化工原理課程設計---循環(huán)水冷卻器設計

1、<p>　　化工原理課程設計任務書</p><p>　　專業(yè)： 高分子材料與工程 </p><p>　　班級： 高分子 </p><p>　　姓名： </p><p><b>　　設計日期：</b></p><p>　　設計題目：

2、 循環(huán)水冷卻器設計 </p><p><b>　　設計條件：</b></p><p>　　1．設備處理量 76 T/h。</p><p>　　2．循環(huán)水：入口溫度 60℃，出口溫度 45℃</p><p>　　3．冷卻水：入口溫度 20℃，出口溫度 30℃</p><p>　　4．常壓冷卻，

3、熱損失5%。</p><p>　　5．兩側污垢熱阻0.00017 m2·℃/W。</p><p>　　6．初設K=900 W /m2·℃。</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p>　　1. 設計滿足以上條件的換熱器并寫出設計說明書。</p><p>　　

4、根據所選換熱器畫出設備裝配圖。</p><p><b>　　指導教師：</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 主要物性參數表……………………………………………1</p><p>　　2 工藝計算……………………………………………………2</p>

5、;<p>　　2.1確定設計方案…………………………………………2</p><p>　　2.1.1選擇換熱器的類型…………………………………2</p><p>　　2.1.2 計算熱負荷和冷卻水流量…………………………2</p><p>　　2.1.3計算兩流體的平均溫差，確定管程數……………3</p><p>　　2.1.4工

6、藝結構尺寸………………………………………4</p><p>　　2.2核算總傳熱系數………………………………………5</p><p>　　2.2.1管程對流傳熱系數Ai………………………………5</p><p>　　2.2.2殼程流體傳熱系數………………………………6</p><p>　　2.2.3計算總傳熱系數K0…………………………………

7、6</p><p>　　2.3核算壓強降……………………………………………8</p><p>　　2.3.1管程壓強降…………………………………………8</p><p>　　2.3.2殼程壓強降校核……………………………………10</p><p>　　3設備參數的計算……………………………………………11</p><p&g

8、t;　　3.1確定換熱器的代號……………………………………11</p><p>　　3.1.1換熱器的代號………………………………………11</p><p>　　3.1.2確定方法……………………………………………12</p><p>　　3.2計算殼體內徑………………………………………12</p><p>　　3.3管根數及排列要求…………

9、…………………………12</p><p>　　3.4計算換熱器殼體壁厚…………………………………12</p><p>　　3.4.1選適宜的殼體材料…………………………………12</p><p>　　3.4.2該鋼板的主要工藝參數性能………………………13</p><p>　　3.4.3壁厚的計算…………………………………………13</

10、p><p>　　3.5選擇換熱器的封頭……………………………………15</p><p>　　3.6選擇容器法蘭…………………………………………16</p><p>　　3.6.1選擇法蘭的型式……………………………………16</p><p>　　3.6.2確定法蘭相關尺寸…………………………………16</p><p>　　

11、3.6.3選用法蘭并確定其標記……………………………16</p><p>　　3.7選擇管法蘭和接管……………………………………17</p><p>　　3.7.1熱流體進出口接管…………………………………17</p><p>　　3.7.2冷流體進出口接管…………………………………18</p><p>　　3.7.3選擇管法蘭…………………

12、………………………18</p><p>　　3.8選擇管箱………………………………………………19</p><p>　　3.9折流檔板的設計………………………………………19</p><p>　　3.10支座的選用……………………………………………20</p><p>　　3.11拉桿的選用和設置……………………………………21</p&

13、gt;<p>　　3.11.1拉桿的選用…………………………………………21</p><p>　　3.11.2拉桿的設置…………………………………………22</p><p>　　3.12確定管板尺寸…………………………………………22</p><p>　　3.13墊片的選用……………………………………………23</p><p>

14、　　3.13.1設備法蘭用墊片……………………………………23</p><p>　　3.13.2管法蘭用墊片………………………………………24</p><p>　　4數據匯總………………………………………………………25</p><p>　　5總結評述………………………………………………………26</p><p>　　6參考文獻…………………

