化工原理課程設(shè)計(jì)之換熱器

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　設(shè)計(jì)任書(shū)…………………………………………………………….</p><p>　　工藝流程草圖及說(shuō)明………………….............................................</p&

2、gt;<p>　　工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)…………….............................................</p><p>　　確定設(shè)計(jì)方案………………………………………………………</p><p>　　選擇換熱器的類(lèi)型………………………………………………</p><p>　　流程安排……………………………………………

3、………………</p><p>　　確定物性數(shù)據(jù)……………………………………………………….</p><p>　　估算傳熱面積……………………………………………………….</p><p>　　熱流量………………………………………………………………</p><p>　　平均傳熱溫差………………………………………………………</p>

4、<p>　　傳熱面積……………………………………………………………</p><p>　　冷卻水用量…………………………………………………………</p><p>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………………………….</p><p>　　管徑和管內(nèi)流速……………………………………………………</p><p>　　管程數(shù)和傳熱管數(shù)

5、…………………………………………………</p><p>　　傳熱管排列和分程方法……………………………………………</p><p>　　殼體內(nèi)徑……………………………………………………………</p><p>　　折流板………………………………………………………………</p><p>　　其他附件……………………………………………………………&

6、lt;/p><p>　　接管…………………………………………………………………</p><p>　　換熱器核算………………………………………………………….9</p><p>　　熱流量核算…………………………………………………………9</p><p>　　殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………………………………………9</p><p&g

7、t;　　管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………………………………………9</p><p>　　污垢熱阻和管壁熱阻…………………………………………9</p><p>　　傳熱系數(shù)KC………………………………………………….10</p><p>　　傳熱面積裕度………………………………………………..10</p><p>　　換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力……………

8、…………………………..11</p><p>　　管程流體阻力………………………………………………..11</p><p>　　課程阻力……………………………………………………..11</p><p>　　輔助設(shè)備的計(jì)算和選型…………………………………………...11</p><p>　　換熱器入水管的規(guī)格………………………………………

9、 11 </p><p>　　從河邊至工廠的管子的規(guī)格………………………………… 12</p><p>　　離心泵1的規(guī)格………………………………………………….12</p><p>　　換熱器處離心泵2的規(guī)格……………………………………….13</p><p>　　蓄水池、涼水塔的設(shè)計(jì)…………………………………………14</p>

10、;<p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表……………………………………………...15</p><p>　　設(shè)計(jì)評(píng)述…………………………………………………………...17</p><p>　　主要符號(hào)說(shuō)明……………………………………………………...19</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　

11、人類(lèi)與化工的關(guān)系十分密切，在現(xiàn)代生活中，幾乎隨時(shí)隨地都離不開(kāi)化工產(chǎn)品，從衣、食、住、行等物質(zhì)生活，到文化藝術(shù)、娛樂(lè)等精神生活，都需要化工產(chǎn)品為之服務(wù)。有些化工產(chǎn)品在人類(lèi)發(fā)展歷史中，起著劃時(shí)代的重要作用。它們的生產(chǎn)和應(yīng)用，甚至代表著人類(lèi)文明的一定歷史階段。</p><p>　　化工設(shè)計(jì)是把一項(xiàng)化工過(guò)程從設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)的一個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)，涉及政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)；資源、產(chǎn)品、市場(chǎng)、用戶(hù)、環(huán)境；國(guó)策、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)；化學(xué)、化工、機(jī)械

12、、電氣、土建、自控、安全衛(wèi)生、給排水等專(zhuān)業(yè)和方化工設(shè)計(jì)包括三種設(shè)計(jì)類(lèi)型：新建工廠設(shè)計(jì)；原有工廠的改建和擴(kuò)建設(shè)計(jì)；廠房的局部修建設(shè)計(jì)。每種化工設(shè)計(jì)通常分為以工廠為單位和以車(chē)間為單位的兩種設(shè)計(jì)。</p><p>　　換熱器廣泛應(yīng)用于機(jī)械、動(dòng)力、運(yùn)輸、空調(diào)、制冷、低溫、熱量回收、替代燃料和制造領(lǐng)域中，其性能的每一點(diǎn)提高都意味巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。換熱器設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而艱辛的過(guò)程，它不僅僅是確定一個(gè)或者多個(gè)可行的解決方案

