化工原理課程設(shè)計(jì)-- 用水冷卻注射甘油的列管換熱器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)</p><p>　　用水冷卻注射甘油的列管換熱器的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　學(xué) 院：</b></p><p><b>　　專 業(yè)：</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p>

2、<p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師：</b></p><p><b>　　時(shí)　　間：</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　任務(wù)書……………………………………………

3、……………………………………3</p><p>　　1.設(shè)計(jì)題目………………………………………………………………………3</p><p>　　2.設(shè)計(jì)條件………………………………………………………………………3</p><p>　　3.設(shè)計(jì)任務(wù)………………………………………………………………………3</p><p>　　設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介……………

4、……………………………………………………………3</p><p>　　設(shè)計(jì)原則………………………………………………………………………………3</p><p>　　1.滿足工藝和操作要求…………………………………………………………3</p><p>　　2.滿足經(jīng)濟(jì)上的要求……………………………………………………………3</p><p>　　3

5、.保證安全生產(chǎn)…………………………………………………………………4</p><p>　　工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型………………………………………………4</p><p>　　1.流體定性溫度的確定…………………………………………………………4</p><p>　　2.估算傳熱面積…………………………………………………………………4</p><

6、;p>　　3.選定換熱器的概略尺寸………………………………………………………5</p><p>　　4.折流板…………………………………………………………………………5</p><p>　　5.總傳熱系數(shù)的計(jì)算……………………………………………………………6</p><p>　?。?）管側(cè)傳熱系數(shù)…………………………………………………………6</p>

7、;<p>　?。?）殼側(cè)傳熱系數(shù)……………………………………………………………7</p><p>　?。?）污垢系數(shù)…………………………………………………………………7</p><p>　?。?）總傳熱系數(shù)………………………………………………………………8</p><p>　　管壁溫度………………………………………………………………………………8<

8、;/p><p>　　壓力損失的計(jì)算………………………………………………………………………8</p><p>　　1.殼程的壓力損失………………………………………………………………8</p><p>　　2.管程的壓力損失………………………………………………………………9</p><p>　　換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………

9、………………9</p><p>　　1.管束及管殼分程………………………………………………………………9</p><p>　　2.傳熱管…………………………………………………………………………10</p><p>　　3.管子布置………………………………………………………………………10</p><p>　　4.管板…………………………………

10、…………………………………………11</p><p>　　5.管子與管板的連接……………………………………………………………11</p><p>　　6.管板與殼體的連接……………………………………………………………11</p><p>　　7.折流板…………………………………………………………………………11</p><p>　　8.殼體直

11、徑及厚度………………………………………………………………12</p><p>　　9.管子在管板上的固定方法……………………………………………………13</p><p>　　10.主要附件……………………………………………………………………13</p><p>　　11.材料選用……………………………………………………………………13</p><

12、p>　　設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表……………………………………………………………………14</p><p>　　單殼程兩管程的浮頭式換熱器圖…………………………………………………14</p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)述………………………………………………………………………15</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p><p

13、>　　一、設(shè)計(jì)題目：用水冷卻注射甘油的列管式換熱器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)條件</b></p><p><b>　　(1)甘油</b></p><p>　　處理量： 10～15kg/S、進(jìn)口溫度：100～120℃、出口溫度：40～50℃、壓強(qiáng)降：＜101.3kPa</p><p

14、><b>　　(2)冷卻水</b></p><p>　　進(jìn)口溫度：（20～25范圍選擇）℃、出口溫度：（30～35范圍選擇）℃ ，壓強(qiáng)降：＜101.3kPa</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　　(1)根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇合適的換熱器型號(hào)，并核算換熱面積、壓力降是否滿足要求，并

15、設(shè)計(jì)管道與殼體的連接，管板與殼體的連接、折流板數(shù)目、形式等。</p><p>　　(2)繪制列管式換熱器的裝配圖。</p><p>　　(3)編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介</b></p><p>　　1.選擇換熱器的類型：題目要求以規(guī)定為列管式換熱器</p><p&g

16、t;　　2.管程安排：從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使煤油走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降；又被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)原則</b></p><p>　　1.滿足工藝和操作要求</p><p&g

17、t;　　設(shè)計(jì)出來(lái)的流程和設(shè)備首先要保證質(zhì)量，操作穩(wěn)定，這就必須配置必要的閥門和計(jì)量?jī)x表等，并自確定方案時(shí)，考慮到各種流體的流量，溫度和壓強(qiáng)變化使采取什么措施來(lái)調(diào)節(jié)，而在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，加修應(yīng)方便。</p><p>　　2.滿足經(jīng)濟(jì)上的要求</p><p>　　在確定某些操作指標(biāo)和治標(biāo)和選定設(shè)備型式以及儀表配置時(shí),要有經(jīng)濟(jì)核算的觀點(diǎn),既能滿足工藝和操作要求,又使施工簡(jiǎn)便,材料來(lái)源容易,造價(jià)低