15、……………………………………27</p><p>　　7主要符號說明…………………………………………………28</p><p>　　8附表……………………………………………………………30</p><p><b>　　1 主要物性參數表</b></p><p>　　在定性溫度下：t定冷=(20+30)/2=25℃<

16、/p><p>　　t定循 =(60+45)/2=52.5℃</p><p>　　表3-1 物性參數表</p><p><b>　　2 工藝計算</b></p><p>　　2.1 確定設計方案</p><p>　　2.1.1 選擇換熱器的類型</p><p>　　(1) 兩種流

17、體的變化情況：</p><p>　　熱流體（循環(huán)水）進口溫度60°C，出口溫度45°C；</p><p>　　冷流體（冷卻水）進口溫度20°C，出口溫度30°C；</p><p><b>　　冷水定性溫度：</b></p><p>　　熱的循環(huán)水的定性溫度：</p>

18、<p>　　由于兩流體溫差小于50°C，不必考慮熱補償。因此初步確定選擇用固定管板式換熱器。</p><p><b>　　固定管板式換熱器</b></p><p><b>　　(2) 流程安排</b></p><p>　　由于是常溫冷卻，并且循環(huán)水相對比較潔凈，所以選擇循環(huán)水走管間,冷卻水走管內，既有利

19、于冷卻水冷卻效率，也可借助于外界溫度加速循環(huán)水冷卻。</p><p>　　2.1.2 計算熱負荷和冷卻水流量</p><p>　　(1) 熱負荷的計算</p><p><b>　　W</b></p><p>　　熱負荷=1.2561×106W</p><p>　　(2) 冷卻水流量的計算

20、</p><p><b>　　=</b></p><p>　　=30057.4kg/h=8.35kg/s</p><p>　　2.1.3 計算兩流體的平均溫差，確定管程數</p><p>　　(1) 平均傳熱溫差</p><p><b>　　Δ（按逆流計算）</b></

21、p><p><b>　　其中℃；</b></p><p><b>　　28°C；</b></p><p>　　可得：=0.94，則有=0.94×28=26.32℃</p><p><b>　　(2) 確定管程數</b></p><p>　

22、　由于，故此換熱器應選用單殼程</p><p>　　2.1.4 工藝結構尺寸</p><p>　　(1) 初選換熱器的規(guī)格</p><p>　　假設K=900 w/(m².°C)</p><p>　　則估算的傳熱面積為：A=；</p><p>　　(2) 管徑和管內流速</p><

23、;p>　　選用的碳鋼傳熱器（Gb81632-87）</p><p><b>　　取管內流速為</b></p><p>　　(3) 估算管程數和傳熱管數</p><p><b>　　由得</b></p><p>　　由4.1.2可知冷卻水流量 m= 8.35kg/s</p>&l

24、t;p><b>　　則m3/s</b></p><p>　　根據列管式換熱器傳統(tǒng)標準，此數據可選取</p><p>　　按單程算，所需的單程熱管長程度</p><p><b>　　m</b></p><p>　　按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。先取傳熱管長l=4.5m</p&

25、gt;<p>　　則該換熱器的管程數為</p><p><b>　　(根)</b></p><p><b>　　傳熱管總根數 </b></p><p>　　根據列管式換熱器傳統(tǒng)標準取傳熱總管根數</p><p>　　(4) 實際傳熱面積：</p><p>&l

26、t;b>　　m2</b></p><p>　　則要求過程的總傳熱系數為</p><p>　　k。=w/(m2.℃)</p><p>　　該換熱器的基本結構參數如下：</p><p>　　表4-1 換熱器的基本結構參數</p><p>　　2.2 核算總傳熱系數</p><p>

27、　　2.2.1 管程對流傳熱系數Ai</p><p><b>　　A=</b></p><p>　　故可應用貝爾特關聯(lián)式計算</p><p>　　2.2.2 殼程流體傳熱系數</p><p>　　換熱器列管之中心距t=32mm 則液體通過管間最大截面積為：</p><p><b>　　

