2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、<p>  課程設(shè)計(jì)題目:空氣加熱器的設(shè)計(jì) </p><p><b>  課程設(shè)計(jì)內(nèi)容:</b></p><p>  (1) 處理能力為10000kg/h(377.27kmol/h)壓縮空氣。</p><p>  (2) 設(shè)備型式:列管式換熱器</p><p><b>  (3)

2、操作條件:</b></p><p>  a) 壓縮空氣:入口溫度90℃,入口壓力0.243MPa;出口溫度136℃。</p><p>  b) 加熱蒸汽:0.608MPa℃,164.2℃,流量為288 kmol/h</p><p>  c) 允許壓強(qiáng)降:管、殼程壓強(qiáng)降小于100kPa</p><p><b>  (4)

3、物性參數(shù):</b></p><p>  壓縮空氣:溫度:113℃, μ=2.22510-5kg/(m. s ), </p><p>  λ=3.2910-2W/(m·℃) ,ρ、Cp自算。</p><p><b>  設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容:</b></p><p>  (1) 傳熱面積、換熱管根數(shù);<

4、;/p><p>  (2) 確定管束的排列方式、程數(shù)、折流板的規(guī)格和數(shù)量等;</p><p><b>  (3) 殼體內(nèi)徑;</b></p><p>  (4) 冷、熱流體進(jìn)、出口管徑;</p><p>  (5) 核算總傳熱系數(shù);</p><p>  (6) 管殼程流體阻力校核。</p>

5、<p>  指導(dǎo) 教師: 簽字 年 月 日</p><p>  教研室主任: 簽字 年 月 日</p><p>  系(部)主任: 簽字 年

6、月 日</p><p><b>  【概況&簡介】</b></p><p>  列管式換熱器又稱為管殼式換熱器,是最典型的間壁式換熱器,歷史悠久,占據(jù)主導(dǎo)作用,主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關(guān)內(nèi)流動(dòng),其行程稱為管程;另一種流體在管外流動(dòng),其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。</p><p>  其主要優(yōu)點(diǎn)是單

7、位體積所具有的傳熱面積大,傳熱效果好,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣,操作彈性大,因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速,往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速,還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束,使湍流程度大為增加。</p><p>  列管式換熱器中,由于兩流體的溫度不同,使管束和殼體的溫度也不相同,因此它們的熱膨脹程度也有

8、差別。若兩流體溫差較大(50℃以上)時(shí),就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形,甚至彎曲或破裂,因此必須考慮這種熱膨脹的影響。</p><p><b>  換熱器</b></p><p>  換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備,在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同,故換熱器的類型也是多種多樣。</p><

9、p>  按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類:混合式、蓄熱式、間壁式。</p><p>  間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中,冷、熱流體被固體壁面隔開,互不接觸,熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應(yīng)用廣泛,形式繁多。將在后面做重點(diǎn)介紹。</p>

10、<p>  直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中,冷、熱流體相互接觸,相互混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單,傳熱效率高,適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設(shè)備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。</p><p>  蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體,將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí),從熱流體處接受熱量,蓄熱體溫

11、度升高后,再與冷流體接觸,將熱量傳給冷流體,蓄熱體溫度下降,從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單,可耐高溫,常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備的體積龐大,且不能完全避免兩種流體的混合。</p><p>  工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。</p><p>  緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。&l

12、t;/p><p>  管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中,列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備,在許多工業(yè)部門被大量采用。列管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固,能承受高溫高壓,換熱表面清洗方便,制造工藝成熟,選材范圍廣泛,適應(yīng)性強(qiáng)及處理能力大等。這使得它在各種換熱設(shè)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。</p><p>  使用最為廣泛的列管式換熱器把

13、管子按一定方式固定在管板上,而管板則安裝在殼體內(nèi)。因此,這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。</p><p><b>  換熱器類型的選擇</b></p><p>  根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計(jì)要求,介紹幾種常見的列管式換熱器。</p>&

14、lt;p><b>  固定管板式換熱器</b></p><p>  這類換熱器如圖1-1所示。固定管辦事?lián)Q熱器的兩端和殼體連為一體,管子則固定于管板上,它的結(jié)余構(gòu)簡單;在相同的殼體直徑內(nèi),排管最多,比較緊湊;由于這種結(jié)構(gòu)式殼測清洗困難,所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí),用使用管子于管板的接口脫開,從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。</p>

15、<p><b>  U型管換熱器</b></p><p>  U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板,換熱管為U型,管子的兩端固定在同一塊管板上,其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮,當(dāng)殼體與U型環(huán)熱管由溫差時(shí),不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,只有一塊管板,密封面少,運(yùn)行可靠;管束可以抽出,管間清洗方便。其缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗困難;喲由于管子需要一定的彎曲半徑,故管板的利

16、用率較低;管束最內(nèi)程管間距大,殼程易短路;內(nèi)程管子壞了不能更換,因而報(bào)廢率較高。此外,其造價(jià)比管定管板式高10%左右。</p><p><b>  浮頭式換熱器</b></p><p>  浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)如下圖1-3所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩端管板之一不與外科固定連接,可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮,該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在,殼體或環(huán)熱管膨

17、脹時(shí),互不約束,不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力;管束可以從殼體內(nèi)抽搐,便與管內(nèi)管間的清洗。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,用材量大,造價(jià)高;浮頭蓋與浮動(dòng)管板間若密封不嚴(yán),易發(fā)生泄漏,造成兩種介質(zhì)的混合。</p><p><b>  填料函式換熱器</b></p><p>  填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接,另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮,不會(huì)產(chǎn)生

