列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)化選型課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　*目錄</b></p><p><b>　　*課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　　*設(shè)計(jì)方案論證</b></p><p><b>　　*選取數(shù)據(jù)論證</b></p><p><b>　　*工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

2、</b></p><p><b>　　*設(shè)計(jì)結(jié)果匯總</b></p><p>　　*設(shè)計(jì)評(píng)述及設(shè)計(jì)者對(duì)本設(shè)計(jì)有關(guān)問題</p><p><b>　　的討論</b></p><p><b>　　*參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　化工原理課程

3、設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　一、課程設(shè)計(jì)的擬題</b></p><p>　　列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)化選型課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　某廠用原油回收柴油的熱量，柴油從175℃冷卻至130℃，柴油流量為14300 kg/h；原油初溫為70℃，經(jīng)換

4、熱后升溫到110℃。換熱器的熱損失可忽略。管、殼程阻力壓降均不大于105Pa。污垢熱阻均取0.0002㎡·℃/W。試選用一臺(tái)合適型號(hào)的列管式換熱器。</p><p><b>　　相關(guān)物性參數(shù)如下：</b></p><p>　　二、課程設(shè)計(jì)的目的和意義</p><p>　　列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)化選型課程設(shè)計(jì)是在學(xué)生學(xué)完本門課程以后進(jìn)行的

5、一個(gè)具有總結(jié)性的教學(xué)環(huán)節(jié)。它是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程和其他有關(guān)課程的理論和技術(shù)知識(shí)解決工程實(shí)際問題，樹立正確的設(shè)計(jì)思想和方法，進(jìn)一步提高計(jì)算和使用技術(shù)資料能力的重要實(shí)踐。</p><p>　　通過課程設(shè)計(jì)，可使學(xué)生更為系統(tǒng)和鞏固地掌握本課程的主要內(nèi)容，使學(xué)生初步學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟和方法，培養(yǎng)學(xué)生能從理論上的正確性、技術(shù)上的可能性和經(jīng)濟(jì)上的合理性、來考慮設(shè)計(jì)的內(nèi)容，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，從而使學(xué)生受到一次化工單元操

6、作設(shè)計(jì)的基本訓(xùn)練，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。</p><p><b>　　三、課程設(shè)計(jì)的要求</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)的主要目的是通過學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)踐，獲取從事工程設(shè)計(jì)工作的能力。因此，對(duì)設(shè)計(jì)成果的要求應(yīng)該嚴(yán)格。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)不同于做習(xí)題，它是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立地完成一個(gè)課題的設(shè)計(jì)。它包括

7、查閱資料、選用公式、搜集數(shù)據(jù)并進(jìn)行一系列的計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和確定、提出保證過程正常進(jìn)行的措施、對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析比較和論證、調(diào)整和修改有關(guān)參數(shù)、提出改進(jìn)措施等，進(jìn)而得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。</p><p>　　在上述整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算、修改等過程完畢后，用準(zhǔn)確的文字語(yǔ)言編寫出技術(shù)文件即設(shè)計(jì)說明書，此說明書要能清晰地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路，并裝訂成冊(cè)呈交上來，就成為完整的化工原理課程設(shè)計(jì)。</p><p

8、>　　設(shè)計(jì)說明書的要求是：分析論證充分（包括設(shè)計(jì)方案的論證及各種參數(shù)的論證）、計(jì)算正確、準(zhǔn)確，而且說明書要條理清楚、文字流暢、字跡工整。</p><p>　　說明書是設(shè)計(jì)的書面總結(jié)。應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：</p><p>　　封面（課程設(shè)計(jì)大題目、專業(yè)、班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)、指導(dǎo)教師）</p><p><b>　　目錄</b></p>

9、;<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案論證</b></p><p><b>　　選取數(shù)據(jù)論證</b></p><p><b>　　工藝設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)結(jié)果

10、匯總</b></p><p>　　設(shè)計(jì)評(píng)述及設(shè)計(jì)者對(duì)本設(shè)計(jì)有關(guān)問題的討論</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)說明書的用紙大小全班同學(xué)要統(tǒng)一，不要有大有小，電腦打印紙那樣大小最好。</p><p>　　四、課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排</p><p>　　現(xiàn)