18、廉。如果有廢熱可以利用,要盡量節(jié)省熱能,充分利用,或者采取適當(dāng)?shù)拇胧┻_(dá)到降低成本的目的。</p><p><b>　　3.保證安全生產(chǎn)</b></p><p>　　在工藝流程和操作中若有爆炸、燃燒、中毒、燙傷等危險(xiǎn)性,就要考慮必要的安全措施。又如設(shè)備的材料強(qiáng)度的演算,除按規(guī)定應(yīng)有一定的安全系數(shù)外,還應(yīng)考慮防止由于設(shè)備中壓力突然升高或者造成真空而需要裝置安全閥等。以上提

19、到的都是為了保證安全生產(chǎn)所需要的。設(shè)計(jì)方案也可能一次定不好,后來(lái)需要修改,但各物料流通路線和操作指標(biāo)的改動(dòng)都對(duì)后面的計(jì)算有影響,所以最好第一次確立就考慮周到些。</p><p>　　工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型</p><p>　　1. 流體定性溫度的確定</p><p>　　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。</p>

20、;<p><b>　　2.估算傳熱面積</b></p><p>　　查表知，甘油在平均溫度下，70℃的比熱容=2．8kj/（kg·℃），水在平均溫度下，25℃的比熱容=4．08kj/（kg·℃），則傳熱量</p><p>　　Q= =15×2．78×（100－40）=2520（kJ/s）</p>&l

21、t;p>　　假定冷卻器為單殼程、雙管程的1-2型換熱器，則</p><p>　　假定總傳熱系數(shù) K = 200 W/（.℃）</p><p>　　3.選定換熱器的概略尺寸</p><p>　　根據(jù)估算的傳熱面積，查化工原理教材P301表，選定:</p><p>　　熱管采用鋁砷高強(qiáng)度黃銅管。</p><p>　

22、　換熱器管子管徑：;管長(zhǎng)取l=6m</p><p><b>　　則所需管子數(shù)： </b></p><p><b>　　殼內(nèi)徑：</b></p><p><b>　　管間距：</b></p><p><b>　　中心排管數(shù)：</b></p>&

23、lt;p><b>　　管程數(shù)：</b></p><p><b>　　即為：</b></p><p><b>　　4．折流板 </b></p><p>　　采用圓缺型折流板，去圓缺形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，</p><p><b>　　則切去的圓缺高

24、度為</b></p><p>　　H=0.25×1100=275m</p><p>　　假定折流擋板間距是殼體內(nèi)徑的0.2倍，</p><p>　　則折流擋板間距h=1.10.2=0.22m，則可取 h=200mm</p><p>　　5.總傳熱系數(shù)的計(jì)算</p><p><b>　?。?/p>

25、1）管側(cè)傳熱系數(shù)</b></p><p>　　查定性溫度25℃時(shí)水的物性[化工原理教材P261附錄二]：</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　當(dāng)Re>10000,則可以根據(jù)公式：計(jì)算的值</p><p><b>　　水的質(zhì)量流速：</b></p>

26、;<p><b>　　（2）殼側(cè)傳熱系數(shù)</b></p><p>　　熱交換器中線最近的管排上錯(cuò)流流動(dòng)的最大流通面積：</p><p>　　熱交換器中線最近的管排上錯(cuò)流流動(dòng)的最小質(zhì)量流速：</p><p>　　查定性溫度下，甘油的物性[化工原理教材P276—279圖表]：</p><p>　　正方形排列時(shí)，

27、管群的當(dāng)量直徑：</p><p>　?。?）污垢系數(shù) [查實(shí)驗(yàn)書表4-7]得：</p><p><b>　　管內(nèi)側(cè)： </b></p><p><b>　　管外側(cè)：</b></p><p>　　另外，鋁砷高強(qiáng)度黃銅管材料導(dǎo)熱系數(shù)為：</p><p><b>　　(

28、4)總傳熱系數(shù)K</b></p><p>　　則計(jì)算所需傳熱面積為：</p><p>　　所以實(shí)際傳熱面積與計(jì)算面積比為：</p><p><b>　　6.管壁溫度</b></p><p>　　查30下甘油的粘度：</p><p>　　所以計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，</p><

29、;p><b>　　7.壓力損失的計(jì)算</b></p><p>　?。?）殼程的壓力損失</p><p><b>　　用概算法</b></p><p>　?。?）管程的壓力損失</p><p>　　查實(shí)驗(yàn)書圖416，Re=23836時(shí)的摩擦阻力系數(shù)</p><p>　　直

30、管部分的壓力損失：</p><p>　　管箱處方向改變引起的壓力損失：</p><p><b>　　管側(cè)壓力損失之和：</b></p><p>　　管側(cè)和殼側(cè)的壓力損失均滿足要求，設(shè)計(jì)可行。</p><p><b>　　換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　換熱器的結(jié)

31、構(gòu)設(shè)計(jì)包括：管子在管板上的固定，是否需要溫差補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)，管板的強(qiáng)度，管板與殼體的連接結(jié)構(gòu)，折流板與隔板的固定，蓋板與法蘭的設(shè)計(jì)，個(gè)部件的公差及技術(shù)條件等。</p><p><b>　　管束及管殼分程</b></p><p>　　1.1、管束分程 [8]</p><p>　　為了解決管束增加引起管內(nèi)流速及傳熱系數(shù)的降低，可以將管束分程。在換熱