28、A=hD（1-）</b></p><p>　　其中：h——折流板間距，取為150mm</p><p>　　D——殼體公稱直徑，取為600mm</p><p>　　——管子外徑，為25mm</p><p>　　t——管子中心距，可取32mm</p><p>　　A=hD（1-）=0.15</p>

29、<p>　　換熱管呈三角形排列，則當量直徑：</p><p><b>　　；</b></p><p><b>　??；</b></p><p>　　由于，可以應用殼程流體的對流傳熱系數關聯(lián)式計算，即</p><p>　　殼程中的循環(huán)水被冷卻，取</p><p>&l

30、t;b>　　代入數據得：</b></p><p>　　2.2.3 計算總傳熱系數K0（管壁熱阻可忽略時，總傳熱系數為）</p><p>　　其中：——殼程、管程對流傳熱系數 </p><p>　　——換熱管外徑、內徑和內外徑平均值 mm</p><p>　　——管內側、外側污垢熱阻 </p><p>

31、<b>　　計算安全系數</b></p><p>　　核算表明該換熱器可以完成任務。</p><p><b>　　2.3 核算壓強降</b></p><p>　　2.3.1 管程壓強降</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　對于

32、的管子取1.4 </p><p><b>　　是管程數，為4</b></p><p>　　(1) 對于的計算：</p><p>　　管程流通截面=0.0174m2</p><p><b>　　由此可知</b></p><p><b>　　設管壁粗糙度</b&

33、gt;</p><p>　　由《化工原理》（天津大學出版社，上）第54頁關系圖查得</p><p><b>　　代入計算式</b></p><p><b>　　(2) 對于的計算</b></p><p><b>　　(3) 的計算</b></p><p>

34、;<b>　　則：</b></p><p>　　2.3.2 殼程壓強降校核</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　是殼程壓強降屆垢校正因數，液體取1.15；</p><p><b>　　是殼程數，為1。</b></p><p>

35、<b>　　(1) 對于的計算</b></p><p>　　由于換熱器列管呈三角形排列F=0.5</p><p>　　取折流板間距為150mm；</p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　殼程的流通面積：</b></p><p>

36、;　　可見 故可應用下式計算</p><p><b>　　(2) 對于的計算</b></p><p><b>　　(3) 對于的計算</b></p><p>　　計算表明：管程壓強降為6717.03Pa，小于設計壓1.6Mpa；殼程壓強降為245157.23Pa，亦小于設計壓強降1.6MPa；</p><

37、;p>　　綜上可知，管程和殼程壓強降均能滿足題設要求。</p><p><b>　　3 設備參數的計算</b></p><p>　　3.1 確定換熱器的代號</p><p>　　3.1.1 換熱器的代號</p><p>　　所選換熱器的代號為 G-500-</p><p>　　3.1.2 確

38、定方法</p><p>　　此代號根據工藝計算反列管式固定管板式換熱器系列標準對G系列列管式固定管板換熱器的規(guī)定。查化學化工出版社《化工工藝設計手冊》（上）第120頁表3-10《列管式固定管板換熱器標準圖號和設備型號》得到殼體內徑，公稱壓強，管根數及排列要求而確定。</p><p>　　3.2 計算殼體內徑</p><p><b>　　公式：</b&

39、gt;</p><p>　　其中： t——管中心距，m 對管，t取32mm</p><p>　　——橫過管束中心線的管數，用計算</p><p>　　——管束中心線上2管的中心至殼體內壁的距離，取</p><p><b>　　計算：</b></p><p>　　3.3 管根數及排列要求</p

40、><p>　　(1) 換熱器采用mm的無縫鋼管，材質選用可焊性好的10號鋼，管長4.5m，共222根管。</p><p>　　(2) 排列方式及管中心距的確定</p><p>　　1）可該換熱器列管采用三角形排列；</p><p>　　2）管子與管板采用焊接，故可取。</p><p>　　3.4 計算換熱器殼體壁厚<