13、，還要求確定最可能的或接近最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本書(shū)詳細(xì)介紹和應(yīng)用傳熱學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)和微積分學(xué)基礎(chǔ)課程的基本概念，以拓展換熱器理論基礎(chǔ)。介紹和應(yīng)用換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)，以解決工業(yè)實(shí)踐中遇到的換熱器實(shí)際問(wèn)題。本書(shū)可作為熱工基礎(chǔ)理論知識(shí)與工業(yè)熱工設(shè)計(jì)實(shí)踐之間的紐帶，適用于在職工程師和在校大學(xué)生研究生學(xué)習(xí)及工程應(yīng)用。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>

14、;<b>　　設(shè)計(jì)題目：</b></p><p>　　用水冷凝水蒸氣（真空度為0.07Mpa，流量為200kg/h）的換熱器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第 一 章    概    述</p><p>　　列管式換熱器又稱(chēng)管殼式換熱器，它適用于冷卻、冷凝、加熱、換熱、再沸、蒸發(fā)和費(fèi)熱回

15、收等方面。由于其具有結(jié)構(gòu)牢固、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)，所以在工程上廣泛使用，特別在高溫高壓下，列管換熱器將繼續(xù)獲得發(fā)展。</p><p>　　換熱器可分為間壁式、混合式和畜熱式換熱器，采用什么類(lèi)型的換熱器，要具體情況綜合考慮，擇優(yōu)選定。例如在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器，化工廠中蒸發(fā)設(shè)備的加熱室等，大都采用列管式換熱器。本章將介紹列管式換熱器的設(shè)計(jì)任務(wù)、原則、原理和計(jì)算方法。<

16、;/p><p>　　第一節(jié)  設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件</p><p>　　用水將真空度為0.07Mpa，流量為200kg/h的水蒸氣冷凝，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管管殼式的換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　第二節(jié)  選擇換熱器的目的和型號(hào)</p><p>　　1.2.1 選擇換熱器的目的</p><p>　

17、　為了完成生產(chǎn)任務(wù)，即：用水將真空度為0.07Mpa，流量為200kg/h的水蒸氣冷凝，現(xiàn)選擇列管式換熱器來(lái)加熱。</p><p>　　1.2.2 換熱器的型號(hào)選擇</p><p>　?、?列管式換熱器的分類(lèi)</p><p>　　列管式換熱器（又名列管式冷凝器），按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器，不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、

18、浮頭式、U型管式、填料函式換熱器，按結(jié)構(gòu)分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積1～500㎡，可根據(jù)用戶(hù)需要定制。</p><p>　　四種換熱器的主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：</p><p>　　a、 固定管板式換熱器 </p><p>　　固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨

19、脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來(lái)補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。</p><p>　　特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。</p><p><b>　　b、U形管式換熱器</b></p><p>　　U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進(jìn)、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由

20、伸縮，來(lái)解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。</p><p>　　特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。</p><p><b>　　c、 浮頭式換熱器</b></p><p>　　換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱(chēng)浮頭。管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。</p

21、><p>　　特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。</p><p>　　d、 填料函式換熱器</p><p>　　此類(lèi)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。但是，由于填料密封處易于泄漏。故殼程壓力不能過(guò)高，也不易用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。</p><p>　?、?根據(jù)兩流體溫度變化情況&

22、lt;/p><p>　　熱流體（飽和蒸汽）進(jìn)口溫度為100℃，出口溫度為100℃；冷流體進(jìn)口溫度20℃，出口溫度30.8℃，估計(jì)冷熱流體溫差較大，從而該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，故初步確定：用浮頭式換熱器。</p><p>　　第三節(jié)  工藝條件的選擇</p><p>　　1.3.1 流體流入空間的選擇</p><p>　　設(shè)

23、計(jì)列管換熱器之前，要考慮哪一種流體走管程或殼程，這關(guān)系到設(shè)備使用是否合理。一般選擇原則如下：</p><p>　　（1）不干凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)清洗比較方便。</p><p>　?。?）腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。</p><p>　?。?）壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，可節(jié)省殼程金屬消耗量。<

24、/p><p>　?。?）飽和蒸汽宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，對(duì)清洗無(wú)要求。</p><p>　?。?）有毒流體宜走管內(nèi)，使泄露機(jī)會(huì)比較少。</p><p>　?。?）被冷卻流體宜走管間，可利用外殼向外散熱作用，增強(qiáng)冷卻效果。</p><p>　?。?）黏度大的液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

