene, Shell And Tube Heat, Cooler</p><p><b>　　目 錄</b&

19、gt;</p><p>　　摘 要.....................................................................................................Ⅰ</p><p>　　ABSTRACT.........................................................

20、...................................Ⅱ</p><p>　　第一章 緒 論......................................................................................1</p><p>　　1.1 課題背景..................................

21、..................................................................1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展及研究動態(tài)............................................................................1</p><p>　　1.2.1 理論研究......

22、.....................................................................................1</p><p>　　1.2.2 實(shí)驗(yàn)研究...........................................................................................5</p>

23、;<p>　　1.2.3設(shè)計(jì)方法研究....................................................................................7</p><p>　　1.3 課題研究的意義............................................................................

24、............7</p><p>　　第二章 熱力計(jì)算....................................................................................8</p><p>　　2.1 流體走向選擇..........................................................

25、..................................8</p><p>　　2.2 已知數(shù)據(jù)....................................................................................................8</p><p>　　2.3 流體的物性參數(shù)...................

26、.....................................................................9</p><p>　　2.4 傳熱量與平均溫差...................................................................................10</p><p>　　2.5 估算傳

27、熱面積與傳熱面結(jié)構(gòu)...................................................................10</p><p>　　2.6 管程計(jì)算...................................................................................................13</p>

28、<p>　　2.7 殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算...............................................................................13</p><p>　　2.8 需用傳熱面積................................................................................

29、...........16</p><p>　　2.9 阻力計(jì)算...................................................................................................17</p><p>　　第三章 結(jié)論與展望...........................................

30、....................................19</p><p>　　3.1 結(jié)論...........................................................................................................19</p><p>　　3.2 展望...............

31、............................................................................................19</p><p>　　參考文獻(xiàn).................................................................................................21

32、</p><p>　　符號表.....................................................................................................22</p><p>　　致謝..................................................................

33、.......................................23</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)應(yīng)用普遍、在煉油、化工裝置中換

34、熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%~45%。近年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，在換熱設(shè)備中，管殼式換熱器使用量最大。因此對其進(jìn)行研究就具有很大的意義[1]。管殼式換熱器由一個(gè)殼體和包含許多管子的管束所構(gòu)成，冷、熱流體之間通過管壁進(jìn)行換熱的換熱器。它適應(yīng)于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個(gè)方面。通常管殼式換熱器的工作壓力可達(dá)4兆帕，工作溫度200℃以下，在個(gè)別情況下還可以達(dá)到更

35、高的壓力和溫度。一般殼體直徑在1800mm以下，管子長度在9m以下，在個(gè)別情況下也有更大或更長的[2]。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展及研究動態(tài)</p><p><b>　　1.2.1理論研究</b></p><p>　　浮頭式冷卻器主要由管箱、管板、管子、殼體和折流板等構(gòu)成。通常殼體為圓筒形；管子為直管或U形管[3]。為提高換熱器的傳

36、統(tǒng)熱效能，也可采用螺紋管、翅片管等。管子的布置有等邊三角形、正方形、正方形斜轉(zhuǎn)45º和同心圓等多種形式，前三種形狀是最為常見的。按三角形不只是，在相同直徑的殼體內(nèi)可排列較多的管子，以增加傳熱面積，但管間難以用機(jī)械方法清洗，流體阻力也較大、管板和管子的總體稱為管束。管子端部與管板的連接有焊接和脹接兩種。在管束中橫向設(shè)置一些折流板，引導(dǎo)殼程流體多次改變流動方向，有效地沖刷管子，以提高傳熱效能，同時(shí)對管子起支撐作用[2]。浮頭式冷卻

37、器根據(jù)其管束支承結(jié)構(gòu)不同可分為四種形式：板式支承，如折流板換熱器；桿式支承，如折流桿換熱器；空心環(huán)支承，如空心環(huán)換熱器；管子自支承，如刺孔膜式換熱器。傳統(tǒng)的管殼式換熱器采用弓形折流板支承，由于殼程流體在轉(zhuǎn)折和進(jìn)出口兩端渦流的滯留區(qū)易產(chǎn)生傳熱死區(qū)，傳熱面積無法得到充分利用，并且當(dāng)流體橫向流過管束時(shí)，流體在管子后方形成的卡門漩渦產(chǎn)生周期性交變應(yīng)力，使管子發(fā)生流體誘導(dǎo)振動。為使折流板的性能得到改進(jìn)，人們又提出了多弓形折流板，整圓形折流板，異形