41、/p><p>　　3.4.1 選適宜的殼體材料 </p><p>　　根據《化工設備設計手冊.材料與部件》（上海）第102頁壓力容器用碳素鋼及普通低合金厚鋼板（536-69），換熱器公稱壓強為1.6選用鋼板</p><p>　　3.4.2 該鋼板的主要工藝參數性能</p><p>　　加工工藝性能好，可冷卷，氣割下料開坡口，炭弧氣刨挑焊根開坡口。

42、冷沖壓力熱沖壓性能好，使用溫度-20~475℃，可以作中低壓設備，所以筒體材質選用鋼板，鋼板標準GB3274</p><p>　　3.4.3 壁厚的計算</p><p><b>　　(1) 公式：</b></p><p>　　其中：——鋼板在不考慮加工裕量時的厚度，mm；</p><p>　　——計算厚度，mm；<

43、/p><p>　　——鋼板負偏差，mm；</p><p>　　——腐蝕裕量，mm；</p><p><b>　　——圓整值。</b></p><p>　　式中 ，為設計厚度，可用下式計算</p><p>　　其中：——設計壓力，取1.6</p><p><b>　　—

44、—殼體內徑，mm</b></p><p>　　——設計溫度下材料的許用應力， </p><p><b>　　——焊縫系數</b></p><p>　　(2) 查算：依據《化工設備機械基礎》（華東理工大學出版社）表14-3，《鋼制壓力容器中使用的鋼板許用應力》可得，依表14-4《焊縫系數》可得，依表14-6《腐蝕裕量》的</p&

45、gt;<p>　　依《化工設備機械基礎》（華東理工大學出版社）表14-5，《鋼板厚度常用規(guī)格及其負偏差》得</p><p><b>　　故</b></p><p>　　可根據JB/708-65 選用厚度為9mm的鋼板材質</p><p>　　(3) 水壓試驗強度校核：</p><p><b>　

46、　水壓試驗應力為</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　將有關數據代入原式可得</p><p>　　查閱《化工設備機械基礎》（華東理工大學出版社）表14-3，《鋼制壓力容器中使用的鋼板許用應力》可得A3F鋼制容器在常溫水壓試驗時的許用應力</p><p><b>　

47、　從而有</b></p><p><b>　　由于</b></p><p>　　所以殼體壁厚滿足水壓試驗的強度要求。</p><p>　　3.5 選擇換熱器的封頭</p><p><b>　　(1) 公式：</b></p><p>　　其中：由于用整塊鋼板沖壓成型

48、，此時</p><p><b>　　(2) 計算：</b></p><p>　　(3) 選擇適宜厚度，并確定封頭型式規(guī)格</p><p>　　根據《化工設備手冊材料與零部件》（上冊）第327頁橢圓封頭JB1154-73，應選封頭JB/T4737-45，且根據其選用一橢圓封頭尺寸如下：</p><p>　　坯料直徑：666

49、mm 坯料質量:21.8kg</p><p>　　容 積 質 量:20kg</p><p>　　表5-1 封頭 JB/T4737-45</p><p>　　所選封頭的結構示意圖如下：</p><p>　　圖5-1 封頭的結構示意圖</p><p>　　3.6 選擇容器法蘭

50、</p><p>　　3.6.1 選擇法蘭的型式</p><p>　　采用甲型平焊容器法蘭。已知換熱器的公稱壓力為PN=1.6Mpa，公稱直徑600mm。查閱《壓力容器與化工設備實用手冊》中3-1-1，《壓力容器法蘭分類》，宜采用甲型平焊容器法蘭。法蘭材料為板材Q235-B，工作溫度>-20℃~200℃的最大允許工作壓力為1.05Mpa，小于公稱壓力,故甲型平焊容器法蘭最大允許工作壓

51、力滿足要求。</p><p>　　3.6.2 確定法蘭相關尺寸</p><p>　　查閱《壓力容器與化工設備實用手冊》第467頁，表3-1-2（A）《甲型平焊法蘭尺寸》和表3-1-2（B）《甲型平焊法蘭質量》可得法蘭相關尺寸如下表：</p><p>　　表5-2 甲型平焊容器法蘭</p><p>　　3.6.3 選用法蘭并確定其標記</