25、和流向的不斷改變，在低Re值（Re>100）下即可達(dá)湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。</p><p>　?。?）對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的傳熱器，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α大的流體溫度相近，可以減少熱應(yīng)力。</p><p>　　綜上述條件可確定：換熱器里飽和水蒸汽走殼程，循環(huán)冷卻水走管程。</p><p>　　1.3.2 流體流向的選擇&#

26、160; </p><p>　　參與換熱的兩種流體在間壁兩側(cè)流向有并流，逆流，錯(cuò)流四重類(lèi)型。實(shí)際生產(chǎn)中，流體多是比較復(fù)雜的多程流動(dòng)，考慮到經(jīng)濟(jì)性與效率等實(shí)際問(wèn)題，選擇折流。</p><p>　　綜上所述各條件的確定：可知換熱器中飽和水蒸汽走殼程，循環(huán)冷卻水走管程；流徑選擇折流。</p><p>　　第 二 章 換熱器尺寸的初步設(shè)計(jì) </p>

27、<p>　　第一節(jié) 確定物性數(shù)據(jù)</p><p>　　2.1.1涉及到的物性常數(shù)</p><p>　　管程中循環(huán)冷卻水的定性溫度：T=（20+40）/2=30℃</p><p>　　殼程中水蒸氣的壓強(qiáng)P=31330pa</p><p>　　此壓強(qiáng)下水蒸氣有關(guān)物性常數(shù)：</p><p>　　應(yīng)選擇水蒸氣走殼程，

28、水走管程：</p><p>　　第二節(jié)  流 速 的 確 定</p><p>　　換熱器內(nèi)流體速度大小必須通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算進(jìn)行選擇。因?yàn)榱魉僭黾樱瑐鳠崮は禂?shù)增大，同時(shí)亦減少污垢在管子表面沉積的可能行，降低了垢層的熱阻，從而使K值提高，所需傳熱面積減少，設(shè)備投資也減少，但隨著流速的增加，流體阻力也相應(yīng)增加，動(dòng)力消耗增大，使操作費(fèi)增加。因此，一般流體都盡可能使Re>200

29、0  ,粘度高的流體常按滯流設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，下面列出一些工業(yè)上常用的流速范圍。見(jiàn)下表：</p><p>　　表2—3  列管式換熱氣中常用的流速范圍：</p><p>　　表2--4 列管式換熱器易燃、易爆液體允許的安全流速：</p><p>　　表2--5  列管式換熱器中不同黏度液體的常用流速：</p><p&g

30、t;　　根據(jù)上面所述表格中的數(shù)據(jù)可選擇水流速為：u =1.0 m/s</p><p>　　第 三 章  始算設(shè)計(jì)換熱器的規(guī)格</p><p>　　第一節(jié) 估算傳熱面積</p><p><b>　　3.1.1．流量</b></p><p>　　Q = W*r=0.4556kg/s*1290.5 kJ/㎏=71.7

31、0kw</p><p>　　3.1.2．平均傳熱溫差（按折流計(jì)算）</p><p>　　熱流體(飽和水蒸汽):62℃（g ,進(jìn)口） 62℃(l ,出口）</p><p>　　冷流體(水) : 20 （l ,出口） 40（l ,進(jìn)口）</p><p>　　Δtm = φΔtΔtm '</p>&

32、lt;p>　　式中 Δtm ' ——按逆流計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫度差，單位：℃；</p><p>　　φΔt    ——溫度差校正系數(shù)，量綱為 1。</p><p>　　溫度差校正系數(shù)φΔt   與冷、熱流體的溫度變化有關(guān)，是P和R兩因數(shù)的函數(shù)，即：φΔt =f(P,R) </p><p>　　顯然

33、因?yàn)榇藭r(shí)R=0而不能用查表取得對(duì)應(yīng)的φΔt   值。又當(dāng)換熱器中某一側(cè)流體有相變而保持溫度不變時(shí)，不論何種流動(dòng)形式，只要流體的進(jìn)、出口的溫度相同，其平均溫度差均相同。故可按逆流計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫度差代替此處的平均溫度差，即：Δtm = Δtm ' =20/(ln62/42))=51.35℃</p><p>　　3.1.3．傳熱面積</p><p>　　傳