38、孔折流板、網(wǎng)狀</p><p>　　一種新型高效螺旋折流板換熱器有望成為管殼式換熱器升級換代的主導(dǎo)產(chǎn)品， 大型石油、化工企業(yè)將能以簡捷利低成本的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。記者上周從杭州華東化工裝備實(shí)有限公司了解到，其研制的新型高效螺旋折流板換熱器——全封閉流道連續(xù)型無中心管螺旋折流板換熱器在杭州龍山化工有限公司應(yīng)用后，換熱器傳熱效率較原先提高79．8％。換熱器是石油化工、冶金、電力等行業(yè)的主要設(shè)備，其設(shè)計(jì)制造水平的高低直接關(guān)

39、乎換熱效果，影響能耗。目前管殼式換熱器約占我國全部換熱器量的70～80％，石化企業(yè)換熱器更是占全部設(shè)備的40％以上。國內(nèi)外絕人多數(shù)在役的管殼式換熱器還在采用垂直弓型折流板結(jié)構(gòu)，存在流動死區(qū)大、殼程流動阻力大、易積垢等不足，換熱器整體傳熱效率低，使用周期短，還容易誘發(fā)管束的振動噪音[5] 。</p><p>　　管殼式換熱器按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U型管式換熱器、雙重管式換熱器、填料函式換熱器

40、和雙管板換熱器的[6]。前3種應(yīng)用比較普通。浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)：兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動，稱為浮頭。浮頭由浮動管板、勾圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。它的特點(diǎn)是殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高（比固定管板高20%），在運(yùn)行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大

41、或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場合[2]。</p><p>　　在設(shè)計(jì)浮頭式冷卻器時(shí)，在滿足工藝過程要求的前提下，浮頭式冷卻器換熱器應(yīng)達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。浮頭式冷卻器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱計(jì)算及壓降計(jì)算等[7]。設(shè)計(jì)主要包括殼體形式、管程數(shù)、換熱管類型、管長、管子排列、管子支承結(jié)構(gòu)、冷熱流體的流動通道等工藝設(shè)計(jì)和封頭、殼體、管板等零部件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算[8]。浮頭式冷卻器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的

42、不同可分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算兩種，包括計(jì)算換熱面積和選型兩個(gè)方面[9]。一般已知冷、熱流體的處理量和它們的物性。進(jìn)出口溫度、壓力由工藝要求確定。設(shè)計(jì)中需選擇或確定的數(shù)據(jù)有三大類，即物性數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)計(jì)算是由已知數(shù)據(jù)計(jì)算換熱面積，進(jìn)而決定換熱器的結(jié)構(gòu)，可選定標(biāo)準(zhǔn)形式的浮頭式冷卻器；校核計(jì)算是對已有換熱器，核定一些運(yùn)行參數(shù)，校核它是否滿足預(yù)定的換熱要求。[9]文獻(xiàn)[2]提供了冷卻器設(shè)計(jì)的基本步驟如圖1-1所示。</p&

43、gt;<p>　　圖1-1冷卻器的基本設(shè)計(jì)流程</p><p>　　冷卻器設(shè)計(jì)存在的常見問題如下：（1）管程試驗(yàn)壓力高于課程試驗(yàn)壓力時(shí)管頭的試壓（2）水壓試驗(yàn)壓力的正確取值（3）避免換熱管與管板異種鋼焊接（4）高壓換熱器用換熱管標(biāo)準(zhǔn)的正確選用（5）換熱器受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度和最大無支撐跨距的取值問題（6）隔板槽面積取值的誤區(qū)（7）U形管換熱器中U形管彎管處的支撐不容忽略（8）低溫?fù)Q熱器管板與殼體的連接結(jié)

44、構(gòu)[10-12]。管殼式換熱器中，對管程為雙程或多程或殼程為二程時(shí)，必須沒置隔板，這時(shí)管板上在設(shè)置隔板槽部位不能布管，因此在管板計(jì)算中必須計(jì)算隔板槽面積[13]。在管殼式換熱器設(shè)計(jì)工作中，管板上管孔數(shù)量是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，它是決定一臺換熱器的換熱面積、管板的計(jì)算厚度、殼程殼體計(jì)算厚度等許多結(jié)果的一個(gè)重要參數(shù)，必須絕對準(zhǔn)確[14]。換熱器的傳熱面積與管、殼程流速聯(lián)系密切，流速增大，流體湍流程度增大，殼程側(cè)對流傳熱系數(shù)增大，殼程側(cè)對流