11、在以總設(shè)計(jì)的時(shí)間5天為例，提出各階段的時(shí)間分配供參考。</p><p>　　1、設(shè)計(jì)動(dòng)員 下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書 0.5天</p><p>　　2、收集資料 閱讀教材定計(jì)劃 0.5天</p><p>　　3、設(shè)計(jì)計(jì)算（草稿） 2.5天</p><p>　　4、整理.抄寫說明書

12、 1 天</p><p>　　5、設(shè)計(jì)小結(jié).考核 0.5天</p><p>　　五、課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定</p><p><b>　　平時(shí)考勤10%</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)態(tài)度20%</b></p><p><b&g

13、t;　　設(shè)計(jì)計(jì)算50%</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)分析論證20%</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案的論證</b></p><p>　　列管式換熱器種類的選擇 </p><p>　　列管式換熱器又稱殼式換熱器，在化工生產(chǎn)中被廣泛使用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容

14、易，處理能力大，適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，尤其是在高溫、高壓和大型設(shè)置中使用更為普遍。</p><p>　　列管式換熱器有三種：</p><p><b>　　固定檔板式換熱器</b></p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。</p><p>　　缺點(diǎn)：當(dāng)冷流體與熱流體溫度相差較大時(shí)（50℃以上時(shí)），可引起很大的內(nèi)應(yīng)力，

15、是設(shè)備變形，管子彎曲，甚至從管板上脫落。殼程檢修和清洗也很困難。</p><p>　?。ㄓ捎谡n程設(shè)計(jì)中，冷熱流體的溫度相差105℃，故不適合用固定檔板式換熱器。）</p><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p><p>　　這種換熱器有一端不與殼程相連，可沿軸向自由伸縮。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：可以完全消除

16、熱應(yīng)力，而且在清洗和檢修時(shí)，整個(gè)管束可以從殼體中抽出，方便清洗。</p><p>　　缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。</p><p><b>　　U型管式熱換器</b></p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償?shù)膯栴}，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量較輕，適用于高溫高壓條件。</p><p>　　缺點(diǎn)：管內(nèi)不易清洗，管板

17、利用率低，只適用于2管程的。</p><p>　　綜上考慮,由于冷熱流體的溫度相差105℃，故不適合用固定檔板式換熱器。由于U型管式換熱器只適用于2管程的，可能需要的管程數(shù)不止2管程，故該課程設(shè)計(jì)選擇浮頭式換熱器。</p><p>　　2.流體經(jīng)管程或殼程的選擇</p><p>　　不清潔或者易結(jié)垢的流體宜走易清洗的一側(cè)。對(duì)于直管管束，宜走管程，對(duì)于U型管管束，宜走

18、殼程。</p><p>　　腐蝕性流體宜走管程，以免同時(shí)腐蝕殼體和管束。</p><p>　　壓力大的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。</p><p>　　為增大對(duì)流傳熱系數(shù)，需要提高流速的流體宜走管程。因?yàn)楣艹痰牧魍ń孛娣e一般比殼程的小，并且做成多管程也比較容易。</p><p>　　兩流體溫差較大時(shí)，對(duì)于固定檔板式換熱器，宜將對(duì)流傳熱

19、系數(shù)大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫度差，減小熱應(yīng)力。</p><p>　　蒸汽冷凝宜走殼程，以利于排除冷凝液。</p><p>　　需要冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。但溫度很高的流體，其熱量可以利用，宜選管程，減小熱損失。</p><p>　　黏度大或流速較小的流體宜走殼程，因?yàn)橛姓哿鲹醢宓淖饔?，在低Re下即可達(dá)到湍流。</p><p>

20、;　　綜合以上8點(diǎn)的考慮。并且要充分利用柴油的熱量，減小熱損失。并且μ柴油=0.64×10-3Pa﹒s比較小，而μ原油=3×10-3Pa﹒s比較大。故選擇柴油走管程，原油走殼程。</p><p><b>　　選取數(shù)據(jù)論證</b></p><p><b>　　流體流速的選擇</b></p><p>　　流