18、因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單,制造方便,耗材少,造價(jià)也比浮頭式的低;管束可以從殼體內(nèi)抽出,管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗,維修方便。其缺點(diǎn)是填料函乃嚴(yán)不高,殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓,對(duì)于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。</p><p><b>  一、確定設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>  選擇換熱器的

19、類型</b></p><p>  兩流體溫的變化情況:壓縮空氣進(jìn)口溫度90℃ 出口溫度136℃;熱蒸汽進(jìn)口溫度164.2℃,出口溫度為164.2℃,冬季操作時(shí),其進(jìn)口溫度會(huì)降低,考慮到這一因素,估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大,因此初步確定選用浮頭式換熱器。</p><p><b>  管程安排</b></p><p>  

20、從兩物流的操作壓力看,應(yīng)使有熱蒸汽走管程,壓縮空氣走殼程。</p><p><b>  二、確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p>  定性溫度:對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體,其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程壓縮空氣的定性溫度為</p><p><b>  T==113℃ </b></p><

21、p>  根據(jù)定性溫度,查取壓縮空氣在113℃、0.243MPa下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)(根據(jù)內(nèi)插法求得)。</p><p><b>  密度 </b></p><p><b>  定壓比熱容 </b></p><p>  熱導(dǎo)率 </p><p>  粘度 &

22、lt;/p><p>  根據(jù)定性溫度,查取飽和水蒸汽在164.2℃ 0.608MPa下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)</p><p><b>  密度 </b></p><p><b>  汽化潛熱 </b></p><p>  粘度 </p><p><

23、b>  三、估算傳熱面積</b></p><p><b>  1.熱流量 </b></p><p><b>  Q1=</b></p><p>  =10000×1.0194×(136-90)=4.69×105kJ/h =130.257kw</p><p&

24、gt;<b>  平均傳熱溫差 </b></p><p>  先按照純逆流計(jì)算,得</p><p><b>  =</b></p><p><b>  其中 </b></p><p><b>  傳熱面積 </b></p><p

25、>  欲求傳熱面積必須先知道K值。假設(shè)K=32W/(㎡k)則估算的傳熱面積為</p><p><b>  Ap=</b></p><p>  考慮到安全系數(shù)5%-15%,這里取10%,所以傳熱面積為79.52×1.1=87.47m2</p><p><b>  四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p>

26、<p>  1.管徑和管內(nèi)流速 選用Φ50×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速u1=20m/s。</p><p>  2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)(管內(nèi)流量288kmol/h=1.44kg/s)</p><p><b>  Ns=</b></p><p>  按單程管計(jì)算,所

27、需的傳熱管長度為 </p><p><b>  L=</b></p><p>  按單程管設(shè)計(jì),傳熱管過長,宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況,采用非標(biāo)設(shè)計(jì),現(xiàn)取傳熱管長l=4.0m,則該換熱器的管程數(shù)為</p><p><b>  Np=</b></p><p>  傳熱管總根數(shù) N

28、t=64×2=128</p><p>  傳熱管排列和分程方法 </p><p>  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。</p><p>  取管心距t=1.25d0,則 t=1.25×25=31.25≈32㎜</p><p>  隔板中心到離其最.近一排管中心距離:</p>

29、<p>  S=t/2+6=32/2+6=22㎜</p><p>  各程相鄰管的管心距為44㎜。</p><p>  4.殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu),進(jìn)行殼體內(nèi)徑估算。取管板利用率η=0.7 ,則殼體內(nèi)徑</p><p><b>  為:</b></p><p><b>  D=1.05t&l

30、t;/b></p><p>  按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔,這里取D=500mm</p><p>  5.折流擋板 采用弓形形折流擋板,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</p><p>  h=0.25×500=125mm</p><p>  取折流板間距B=0.3D,則 B=0.3×500=

31、150mm。</p><p>  折流板數(shù)目 NB=塊</p><p><b>  五、換熱器核算</b></p><p><b>  熱流量核算</b></p><p> ?。?)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算:</p><p>  其中當(dāng)量直徑 =</p&

32、gt;<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>  摩擦系數(shù) </b></p><p>  f。=5.0/=5.0/38069140.228=0.1580</p><p><b>  普朗特

33、數(shù)</b></p><p><b>  粘度校正 </b></p><p>  (2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù):</p><p>  管程流體流通截面積:</p><p><b>  管程流體流速:</b></p><p><b>  雷諾數(shù):</b&

34、gt;</p><p><b>  普朗特?cái)?shù):</b></p><p>  (3) 傳熱系數(shù)有:</p><p> ?。?)傳熱面積裕度:</p><p><b>  計(jì)算傳熱面積Ac:</b></p><p><b>  Ac=</b></p&g

35、t;<p>  該換熱器的實(shí)際傳熱面積為:</p><p>  該換熱器的面積裕度為</p><p>  傳熱面積裕度合適,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>  2.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力</p><p><b> ?。?)管程流體阻力</b></p><p>  .0 ,

36、 .2 , </p><p>  由Re=98723,傳熱管對(duì)粗糙度0.01,查莫狄圖得,流速=19.88m/s, , 所以:</p><p>  管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>  殼程阻力: </b></p><p><b>  按式計(jì)算</b></p>

37、<p><b>  , .0, .0</b></p><p><b>  流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p><b>  F=0.5</b></p><p>  f。=5.0/=5.0/38069140.228=0.1580</p><p><b>

38、;  NB=29 </b></p><p>  流體流過折流板缺口的阻力</p><p>  , B=0.15m , D=0.5m</p><p><b>  總阻力</b></p><p>  192947+549931=742878Pa</p><p>  由于該換熱器殼程流

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