45、傳熱系數(shù)亦增大[15]。流速增大，還可減少污垢在管子表面沉積的可能，管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻減??；但同時(shí)流體阻力增大，換熱面積減小，設(shè)備投資減少；但同時(shí)流體阻力增大，壓力降增大，動力消耗增大，操作費(fèi)用增大。由此可見，流速和</p><p>　　在冷卻器的設(shè)計(jì)中，還有一些常規(guī)問題需要考慮。比如在物流的安排上，一般應(yīng)遵循以下原則：</p><p>　　1．不清潔的流體走管內(nèi)，因?yàn)樵诠軆?nèi)空間

46、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)空間也便于清洗；</p><p>　　2．體積小的流體走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)空間的流動截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動；</p><p>　　3．壓力大的流體走管內(nèi)，因?yàn)楣茏映袎耗芰?qiáng)，而且還簡化了殼體密封的要求；</p><p>　　4．腐蝕性強(qiáng)的流體走管內(nèi)，因?yàn)橹挥泄?/p>

47、子及管箱才需用耐腐蝕材料，而殼體可用普通材料制造，所以造價(jià)可以降低。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查；</p><p>　　5．與外界溫差大的流體走管內(nèi)，因?yàn)榭梢詼p少熱量的逸散；</p><p>　　6．飽和蒸汽走殼程，因?yàn)檎羝麑α魉俸颓謇頍o甚要求，并易于排除冷凝液；</p><p>　　7．粘度大的流體走殼程，殼程的流動截面和方向都在

48、不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大 [17]。</p><p>　　GB150-1998規(guī)定：當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時(shí)，鋼材厚度負(fù)偏差可忽略不計(jì)。負(fù)偏差的問題，在設(shè)計(jì)上錯誤出現(xiàn)頻率較高，可使殼體壁厚小一檔，還可能引起開孔補(bǔ)強(qiáng)不足，應(yīng)務(wù)必引起注意。新版GB713-2008規(guī)定的負(fù)偏差是0.30mm，鋼材厚度負(fù)偏差就不能忽略不計(jì)了[18]。鋼管負(fù)偏差問題，主要涉及到兩

49、項(xiàng)內(nèi)容：管束的級別問題（采用普通級的碳素鋼、第合金鋼冷拔鋼管做換熱管為Ⅱ級，其余均為Ⅰ級），會影響到管板和折流板管孔的公差精度，還應(yīng)注意不同材質(zhì)的換熱管所對應(yīng)的管孔的公差精度，還應(yīng)注意不同材質(zhì)的換熱管所對應(yīng)的管孔公差是不同的；影響到開孔補(bǔ)強(qiáng)效果，鋼管的負(fù)偏差均按壁厚的一定比例給出[19]。在殼體的設(shè)計(jì)時(shí)，按GB151-1990表8、表9，一般在較低的設(shè)計(jì)壓力下，在耐壓能力方面，殼體是偏厚的。這主要是為了保證殼體剛度，浮頭式和U形管式還要

50、考慮一定的磨損量，所以，比固定管板式還厚。如果厚度附加量C2大于1，最小厚度還應(yīng)相應(yīng)增加。在設(shè)計(jì)管板時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：管板的布管數(shù)要足夠；延長部分兼做作法蘭的管板，其許用應(yīng)力的選取，一定要注意GB150-1998第4章表4-1注</p><p><b>　　1.2.2實(shí)驗(yàn)研究</b></p><p>　　目前對管殼式換熱器的研究主要有：傳熱強(qiáng)化，能量回收利用，以及為高效化

51、，大型化的進(jìn)展所作的研究[21] 。20世紀(jì)70年代的世界能源危機(jī)，有利地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。世界上主要工業(yè)國都在20世紀(jì)70年代開始了強(qiáng)化技術(shù)的開發(fā)研究工作。大部分的研究和成功地應(yīng)用都屬于無源技術(shù)，即從改變傳熱面形狀人手。改變傳熱面形狀的方法有多種，應(yīng)用較多、效果較顯著的有：螺旋槽紋管、橫槽紋管、縮紋管、管內(nèi)加插入物、單面縱槽管、多孔表面管、低螺紋翅片管等等[22]。改變管殼式換熱器換熱管型式，就能使換熱管的傳熱系數(shù)、傳熱面積和