34、熱面積k值范圍581.5 W/（㎡·℃）～1744.5 W/（㎡·℃）</p><p>　　假設(shè)傳熱系數(shù)K = 1000 W/（㎡·℃）</p><p>　　則估算傳熱面積為：S = Q / (K ×Δtm)=71700/（1000*51.35）=1.3962㎡</p><p>　　3.1.4. 冷卻水用量</

35、p><p>　　W2= Q /( Cpi*Δt)</p><p>　　=71.70/ (4.174*20)=0.8588 kg/s</p><p>　　第二節(jié) 工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　3.2.1．管徑和管內(nèi)流速 </p><p>　　流動(dòng)空間，管徑和管內(nèi)流速的選擇。由于流速對(duì)蒸氣冷凝給熱系數(shù)的影響較小，并且為

36、了使冷凝液易于排出，選擇水蒸氣在管外冷凝，水流經(jīng)管內(nèi)。</p><p>　　從腐蝕性，傳熱面積和價(jià)格三方面考慮，選用Ø19×2較高級(jí)冷拔熱管（碳鋼），此管的內(nèi)徑d=0.045m.</p><p>　　綜合考慮管內(nèi)Re，管程壓降及單程管束三方面因數(shù)，取管內(nèi)水流速u(mài)=1.0m/s</p><p>　　3.2.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p>

37、<p>　　按單程管計(jì)算，所需傳熱管數(shù)</p><p>　　n = 4W2 / (ρ·π· di2·ui)</p><p>　　=4*0.8588/(1.0*3.14*0.015*0.015*995.7)=6(根)</p><p>　　按單管程計(jì)算，所需傳熱管長(zhǎng)度為：</p><p>　　L = S

38、/ (π·do·n)=1.3962/（3.14×0.019×6）=3.900m</p><p>　　國(guó)標(biāo)（GB151）推薦的傳熱管長(zhǎng)為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.5，6.0，7.5，9.0，12.0米。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=4.5m</p><p>　　則該換熱器的管程數(shù)為：Np=[L / l]= 3.90

39、0/4.5=1</p><p>　　管數(shù) NT=n×Np=6(根)</p><p>　　根據(jù)平均傳熱溫差Δtm=51.35, 同時(shí)考慮到殼程流體流量，故選擇按單殼程, 單管程結(jié)構(gòu)較為合適。</p><p>　　3.2.3傳熱管排列和分程方法 </p><p><b>　　按三角形法排列。</b></p

40、><p><b>　　3.2.4殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　殼體內(nèi)徑可按下式估算為：D=t(nc-1)+2 b'</p><p>　　式中  D——?dú)んw內(nèi)徑/mm；</p><p>　　t ——管中心距/mm；（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。取管心距t≥ 1.2

41、5do, 不妨取 t=1.25do=1.25×19=23.75，取t=25mm）</p><p>　　nc——橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù)；</p><p>　　b'——管束中心線(xiàn)上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取b'=(1～1.5) do/mm；（該處設(shè)計(jì)取值為b'=1.5 do）</p><p>　　do——換熱器外徑/mm。&l

42、t;/p><p>　　nc值可由下面公式估算，即：</p><p>　　管子按三角形排列nc = 1.19√n== 1.19×√3=2.61</p><p>　　則殼體內(nèi)徑 D=t(nc-1)+2 do=0.025×1.61+2×0.019=0.07825m=78 .25 mm </p><p>　　表3—

43、2 殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸：</p><p>　　綜合計(jì)算結(jié)果與表3—2中的相關(guān)數(shù)據(jù)以及鋼板的圓整值可取D=80mm。即換熱器的外徑取為：325mm.</p><p><b>　　3.2.5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%，則切去的圓缺高度為：h=0.25D=0.25×80=20,取h=

44、20mm；</p><p>　　取折流板間距：B=0.3D，B=0.3×0.08=0.024m, 取B=24mm；</p><p>　　折流板數(shù)：NB =（傳熱管長(zhǎng)/折流板間距）－1</p><p>　　=（1000/24）－1 = 40塊</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p>　　3.