52、p><p>　　選用甲型平焊容器法蘭（凹凸密封面）為宜</p><p>　　標記為：法蘭—AT 500-1.6 JB/T4701-2000</p><p><b>　　結構如圖</b></p><p><b>　　圖5-2 法蘭</b></p><p>　　3.7 選擇管法蘭

53、和接管</p><p>　　3.7.1 熱流體進出口接管</p><p>　　取接熱流體的流速。則接管內徑為：</p><p>　　可選取接管：，長150mm兩個</p><p>　　3.7.2 冷流體進出口接管</p><p>　　取接冷流體的流速。接管內徑為：</p><p><b&g

54、t;　　。</b></p><p>　　可選取接管, 長150mm，兩個</p><p>　　表5-3 鋼制管法蘭(HGJ45-91)</p><p>　　3.7.3 選擇管法蘭</p><p>　　根據公式直徑與公稱壓力選用板式平焊鋼制管法蘭。</p><p>　　HG20593-97 SO150—2.

55、5RF 16</p><p><b>　　圖5-3 管法蘭</b></p><p><b>　　3.8 選擇管箱 </b></p><p>　　查閱《化工設備標準圖冊》，選擇封頭管箱，材料為鋼，其簡圖如下所示：</p><p><b>　　圖5-4 封頭管箱</b><

56、/p><p>　　3.9 折流檔板的設計</p><p>　　查閱《換熱器原理及計算》根據換熱器的要求，選用厚度為5mm的圓缺形檔板，其參數如下：</p><p>　　兩板間距離： h=D(0.2~1)=150mm</p><p>　　折流板高度： h’=500(1-25%)=450mm</p><p>　　折流檔板個

57、數：NB=L/h-1=4.5/0.15-1=29</p><p>　　折流檔板厚度：=5mm</p><p>　　圖5-5 折流板及管子的排列</p><p>　　3.10 支座的選用</p><p>　　查閱《化工設備設計手冊材料與零部件》，選用A3F材料，采用鞍式支座Dg500AJB1167-73。尺寸如下表：</p>&l

58、t;p>　　表5-4 鞍式支座Dg500AJB1167-73</p><p>　　3.11 拉桿的選用和設置</p><p>　　3.11.1 拉桿的選用</p><p>　　查閱《化工過程和設備設計》第15頁表可知：</p><p><b>　　表5-5 拉桿</b></p><p>　　

59、3.11.2 拉桿的設置</p><p>　　拉桿與折流板和檔板的連接形式如下圖所示：</p><p><b>　　圖5-7 拉桿</b></p><p>　　3.12 確定管板尺寸</p><p>　　由《化工設備機械基礎》查得，管板選用的材料為16Mn，管板厚度為30mm，質量為59.6kg。</p>

60、<p><b>　　圖5-8 整體管板</b></p><p>　　3.13 墊片的選用</p><p>　　3.13.1 設備法蘭用墊片</p><p>　　根據《壓力容器與化工設備實用手冊》，密封墊片選用非金屬軟墊片，JB 4704—92. 厚度30mm，該墊片為法蘭用墊片，其尺寸為：</p><p>　　

61、圖5-9 設備法蘭用墊片</p><p>　　3.13.2 管法蘭用墊片</p><p>　　材料：耐油橡膠石棉板 S20—0056—3. 厚度3mm</p><p><b>　　4 數據匯總</b></p><p>　　表6-1 數據匯總表</p><p><b>　　5總結評述<

62、;/b></p><p>　　在這次的設計中，我們的設計題目是“循環(huán)水冷卻器的設計”，我們小組共計五個人，為了更好更高效的完成設計，我們各自明確自己負責的版塊任務，有的不懂的地方，我們共同探討商議查資料。</p><p>　　剛開始接觸這個課題時，我們都有點生疏，不知道從何著手，經過老師細心指導，我們都有信心把這次設計做好。在這次設計中，我們遇到了許多困難，有的我們靠團隊力量解決了，