52、對數(shù)平均溫度差等參數(shù)發(fā)生改變，也就能改變換熱管的傳熱量，這對于我們尋求換熱管的最大換熱效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義[23]。實(shí)驗(yàn)證明，各種強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)在不同工況下強(qiáng)化傳熱效果不同，但一般都以增大管內(nèi)阻力為代價(jià)，因而應(yīng)根據(jù)具體工況選擇適當(dāng)?shù)姆椒?，也可以根?jù)不同強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用兩種或兩種以上強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)，如螺旋槽管內(nèi)插入旋向相反的扭帶，使二者取長補(bǔ)短，事實(shí)證明該方法行之有效[24]。</p>

53、<p>　　通過對連續(xù)肋管殼式換熱器傳熱和阻力特性實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，管殼式換熱器以其對壓力、溫度、介質(zhì)的適應(yīng)性、耐用性及經(jīng)濟(jì)性，在換熱設(shè)備中仍處于主導(dǎo)地位，通過對連續(xù)肋片管殼式換熱器的傳熱與阻力特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同工況下殼側(cè)平均努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明，Pr數(shù)的變化對殼側(cè)流體的平均傳熱系數(shù)有顯著影響，而對阻力系數(shù)影響不大[25]。</p><p>　　在研究殼程多通道管殼

54、式換熱器中并列分置管束長寬比銳減對其內(nèi)部速度場及深度換熱性能的影響中，得出以下結(jié)論:</p><p>　　(1)隨著并列分置管束模型中傳熱管數(shù)目的增多、長寬比銳減，換熱器的殼程阻力增大且換熱性能下降。給定工況下在長寬比大于4.62的并列分置管束模型可以實(shí)現(xiàn)深度換熱，小于3.08的并列分置管束模型中不能實(shí)現(xiàn)深度換熱。</p><p>　　(2)長寬比銳減導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降主要是因?yàn)楫?dāng)長寬比銳減

55、的時(shí)候，換熱器中的流動越來越是由2個(gè)錯流組成，傳熱過程嚴(yán)重偏離純逆流換熱。隨著長寬比的銳減，并列分置管束模型中的殼程流速分布越來越不均勻，這也是導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱性能降低的原因之一。</p><p>　　(3)給出了不同長寬比的并列分置管束模型內(nèi)的速度場分布。由于在流道分區(qū)過程中，單元流路區(qū)域與殼程多通道管殼式換熱器的殼程流路具有極高的相似性，因此模擬結(jié)果對了解超大型管殼式換熱器的殼程的速度場分布有意義[26]。&l

56、t;/p><p>　　1.2.3設(shè)計(jì)方法研究</p><p>　　基于微分法，提出了一種簡單但精確的單相管殼式換熱器溫度分布計(jì)算模型。根據(jù)折流板數(shù)Nb和管程數(shù)n，將換熱器劃分成(Nb +1)個(gè)大單元，(Nb+1)n個(gè)子單元，管程流體順次流過子單元，殼程流體平行流過大單元。以HTRI方法為基準(zhǔn)，分別采用本模型和Cell模型對u型管式和浮頭式換熱器溫度分布情況進(jìn)行計(jì)算，通過與HTRI的計(jì)算結(jié)果比較

57、，驗(yàn)證了該計(jì)算模型的可行性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：相同操作條件下，該文模型和Cell模型計(jì)算BEU型換熱器管程溫度分布最大誤差分別為0.19％和1.74％ ；計(jì)算AES型換熱器管程最大誤差分別為0.35％和6.44％ ，殼程最大誤差分別為-0.44％和1．69％ 。模型適用于光管構(gòu)成的單相管殼式換熱器[27-28]。</p><p>　　1.3課題研究的意義 </p><p>　　管殼式換熱器

58、作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，它雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、操作彈性大、可靠度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在化工、煉油、石油化工、動力、核能和其他工業(yè)裝置中得到普遍采用特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應(yīng)用占據(jù)絕對優(yōu)勢。</p><p><b>　　第二章 熱力計(jì)算</b></p><p>　　2.1流體走向的