45、2.6主要附件：</p><p>　　1）拉桿數(shù)量與直徑：</p><p>　　表3—3 本換熱器殼體內(nèi)徑 </p><p>　　表3—4 換熱管外徑與最大管間距</p><p>　　根據(jù)表3—3的數(shù)據(jù)，以及換熱管外徑：Do=19㎜，選擇拉桿直徑為：10mm，殼體公稱(chēng)直徑DN=325㎜,故拉桿數(shù)量為4根。</p><p&g

46、t;<b>　?。?）緩沖擋板：</b></p><p>　　為防止殼程進(jìn)口處流體直接沖擊傳熱管，產(chǎn)生沖噬，必要時(shí)應(yīng)在殼程物料進(jìn)口處設(shè)置防沖擋板。一般當(dāng)殼程介質(zhì)為氣體和蒸汽時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。</p><p><b>　?。?）導(dǎo)流筒：</b></p><p>　　殼程流體的進(jìn)、出口和管板間必然存在有一段流體不能流動(dòng)的空間

47、（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過(guò)這個(gè)空間。</p><p>　?。?）放氣孔、排液孔：</p><p>　　換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。</p><p><b>　?。?）接管：</b></p><p>　　換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式

48、計(jì)算，即</p><p>　　d = √[4Ws/πρu]</p><p>　　= √[4Vs/πu]</p><p>　　式中 Ws——流體的質(zhì)量流量，㎏/s；</p><p>　　Vs—— 流體的體積流量，m3/s；</p><p>　　u —— 流體在接管中的流速，m/s；</p><p&

49、gt;　　ρ—— 流體的密度，㎏/m3；</p><p>　　流速u(mài)的經(jīng)驗(yàn)值可取為：</p><p>　　對(duì)液體 u = 1.5—2 m/s；</p><p>　　對(duì)蒸氣 u = 20—50 m/s；</p><p>　　對(duì)氣體 u =（0.15—0.2）P/ρ （P為壓強(qiáng)，KPa;ρ為氣體密度，Kg/m3） 。</p&

50、gt;<p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為20m/s，則接管內(nèi)徑為： </p><p>　　dh=√4Wh/πρu</p><p>　　=1000√[（4×200/3600）/（3.14×958.4×20）] = 7.0mm</p><p>　　取接管內(nèi)徑為：5

51、mm。</p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　dc=√[4Ws/πρu ] </p><p>　　=1000√[（4×4.1338/（3.14×998.2×1.5）]</p><p><b>　　=83

52、.8mm</b></p><p>　　取接管內(nèi)徑為：45mm。</p><p>　　3.2.7 材料選用</p><p>　　管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。在高溫下一般材料的力學(xué)性能及腐蝕性能下降。同時(shí)具有耐熱性、高溫度及腐蝕性的材料很少有的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼鋼和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯

53、和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。</p><p>　　表3—5 管殼式換熱器個(gè)部件的常用材料：</p><p>　　根據(jù)上表以及混合液的微弱腐蝕性，所有的材料均選擇為碳素鋼，所選個(gè)部件及零件的鋼材的牌號(hào)為上表中加黑斜體。</p><p>　　第 四 章 換熱器的核算</p><p>　　第一節(jié)

54、 熱流量核算</p><p>　　4.1.1 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)：</p><p>　　蒸汽冷卻是伴有相變化的對(duì)流傳熱過(guò)程。這類(lèi)傳熱過(guò)程的特點(diǎn)是相變流體要放出大量的潛熱，但流體溫度不發(fā)生變化當(dāng)飽和蒸汽與溫度較低的壁面相接觸時(shí)，蒸汽放出潛熱，并在壁面上冷凝成膜狀液體。故殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用純凈的飽和蒸汽膜狀冷凝傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況

55、，蒸汽在水平管束外冷凝，用凱恩公式估算，即：</p><p>　　ao=0.725[r*ρ * ρ*  g*λ*λ*λ/(µ*do*Δt) ]1/4</p><p>　　當(dāng)量直徑，由正方形排列，得：</p><p>　　de = 4[(t2-0.25лdo2 ]/(л×do)= = 4[(0.0252 –

56、0.25×3.14×0.0192 ]÷(3.14×0.019)=0.0229 m</p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p>　　So = B×D(1- do/t)= = 0.024×0.08×(1- 0.019÷0.025) </p><p&

57、gt;　　= 0.00001774m2 </p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p>　　Uo = Ws/(ρ×So) </p><p>　　= (200÷3600)÷(0.371×0.00001774)=0.84 m/s</p><p>　　Reo =ρ*Uo*de/

58、1;o</p><p>　　=0.0229×100×0.42×0.371×1000÷0.2838=1257.3,屬于層流</p><p>　　將上面的數(shù)據(jù)代入公式ao=0.725[r*ρ * ρ*  g*λ*λ*λ/(µ*do*Δt) ]1/4</p><p>　　得