21、體在殼程或者管程中的流速增加，不僅對(duì)流傳熱系數(shù)會(huì)增加，也可以減少雜質(zhì)沉積和結(jié)垢，但流體阻力也相應(yīng)增加。由于μ柴油=0.64×10-3Pa﹒s，再由表4-10可以得出其最大流速為2.4m/s，由表4-9得低黏度液體在管程中的流速為0.5-3m/s,。由于流速不宜太大，不然流體阻力也會(huì)增大，就會(huì)增大成本。故綜合考慮后，選取柴油在管程中的流速u1=1m/s。</p><p>　　表4-9 列管式換熱器內(nèi)常用

22、的流速范圍</p><p>　　表4-10 不同黏度液體在列管式換熱器中的流速（在鋼管中）</p><p>　　換熱器的規(guī)格和排列方式</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)系列中，管徑有Ø19mm×2mm、Ø25mm×2mm、Ø25mm×2.5mm等規(guī)格。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)系列中，管長(zhǎng)

23、有3m、4.5m、6m、9m等規(guī)格。</p><p>　　由于柴油中可能含有比較多的雜質(zhì)，為避免管子的堵塞，易選管徑大一點(diǎn)的。也方便管子的清洗。 </p><p>　　但其污垢熱阻取0.2m2·℃/kw,由表4-6得燃料油的污垢熱阻為1.056m2·℃/kw，可見其污垢熱阻并不大。</p><p>

24、　　綜合兩方面考慮可以取管徑Ø25mm×2.5mm規(guī)格。</p><p>　　表4-6 常用流體的污垢熱阻</p><p>　　管板上管子的排列方式常用的有正三角形排列、正方形直列、正方形錯(cuò)列三種方式。</p><p>　　正三角形排列較緊湊，傳熱效果好，但管外不易清洗。</p><p>　　正方形排列則管外易清洗，但傳熱

25、系數(shù)小于正三角形排列，但正方形錯(cuò)列可以適當(dāng)?shù)奶岣邆鳠嵯禂?shù)。</p><p>　　綜合考慮，為了方便清洗，也為了提高傳熱系數(shù)。故選擇排列方式為正方形錯(cuò)列。</p><p><b>　　折流擋板的選擇</b></p><p>　　換熱器內(nèi)安裝折流擋板是為了提高殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。常見的有圓缺型和圓盤形兩種。</p><p&g

26、t;　　但常用的為圓缺形折流擋板。對(duì)于圓缺形的擋板，弓形切口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)“死區(qū)”，不利于傳熱，且增大流動(dòng)阻力。一般切口高度與直徑之比為0.15-0.45，常見的為0.20和0.25兩種。由于工業(yè)上最常用的為切口高度與直徑之比為0.25，故選擇折流擋板為圓缺形，且切口高度與直徑之比為0.25。</p><p>　　擋板間距過小，檢修不方便，流體阻力也大。間距過大，不能保證流體垂直流過管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)降

27、低。一般取擋板間距為殼程內(nèi)徑的0.2-1.0倍，常用的擋板間距為50mm的倍數(shù)，但不小于100mm。經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算殼程內(nèi)徑大概在400-600mm之間，故取擋板間距h=150mm。</p><p>　　由于當(dāng)Ø19mm時(shí)管中心距t=25.4mm，當(dāng)Ø25mm時(shí)管中心距t=32mm，前面選取的管子的型號(hào)為Ø25mm，故管中心距離t=32。</p><p><b

28、>　　傳熱系數(shù)K的選取</b></p><p>　　由于μ柴油=0.64×10-3Pa﹒s μ原油=3×10-3Pa﹒s，依據(jù)表4-7可得其K值在50-250之間。故可以選取K=250W·m-2·k-1</p><p>　　表4-7 列管式換熱器中K值大致范圍</p><p><b>　　三．

29、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p>　　計(jì)算熱負(fù)荷（不及熱量的損失）</p><p>　　已知qm1=14300Kg/h</p><p>　　Q=qm1cp1(T1-T2)</p><p>　　=kg/s·2.48×103J/(kg﹒℃)·(175-130)℃</p><p>

30、;　　=4.433×105W</p><p>　　計(jì)算平均溫度差（假設(shè)為單殼程，多管程）</p><p>　　△t1=175-110=T1-T2=65℃ </p><p>　　△t2=110-70=t2-t1=60℃ </p><p>　　由于△t1/△t2<2 故△tm逆=（△t1+△t2)/2=62.5℃</