59、選擇</p><p>　　在設(shè)計(jì)熱交換器時(shí)必須正確選定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。這時(shí)要考慮下述一些原則：</p><p>　　(1)要盡量提高使傳熱系數(shù)受到限制的那一側(cè)的換熱系數(shù)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱條件盡量接近；</p><p>　　(2)盡量節(jié)省金屬材料，特別是貴重材料，以降低制造成本；</p><p>　　(3)要便于清洗積垢，

60、以保證運(yùn)行可靠；</p><p>　　(4)在溫度較高的熱交換器中應(yīng)減少熱損失，而在制冷設(shè)備中則應(yīng)減少冷量損失</p><p>　　(5)要減小殼體和管子因受熱不同而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，以便使結(jié)構(gòu)得到簡化；</p><p>　　(6)在高壓下工作的熱交換器，應(yīng)盡量使密封簡單而可靠；</p><p>　　(7)要便于流體的流入、分配和排出</

61、p><p>　　根據(jù)這些原則，可以認(rèn)為在下列情況下的流體在管程流過是比較合理的，即容積流量小的流體；不清潔、易結(jié)垢的流體；壓力高的流體；有腐蝕性的流體；高溫流體或在低溫裝置中的低溫流體。</p><p>　　下列情況的流體在殼程流過比較合理，即：容積流量大的流體特別是常壓下的氣體；剛性結(jié)構(gòu)熱交換器中換熱系數(shù)大的流體；高黏度流體和在層流區(qū)流動的流體；飽和蒸汽。</p><p&

62、gt;　　因此，選擇對二甲苯走殼程，水走管程。</p><p><b>　　2.2已知數(shù)據(jù)</b></p><p>　　對二甲苯的入口溫度 60℃ （2-1）</p><p>　　對二甲苯的出口溫度 45℃

63、 （2-2）</p><p>　　冷卻水的入口溫度 33℃ （2-3）</p><p>　　冷卻水的出口溫度 38℃ （2-4）</p><p>　　對二甲苯的操作壓力 0.5MPa

64、 （2-5）</p><p>　　冷卻水的操作壓力 0.5MPa （2-6）</p><p>　　冷卻水的流量 41.67kg/s （2-7）</p><p>　　2.3流體的物性參數(shù)&l

65、t;/p><p>　　對二甲苯定性溫度 </p><p>　　℃ （3-1）</p><p>　　對二甲苯比熱 kJ/(kg·℃) （3-2）</p><p>　　對二甲苯密度 kg/m³

66、 （3-3）</p><p>　　對二甲苯粘度 kg/(m·s) （3-4）</p><p>　　對二甲苯導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·℃) （3-5）</p><p>　　對二甲苯普蘭德數(shù) </

67、p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　水的定性溫度 </p><p>　　℃ （3-7）</p><p>　　水的比熱 kJ/(kg·℃) （3-8）</p><

68、;p>　　水的密度 kg/m³ （3-9）</p><p>　　水的導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·℃) （3-10）</p><p>　　水的粘度 kg/(m·s)

69、 （3-11）</p><p>　　水的普蘭德數(shù) </p><p><b>　　（3-12）</b></p><p>　　2.4傳熱量及平均溫差</p><p>　　熱損失系數(shù) (取用) （4-1）</p>

70、<p>　　傳熱量 </p><p>　　kW （4-2）</p><p>　　對二甲苯流量 </p><p>　　kg/s （4-3）</p><p><b>　　逆流時(shí)對數(shù)平均溫差</b></p><p>　　℃

71、 （4-4） </p><p>　　參數(shù)P及R </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　溫差修正系數(shù)

72、 （4-7）</p><p>　　有效平均溫差 </p><p>　　℃ （4-8）</p><p>　　2.5估算傳熱面積及傳熱面結(jié)構(gòu)</p><p>　　初選傳熱系數(shù) W/(m²·℃) （5-1）</p>

73、<p>　　傳熱系數(shù)主要通過以下三種方法確定：</p><p>　　(1)選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 由設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參考書籍選用工藝條件相仿、設(shè)備類型類似的傳熱系數(shù)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。附錄A列出了一些常用熱交換器傳熱</p><p>　　系數(shù)的大致范圍，可作參考。</p><p>　　(2)實(shí)驗(yàn)測定 通過實(shí)驗(yàn)測定的傳熱系數(shù)比較可靠，不但可為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，