59、αi= 325000 W /（㎡K）</p><p>　　4.1.2 管程對(duì)流傳熱系數(shù)</p><p>　　由公式可知： ai=0.023（λi/di）·Re0.8·Pr0.4 </p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　n—當(dāng)流體被加熱為0.4，被冷卻為0.3；</

60、p><p>　　Re—管內(nèi)混合物的雷諾數(shù)；</p><p>　　Pr—管內(nèi)混合物的普蘭特準(zhǔn)數(shù)；</p><p>　　λi—管內(nèi)混合物的導(dǎo)熱系數(shù),W/（m·℃）；</p><p><b>　　di—管內(nèi)徑/m；</b></p><p>　　Cp—管內(nèi)混合物的比熱，KJ/（㎏·℃）；&

61、lt;/p><p>　　則管內(nèi)混合物的流速為：ui=Wsi/ρ·si·n</p><p>　　=(0.4294*4)/[995.7×(3.14×0.015×0.015×9)]=0.814m/s</p><p>　　與前面假設(shè)的流速1.0m/s相差甚微，故假設(shè)成立。</p><p>　　核

62、算流型：Re=di·ui·ρi/µ</p><p>　　=0.015×0.973×0.371×100/0.001005=538.78<2000，屬于層流區(qū)。</p><p>　　普朗特常數(shù)：Pr=5.42</p><p>　　則代入數(shù)據(jù)得αi= 2779.3W/（㎡K） </p><

63、;p>　　4.1.3 殼程和管程的污垢熱阻 </p><p>　　表4—1 工業(yè)用氣體 </p><p>　　表4—2工業(yè)用液體 </p><p>　　殼程污垢熱阻:Rso=0.000052（m·℃）/W;</p><p>　　管程污垢熱阻:Rsi=0.0006 （m·℃）/W;</p>

64、<p>　　取碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率λw =50 W/（m·℃）.</p><p>　　4.1.4 總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　由公式可知：</b></p><p>　　式中do—管子的外徑/m；</p><p>　　di—管子的內(nèi)徑/m；</p><p>　

65、　αi—管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；</p><p>　　Rsi—管程的污垢熱阻；</p><p><b>　　b—管壁厚度/m；</b></p><p>　　λ—管材料的熱導(dǎo)率；</p><p>　　dm—管內(nèi)外徑的平均直徑/m；</p><p>　　Rso—?dú)こ痰奈酃笩嶙瑁?lt;/p><

66、;p>　　αo—管外表面的傳熱系數(shù)。</p><p>　　當(dāng)公式中的bdo/(λdm)可忽略時(shí)：</p><p>　　其中已知：do=0.019m ,di=0.015m,αo=325000W/(㎡/k),αi=57739.6 W/(㎡/k),</p><p>　　Rso=0.000052 （m·℃）/W,Rsi=0.000 6 （m·℃）W

67、。</p><p>　　將上述數(shù)據(jù)代入總傳熱系數(shù)公式中計(jì)算得</p><p>　　K0=1831 W/（㎡·℃）,則K/K0=0.98,接近1.25之間。符合要求.故假設(shè) K=1800 W/（㎡·℃）成立；</p><p>　　4.1.5 傳熱面積裕度：</p><p>　　由公式可知Q=KSoΔtm得：</p>

68、;<p>　　So=Q/(K*Δtm)=69166.7÷(1831×79.93)=0.4726㎡</p><p>　　實(shí)際傳熱面積: Sp=л*do*l*NT=3.14×0.019×1×9=0.53694㎡ </p><p>　　則傳熱面積裕度: H= |(Sp－ So)|/ Sp×100％=11.11％；該值在（1

69、0%——20%）之間，故符合要求。</p><p>　　第二節(jié)   壁溫核算及核算冷凝液膜流型</p><p>　　4.2.1 校核壁溫</p><p>　　校核壁溫時(shí)，用公式：（T－tw）/（1/αo+Rso）=( tw－ti)/（1/αi+Rsi）</p><p>　　式中 T—定性溫度下飽和蒸汽溫度/℃；</

70、p><p>　　ti—定性溫度下混合物的溫度/℃；</p><p>　　Rsi、Rso—管外和管內(nèi)的污垢熱阻/㎡·K/W。</p><p>　　則代入解得：tw =83℃。該值與假設(shè)：tw =82℃相差不大，故假設(shè)合理。</p><p>　　換熱器的外殼壁溫與環(huán)境溫度有一定的溫差，會(huì)出現(xiàn)熱量損失，影響勞動(dòng)條件及安全。因此設(shè)備壁溫超過(guò)50