31、p><p>　　P==1.125 R==0.381</p><p><b>　　圖4-25</b></p><p>　　查圖4-25中單殼程多管程校正系數(shù)φ=0.95</p><p>　　(Φ>0.8，即假設(shè)合理）</p><p>　　△tm=φ·△tm逆=59.4℃</p&

32、gt;<p><b>　　估算傳熱面積</b></p><p>　　參考表4-7，選取總傳熱系數(shù)K估=250 W·m-2·℃-1</p><p>　　由Q=K·A·△tm </p><p>　　A估===29.8㎡</p><p><b>　　選擇型號(hào)

33、</b></p><p>　　為了減少熱損失和充分利用柴油的熱量，又由于柴油的黏度比較小，經(jīng)前面綜合考慮，讓柴油走管程，原油走殼程。在參考表4-9與4-10，和經(jīng)濟(jì)的綜合考慮，選取柴油在管程中的流速為u1=1m/s。</p><p>　　為了防止管子的堵塞，并且其污垢熱阻不是很大，綜合考慮后選用傳熱管Ø25mm×2.5mm 其內(nèi)徑d1=0.02m 外徑

34、d2=0.025m</p><p>　　估算單程管數(shù) n'=3600·d12ρ1u1) （ρ1為柴油的密度）</p><p>　　= 3600·1m/s·(0.2m)2·715kg/m3) </p><p><b>　　=18根</b></p><p>　　估算管子的長(zhǎng)

35、度 L'===21m</p><p>　　先選擇單管長(zhǎng)為6m 則≈3.5</p><p>　　故選4管程。由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)初選浮頭式換熱器的型號(hào)為AES400-2.5-35-6/25-4Ⅱ （當(dāng)公稱直徑小于500mm時(shí)，最好選擇平蓋管箱）</p><p>　　管總數(shù)為68根，每管程的管數(shù)n=68/4=17根，管中心距t=32mm，殼體內(nèi)徑D=40

36、0mm，折流擋板間距h=150mm，故折流擋板有NB=L/h-1=39塊，傳熱面積A選=31.6㎡</p><p><b>　　校核總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　管程的對(duì)流傳熱系數(shù)α1</p><p>　　管內(nèi)柴油流速u1=d12ρ1) </p><p>　　=(0.02m)2·715kg/m3) &

37、lt;/p><p><b>　　=1.04m/s</b></p><p>　　Re1= ==2.33×104 </p><p>　　(μ1為柴油的黏度)</p><p>　　Pr1===11.9</p><p>　　因Re>104 0.7<Pr<120 且≥6

38、0 </p><p>　　則α1=0.023(Re1)0.8(Pr）0.3=1003W/(㎡· ℃)</p><p>　　殼程對(duì)流傳熱系數(shù)α2</p><p>　　殼程的最大流通面積S=hD(1- )</p><p>　　=0.15m·0.4m·(1-25/32)=0.0131㎡</p><

39、p><b>　　原油的流量qm2=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=5.04kg/s</b></p><p>　　原油的流速u2==0.47m/s (ρ2為原油的密度)</p><p>　　正方形排列的當(dāng)量直徑de=4（t

40、2-d22）/(πd2)=0.027m</p><p>　　Re2===3456</p><p>　　(μ2為原油的黏度)</p><p>　　查圖4-53得Nu2Pr2-(）-0.14=29</p><p>　　得Nu2Pr2-(）-0.14=29</p><p>　　Pr2===58.1</p>&l

41、t;p>　　由于原油被加熱(）0.14=1.05</p><p>　　α2=29Pr2(）0.14</p><p>　　=29×0.128/0.027×(58.1)×1.05=532W/(㎡· ℃)</p><p><b>　　總傳熱系數(shù)K</b></p><p>　　=+R

42、d2++Rd2+ 其中λ=45W/(㎡· ℃)</p><p>　　b=0.0025m dm=o.o225m Rd2=0.0002m2·℃/W</p><p>　　將數(shù)值帶入計(jì)算出K=275W/(㎡· ℃)</p><p><b>　　傳熱面積A</b></p><p>　　由Q=K