74、而且可以了解設(shè)備的性能，若能進(jìn)一步測定換熱系數(shù)，還可借以探討改善設(shè)備生產(chǎn)能力的途徑，但是實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)值一般只能在與使用條件相同的情況下應(yīng)用</p><p>　　(3)通過計(jì)算 在缺乏合適的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，或需要知道比較準(zhǔn)確的數(shù)值時(shí)，傳熱系數(shù)只能通過計(jì)算。但是計(jì)算的到的傳熱系數(shù)往往也與實(shí)際有出入，這主要是由于計(jì)算換熱系數(shù)的公式不完全準(zhǔn)確以及污垢熱阻也不易準(zhǔn)確估計(jì)等原因。</p><p>　　

75、估算傳熱面積 </p><p>　　m² （5-2）</p><p>　　管子材料及規(guī)格 碳鋼無縫鋼管mm</p><p>　　對換熱系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行分析可知，在其他條件相同的情況下，采用小管徑可使傳熱得到增強(qiáng)，但其影響不是很大。小直徑管子能使單位體積的傳熱面打，因而在同樣體積內(nèi)可布置更多的傳熱面。根據(jù)

76、估算，將同殼徑換熱器由25mm的管子改成19mm時(shí)，傳熱面可增加40%左右，節(jié)約金屬約25%?；蛘哒f，當(dāng)傳熱面一定是，采用小管徑可使管子長度縮短。</p><p>　　減小管徑將使流動阻力增加。此外管徑減小將增加管數(shù)，這就使管子與管板連接處的泄漏的可能性增大：最后，管徑越小，越易積垢。因此管徑的選擇要視所用材料和操作條件等而定，總的趨向是采用小直徑的管子。</p><p>　　管程內(nèi)水的流

77、速 m/s（選用） （5-3）</p><p>　　選擇恰當(dāng)?shù)牧魉賹τ跓峤粨Q器的正常操作具有重要的意義。因?yàn)樵谝话闱闆r下，流速的增加將使換熱系數(shù)隨之劇增，但是增加流速將使流動阻力也隨之增大，且其增加的速率遠(yuǎn)超過換熱系數(shù)的增加速率。例如同在湍流狀態(tài)下比較，管內(nèi)流動時(shí)的，管外流動時(shí)的，而。對層流狀態(tài)及過渡狀態(tài)進(jìn)行分析之后也進(jìn)而得到類似的結(jié)果。</p&g

78、t;<p>　　因此，所選擇的流速要盡量使流體呈湍流狀態(tài)，以保證設(shè)備在較大的傳熱系數(shù)下進(jìn)行熱交換，為避免產(chǎn)生過大的壓降，才不得不選用層流狀態(tài)下的流速。而</p><p>　　流速的最大值又是由允許的壓降所決定的，當(dāng)允許的壓降已經(jīng)限定，則最大流速就可由阻力公式計(jì)算出來。如果所允許的壓降不是有生產(chǎn)條件來決定，則可根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定最佳流速（或最經(jīng)濟(jì)流速），這時(shí)設(shè)備的投資費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用之和最低。<

79、;/p><p>　　還須注意，只有提高換熱系數(shù)低的那一側(cè)的流速，才能對傳熱系數(shù)的增加發(fā)生顯著的影響。</p><p><b>　　管程所需流通截面</b></p><p>　　m² （5-4）</p><p>　　每程管數(shù) </p><p>&

80、lt;b>　?。?-5）</b></p><p>　　每根管長 </p><p>　　m取標(biāo)準(zhǔn)長7.5m （5-6）</p><p>　　管程數(shù) =2 （5-7）</p><p>　　管子排

81、列方式 轉(zhuǎn)角正方形（根據(jù)浮頭式熱交換器要便于清掃和檢修，同時(shí)考慮到要保證管板有必要的強(qiáng)度，而且管子和管板的連接要堅(jiān)固和緊密，設(shè)備要盡量緊湊，以便減小管板和殼體的直徑，并使管外空間的流通截面減小，以便提高管外流體的流速，要使制造、安裝和修理、維護(hù)簡便）</p><p>　　管中心距 mm（由表2.3） （5-8）&

82、lt;/p><p>　　分程隔板槽處管中心距 mm（由表2.3） （5-9）</p><p>　　平行于流向的管距 mm （5-10）</p><p>　　垂直于流向的管距 mm （5-11）</p><p&g