63、但有的我們只能借助老師的幫助才能順利解決。經過這次課程設計，讓我從中學到了許多東西，知道了知識必須運用到實踐中去才能顯現(xiàn)出其價值的所在，現(xiàn)在的學習是為今后更好的工作打基礎。工作中要對設備、工作參數要有充分的了解。</p><p>　　這次的設計能夠順利的完成，令我們每個人都感到了成功帶來的喜悅與鼓舞，除了學習到了更多的知識，我還學會了如何同他人合作，同時更加感謝我們的指導老師xx老師的熱心幫助，盡管設計的時間不長

64、，但它對我們每個人來說的是一個難忘的回憶，對我們未來的學習和生活將會有很大的幫助！</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p><b>　　英文字母</b></p><p>　　S0——傳熱面積，m2 ；</p><p>　　Ao——換熱器的實際傳熱面積，m2 ；</p&

65、gt;<p>　　CP1——循環(huán)水比熱容，KJ/Kg·℃ ；</p><p>　　CP2——柴油比熱容，KJ/Kg·℃ ； </p><p>　　deo——殼程當量直徑，m ；</p><p>　　di——管子內徑，mm ； </p><p>　　do——管子外徑，mm ；</p><p

66、>　　D——換熱器內徑，m ；</p><p>　　h——折流擋板間距，m ；</p><p>　　K——傳熱系數， W/m2·℃ ； </p><p>　　Ko——總傳熱系數，W/m2·℃；</p><p><b>　　L——管長，m ；</b></p><p>　　l

67、——單程管長， m ；</p><p>　　ns——單程管子數目 ；</p><p>　　NB——折流板數 ；</p><p>　　Np——單殼程的管程數 ；</p><p><b>　　Ns——殼程數 ；</b></p><p><b>　　P,R——因數 ；</b><

68、;/p><p>　　Pri——管程普蘭特準數 ；</p><p>　　Pro——殼程普蘭特準數 ；</p><p>　　Q——熱負荷，w ；</p><p>　　Rei——管程雷諾準數 ；</p><p>　　Reo——殼程雷諾準數；</p><p>　　A——殼程流通面積，m2 ；</p&g

69、t;<p>　　t——管心距，m ；</p><p>　　t1——冷流體進口溫度， ℃ ；</p><p>　　t2——冷流體出口溫度，℃；</p><p>　　T1——熱流體進口溫度，℃；</p><p>　　T2——熱流體出口溫度，℃； </p><p>　　ui——管內流體流速，m/s ；</

70、p><p>　　uo——殼程流速，m/s ；</p><p>　　W1——循環(huán)水質量流量，Kg /h ；</p><p>　　W2——冷卻水質量流量，Kg /h ；</p><p><b>　　希臘字母</b></p><p>　　αi——管程對流傳熱系數，</p><p>&

71、lt;b>　　W /m2·℃ ；</b></p><p>　　αo——殼程對流傳熱系數，</p><p><b>　　W /m2·℃ ；</b></p><p>　　ΔP1′——流體流過折流板缺口阻力，Pa ；</p><p>　　ΔP2——回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa ；&

72、lt;/p><p>　　ΔPsV程阻力損失，Pa ；</p><p>　　ΔPt——管程阻力，Pa ；</p><p>　　Δtm——平均傳熱溫差，℃ ；</p><p>　　Δt1,Δt2——溫差，℃ ；</p><p>　　Δtm′——未校正前的算術溫差，℃ ；</p><p>　　——溫差校正

73、系數 ；</p><p>　　λi——管程導熱系數，W/m2·℃；</p><p>　　λo——殼程導熱系數，W/m2·℃ ； </p><p>　　Rsi——管程污垢導熱，W/m2·℃；</p><p>　　Rso——殼程污垢導熱，W/m2·℃</p><p>　　μ1——循環(huán)

74、水黏度，Pa·S ；</p><p>　　μ2——冷卻水黏度，Pa·S ；</p><p>　　ρ1——循環(huán)水密度，Kg/m3 ； </p><p><b>　　ρ2——冷卻水密度</b></p><p><b>　　8附表</b></p><p>　　附