43、·A·△tm </p><p><b>　　A===27.1㎡</b></p><p>　　==1.166 即傳熱面積有16.6％的裕量</p><p>　　符合裕量在10％-25％之間</p><p><b>　　7.驗(yàn)算</b></p><p>

44、<b>　　對(duì)于管程</b></p><p>　　△Pi=(λ×+)×fi×Np</p><p>　　Re1=2.33×104 （由表1-1可得無縫鋼管的ε=0.2mm）</p><p><b>　　取ε=0.2mm </b></p><p>　　則=

45、0.001 （d=20mm）</p><p>　　查圖1-28可得λ=0.038</p><p>　　當(dāng)取Ø25mm×2.5mm時(shí)fi=1.04 Np=4</p><p>　　代入數(shù)據(jù)△Pi=(0.038×+)×1.04×4Pa</p><p>　　=2.88×104 Pa&

46、lt;/p><p><b>　　圖1-28</b></p><p>　　對(duì)于殼程 </p><p>　　△P0=λ0 λ0=1.72Re-0.19 NB=39 Re=3456</p><p>　　△P0=1.72×3456-0.19×0.4××P

47、a</p><p>　　=1.95×104 Pa</p><p>　　1×103 Pa<△P0<1×105Pa 且1×103 Pa<△P1<1×105Pa </p><p><b>　　故驗(yàn)算均符合條件</b></p><p>　　故可以選用標(biāo)準(zhǔn)

48、浮頭式換熱器的型號(hào)為AES400-2.5-35-6/25-4Ⅱ</p><p><b>　　四．設(shè)計(jì)結(jié)果匯總</b></p><p>　　六．設(shè)計(jì)評(píng)述及設(shè)計(jì)者對(duì)本設(shè)計(jì)有關(guān)問題的討論</p><p><b>　　設(shè)計(jì)評(píng)述：</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)所有參數(shù)經(jīng)反復(fù)核算，保證各參數(shù)均在設(shè)計(jì)要求之

49、內(nèi)，準(zhǔn)確可行。管程中柴油的流速u1=1m/s Re1=2.33×104 2.33×104 >4000,管程流體的流動(dòng)方式為湍流，能達(dá)到較好的換熱效果。每程內(nèi)都采用了正方形錯(cuò)列，便于安裝隔板，也方便清洗，同時(shí)也適當(dāng)?shù)奶岣吡藢?duì)流傳熱系數(shù)。該換熱器的面積裕量為16.6％在10％-25％之間，則所設(shè)計(jì)的換熱器可以完成生產(chǎn)任務(wù)。其管程與殼程的壓強(qiáng)降均在允許范圍10-100kPa之間，也符合條件。</p>&

50、lt;p>　　但是由于收集的數(shù)據(jù)不全（書上與資料上所給的數(shù)據(jù)太少，網(wǎng)上收集的資料不全面），只找到公稱壓力為2.5MPa、排列方式為正方形錯(cuò)列的浮頭式換熱器的主要參數(shù)。只找到切口高度與直徑之比為0.25的圓缺形擋板最大截面積的計(jì)算公式。所以在選擇換熱器型號(hào)時(shí)受到限制。</p><p>　　估算管內(nèi)流速 μ=1m/s，在0.5~3范圍內(nèi)，符合要求。</p><p>　　由計(jì)算得管長(zhǎng)L=2

51、3，取單程管長(zhǎng)l=6，符合要求。</p><p>　　換熱器的長(zhǎng)度與殼體直徑之比l/D=23/6=4，在6~10之間，符合要求。</p><p>　　殼程流體流速μ=0.44，在0.2~1.5范圍內(nèi)，符合要求。</p><p>　　傳熱溫差校正系數(shù)φ=0.88>0.8，符合要求。</p><p>　　K/K0=1.16，在1.15~1.

52、25范圍內(nèi)，符合要求。</p><p>　　A選/A=1.22在1.15~1.25范圍內(nèi)，符合要求。</p><p>　　管程流體阻力ΔPt=0.3kPa<35kPa，符合要求。</p><p>　　殼程流體阻力ΔPs=18.7kPa<35kPa，符合要求。</p><p><b>　　七．主要參考書</b>