83、t;　　拉桿直徑 16mm</p><p>　　管子排列形式 上半部分由上而下</p><p>　　正方形層數(shù) （5-12）</p><p>　　總管子數(shù) </

84、p><p>　　拉桿數(shù) 6根（見表2.7，估計(jì)殼體直徑在700~900mm之間）</p><p>　　傳熱面積 m² （5-13）</p><p>　　管束中心至最外層管中心距離 0.339m</p><p>　　管束外緣直徑 &

85、lt;/p><p>　　m （5-14）</p><p>　　殼體內(nèi)徑 </p><p>　　m（按GB151—1999規(guī)定，取標(biāo)準(zhǔn)直徑0.75m） （5-15）</p><p>　　在確定殼體直

86、徑時(shí)，應(yīng)先確定內(nèi)徑，殼體內(nèi)徑與管子的排列方式密切相關(guān)。在排列管子時(shí)，要考慮每一拉桿也占一根管子的位置。在多管程熱交換器中，分程隔板和縱向隔板所占位置也增大了殼體內(nèi)徑。因此，在確定內(nèi)徑，尤其是多程熱交換器的內(nèi)徑時(shí)，最可靠的方法是通過作圖。</p><p>　　下列公式可用來粗估內(nèi)徑：</p><p><b>　　（5-16）</b></p><p&g

87、t;　　式中 －管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般?。ǎ?lt;/p><p><b>　　2.6管程計(jì)算</b></p><p><b>　　管程接管直徑 </b></p><p>　　mm （6-1）</p><p><b>　?。ò翠摴軜?biāo)準(zhǔn)取值）&l

88、t;/b></p><p>　　管程雷諾數(shù) </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　管程換熱系數(shù) 、</p><p>　　W/(m²·℃)（6-3）</p><p>　　2.7殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算</p&

89、gt;<p>　　折流板形式 弓形（弓形折流板的缺口和板間距的大小是影響傳熱效果和壓降的兩個(gè)重要因素。缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時(shí)與橫過管束時(shí)的流速相近，缺口大小是按切去的弓形弦高占?xì)んw內(nèi)徑的百分比來確定的，缺口弦高一般為殼體內(nèi)徑的20%~45%）</p><p>　　折流板缺口高度 </p><p>　　m （7-1）&

90、lt;/p><p>　　折流板的圓心角 120度</p><p>　　折流板間距 m（弓形折流板的間距一般不應(yīng)小于殼體內(nèi)徑的1/5，且不小于50mm，最大則不超過表2.5的規(guī)定，且不超過圓筒內(nèi)徑。兩塊管板與端部兩塊折流板的距離通常大于中間一些這流板的距離，以便為殼程進(jìn)出口提供額外空間。中間折流板，除有特殊要求者外，一般在管子的有效長度上

91、作等距離布置）</p><p>　　折流板數(shù)目 </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　折流板上管孔數(shù) 204個(gè)</p><p>　　折流板上管孔直徑 m（由GB151—1999） （7-3

92、）</p><p>　　通過折流板上管子數(shù) 202根</p><p>　　折流板缺口處管數(shù) 40根</p><p>　　折流板直徑 m（由GB151—1999） （7-4）</p><p>　　折流板缺口面積 </p>

93、;<p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　2.7殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算</p><p>　　錯流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)</p><p>　　= （8-1）</p><p><b>　　=0.64</b></p><p>　　缺口處管

94、子所占面積 </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　流體在缺口處流通面積 </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　流體在兩折流板見錯流流通截面積</p><p><b>　　（8-4）</b>&

95、lt;/p><p><b>　　=0.088m²</b></p><p>　　殼程流通截面積 </p><p>　　m² （8-5）</p><p>　　殼程接管直徑 </p><p>　　mm（由鋼管標(biāo)準(zhǔn)選相應(yīng)規(guī)格）

96、 （8-6）</p><p>　　錯流區(qū)管排數(shù) （8-7）</p><p>　　每一缺口內(nèi)的有效錯流管排數(shù)</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　旁流通道數(shù)

97、 （8-9）</p><p>　　旁通擋板數(shù) （選取） （8-10）</p><p>　　錯流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)</p><p>　?。?-11）一塊折流板上管子和管孔間泄漏面積</p><p>　　（8-12）折

98、流板外緣與殼體內(nèi)壁之間的泄漏面積</p><p>　?。?-13） </p><p>　　=0.003534m²</p><p><b>　　殼程雷諾數(shù) </b></p><p><b>　　(8-14)</b></p><p>　　理想管束傳熱因子