71、℃，就需保溫，以減少熱量的損失。該裝置需進(jìn)行熱補(bǔ)償</p><p>　　4.2.2 核算冷凝液流型</p><p>　　核算冷凝液流型時(shí)，需計(jì)算單位潤(rùn)濕周邊上（b）冷凝液流率(M)：</p><p>　　M=W/b=W/(2*l)=Q/(r*2*l*nc)</p><p>　　=69166.7/（4290×103×2

72、15;1×9）</p><p>　　=0.8957×10-3Kg/(m℃)</p><p>　　那么：Re=4*M/µ</p><p>　　=4×0.8957×10-3/0.2838×10-5=12.62<2000(層流)</p><p>　　故假設(shè)合理，即可采用。</p

73、><p>　　4.3.1 管程流體阻力</p><p><b>　?、殴艹套枇?lt;/b></p><p>　　∑ΔPi=（ΔP1+ΔP2）*Np*Ft</p><p>　　其中Ft=1.5, Np=1</p><p>　　ΔP1=λi*(L/ di)*ρi*ui2/2</p><p&

74、gt;　　=0.6176×995.7×1.0×1.0/(0.015×2)</p><p>　　=20498.1Pa</p><p><b>　　ΔP2</b></p><p>　　=ζ（ρi*ui2/2）</p><p>　　=3×995.7×1.0×

75、1.0/2</p><p>　　=1493.6 Pa</p><p><b>　　∑ΔPi</b></p><p>　　=（ΔP1+ΔP2）*Np*Ft</p><p>　　=（20498.1+1493.6）*1*1.5</p><p>　　=32987.6 Pa</p><p

76、>　　核算壓強(qiáng)降是否合理，用下表檢驗(yàn)</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，操作壓力為常壓，在常壓操作范圍內(nèi)，由表數(shù)據(jù)，可知：合理壓力降為P=1.7×105～11×105而32987.6 P在允許范圍內(nèi),故符合要求。</p><p><b>　?、茪こ套枇?lt;/b></p><p>　　∑ΔPo=（ΔP1’+ΔP2’

77、）*Ns*Fs</p><p>　　其中Fs=1，Ns=1，ΔP1’= Ffo nc (NB +1)* ρ*uo2/2</p><p>　　F=0.5, fo=5.0 Reo-0。228 =5.0×3771-0。228 =0.7647</p><p>　　nc = 1.19×√9=3.57</p><p><b>

78、;　　NB =28</b></p><p>　　則ΔP1’=0.5×0.7647×29×3.57×958.4×0.385×0.385/2</p><p>　　=290.86 Pa</p><p>　　ΔP2’= Nb*(3.5-2B/D) * ρ*u2/2</p><p>

79、;　　=28×(3.5-0.6) ×958.4×0.385×0.385/2</p><p>　　=6308.5 Pa</p><p>　　故∑ΔPo=（ΔP1’+ΔP2’）*Ns*Fs=(290.86+6308.5) ×1=6599.36 Pa</p><p>　　式中：  F—管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因

80、數(shù)，對(duì)正三角形排列F=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45º排列為0.4，正方形排列為0.3；</p><p>　　fo—?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，</p><p>　　nc—橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管子數(shù)</p><p><b>　　NB—折流擋板數(shù)；</b></p><p>　　核算壓強(qiáng)降是否合理，用下表檢驗(yàn)</p>

81、<p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，操作壓力為0.06MP ，在低壓操作范圍內(nèi)，由表數(shù)據(jù)，可知：合理壓力降為0.7×105而0.18×105 Pa< 0.7×105 ,故符合要求。</p><p>　　第四節(jié) 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)構(gòu)：</p><p>　　表4—4 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)構(gòu)</p><p>　

82、　第五節(jié) 換熱器及管子排列簡(jiǎn)圖</p><p><b>　　簡(jiǎn)圖</b></p><p>　　浮頭式換熱器圖如圖所示：（注：圖示大小不表示實(shí)物大小，以標(biāo)注的尺寸為準(zhǔn)。）</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)與書(shū)籍：</b></p><p>　?、薄痘ぴ怼飞蟽?cè)修訂版 夏清、陳常貴主編;姚玉英