99、 （由圖2.28） (8-15) </p><p>　　折流板缺口校正因子 （由圖2.29） (8-16)</p><p>　　折流板泄漏校正因子 (8-17)</p><p>　　

100、旁通校正因子 （查圖2.31） (8-18)</p><p>　　殼程傳熱因子 </p><p><b>　　(8-19)</b></p><p>　　殼程質(zhì)量流速 </p><p><b>　　(8-20)<

101、;/b></p><p>　　殼側(cè)壁面溫度 (假定) (8-21)</p><p>　　壁溫下對二甲苯粘度 </p><p><b>　　(8-22)</b></p><p>　　殼側(cè)換熱系數(shù) </p>&

102、lt;p>　　W/(m²·℃) (8-24)</p><p><b>　　2.8需用傳熱面積</b></p><p>　　水垢熱阻 W（查相關(guān)資料） (9-1)</p><p>　　對二甲苯污垢熱阻 （查相關(guān)資料） (9-2)</p>

103、<p>　　傳熱系數(shù) </p><p>　　(9-3)傳熱面積 (9-4)</p><p>　　檢驗(yàn)殼側(cè)壁溫 </p><p><b>　　(9-5)</b></p><p>　　（與原假定值相差0.1℃）</p>

104、<p><b>　　2.9阻力計(jì)算</b></p><p>　　管內(nèi)摩擦系數(shù) （查圖2.35） (10-1)</p><p>　　管側(cè)壁溫 (10-2)</p><p>　　壁溫下水的粘度

105、 </p><p>　?。ú槲镄员恚?(10-3)</p><p>　　沿程阻力 </p><p><b>　　(10-4)</b></p><p>　　回彎阻力 </p><p><b>　　(10-5)</b&

106、gt;</p><p>　　進(jìn)出口連接管阻力 </p><p><b>　　(10-6)</b></p><p>　　兩臺管程總阻力 </p><p><b>　　(10-7)</b></p><p>　　理想管束摩擦系數(shù) （查圖2.36）

107、 (10-8)</p><p>　　理想管束錯流段阻力 </p><p><b>　　(10-9)</b></p><p><b>　　理想管束缺口處阻力</b></p><p><b>　　(10-10)</b></p><p&

108、gt;　　旁路校正系數(shù) （查圖2.38） (10-11)</p><p>　　折流板泄漏校正系數(shù) （查圖2.37） (10-12)</p><p>　　折流板間距不等的校正系數(shù) (10-13)</p>&

109、lt;p>　　殼程總阻力 (10-14)</p><p>　　對于相同的雷諾數(shù)，殼程摩擦系數(shù)大于管程摩擦系數(shù)，因?yàn)榱鬟^管束的流動有加速、方向變化等。但殼程的壓降不一定大，因壓降與流速、水力直徑、折流板數(shù)、流體密度等有關(guān)，因此在同樣的雷諾數(shù)時(shí)，殼程壓降有可能比管程低。由于殼程流體流過管束時(shí)的流路比較復(fù)雜，因而有不少學(xué)者對殼程阻力進(jìn)行了許多研究工作。一般認(rèn)為，對于無折流板時(shí)，可用管程阻力公式計(jì)算

110、殼程阻力。</p><p><b>　　結(jié)論與展望</b></p><p><b>　　3.1結(jié)論</b></p><p>　　本課題主要研究浮頭式對二甲苯冷卻器的設(shè)計(jì)，在給定冷卻水的進(jìn)出口溫度，對二甲苯的進(jìn)出口溫度以及冷卻水流量的情況下，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，從而得出結(jié)論：</p><p>　　

111、(1)設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，所選擇的換熱器為臥式換熱器，換熱器的換熱效果相比立式換熱器傳熱性能要好，更符合介質(zhì)流通情況。</p><p>　　(2)通過查找對二甲苯的物性參數(shù)，對二甲苯的粘度在不同溫度下是變化的，在計(jì)算殼程阻力時(shí)，不同位置時(shí)的阻力是不一樣的，所以殼程的阻力是比較復(fù)雜的。</p><p>　　(3)在設(shè)計(jì)換熱器管子排布時(shí)，不同的管子排布對換熱性能也有一定的影響，因此在管子排布方面盡可