32、器的兩端的管箱中安置一定數(shù)量的隔板，一般每程中管束大致相等。注意溫差較大的流體應(yīng)避免緊鄰以免引起較大的溫差應(yīng)力。</p><p>　　管束分程應(yīng)優(yōu)先考慮偶數(shù)管程，因?yàn)閺闹圃?、安裝、操作的角度來(lái)考慮，偶數(shù)管程有較多的方便之處。但是管程數(shù)不宜太多，否則隔板本身占去相當(dāng)大的布管面積，且在殼程中形成旁路，影響傳熱。</p><p><b>　　1.2、殼程分程</b><

33、/p><p>　　殼程分程型式可分為E型、F型、G型、H型。他們的不同之處在于殼側(cè)流體進(jìn)出口的位置不同。同時(shí)考慮到制造上的困難，一般的換熱器殼程數(shù)很少超過(guò)2</p><p><b>　　2、傳熱管</b></p><p>　　傳熱管采用普通鋼管或異形管。</p><p>　　光滑管常用的規(guī)格有19mm×2mm,2

34、5mm×2.5mm兩種</p><p>　　當(dāng)換熱器的傳熱系數(shù)不是很高時(shí)，為了強(qiáng)化傳熱，可采用異形管，如翅片管、螺紋管，其都可以顯著提高傳熱膜系數(shù)，但是制造困難，流體流動(dòng)的阻力提高。管子的直徑與長(zhǎng)度的確定與工藝密切相關(guān)，長(zhǎng)的選擇應(yīng)根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的管長(zhǎng)的規(guī)格系列(常有3m 、6m、9m)截取時(shí)因考慮管材的合理使用，避免浪費(fèi)。</p><p><b>　　3、管子布置<

35、/b></p><p>　　管子布置應(yīng)在換熱器的截面上均勻而緊湊的分布，此外還有考慮流體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造等方面的問(wèn)題</p><p>　　管于的排列方式有等邊三角形和正方形兩種，如圖(a)、圖(b)所示。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)4

36、5度安裝如圖(c)可在一定的程度上提高對(duì)流傳熱系數(shù)。</p><p><b>　　4、管板</b></p><p>　　管板用來(lái)固定換熱管并起著分隔管程、殼程的作用。</p><p>　　管板型有平管板橢圓型管板和雙管板，其中最常見的是平管板。當(dāng)流體有腐蝕性時(shí)，管板應(yīng)采用耐腐蝕材料，工程上多采用軋制成的符合不銹鋼，或在碳鋼表面堆焊一層厚度不小于

37、5mm的覆蓋層。當(dāng)換熱器承受高溫高壓時(shí)，應(yīng)采用薄型管板，即降低了溫差應(yīng)力，同時(shí)也滿足了高壓對(duì)機(jī)械應(yīng)力的要求。薄管板的突出優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約管板材料，高壓時(shí)殼節(jié)約90%，且加工方便。所以在中低壓換熱器中得以推廣應(yīng)用。</p><p>　　5、管子與管板的連接</p><p>　　在管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，管子與管板的連接是否緊密十分重要。如果連接不緊密，在操作時(shí)連接處發(fā)生泄露，冷熱流體互相混合，會(huì)

38、造成物料和熱量損失；若物料帶有腐蝕性、放射性或者兩種流體接觸會(huì)產(chǎn)生易燃易爆物質(zhì)，后果將更加嚴(yán)重。</p><p>　　在固定管板式換熱器的連接方法處還應(yīng)考慮能承受一定的軸向力，以避免溫度變化較大時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力使管子從管板脫出。</p><p>　　焊接法由于具有很多的優(yōu)點(diǎn)（加工簡(jiǎn)單、對(duì)管孔的加工要求不高，較強(qiáng)的抗脫能力使之在高溫高壓下仍能保持連接處的緊密性，同時(shí)在壓力不太高時(shí)還可采用薄型

39、管板），在一些要求較高的場(chǎng)合被廣發(fā)的應(yīng)用。</p><p>　　6、管板與殼體的連接</p><p>　　浮頭式換熱器通常是把管板夾在殼體法蘭與管箱法蘭之間便于管殼程一起清洗。</p><p><b>　　7、折流板</b></p><p>　　換熱器內(nèi)安裝折流擋板是為了提高完程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。為了獲得良好效果，折流

40、擋板的尺寸和間距必須適當(dāng)。對(duì)于常用的圓缺形擋板，弓形切口太大或太小，都會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)“死區(qū)”，如圖所示，不利于傳熱，且增加流體阻力。一般切口高度與直徑之比為0.15——0.45，常見的有0.20和0.25兩種。</p><p>　　a——切口過(guò)小，板間過(guò)大</p><p><b>　　b——切口適當(dāng)</b></p><p><b>　　c

41、——切口過(guò)大</b></p><p>　　擋板的間距對(duì)殼程的流動(dòng)有重要的影響，間距太大不能保證流體垂直流過(guò)管束，使得管外給熱系數(shù)降低，間距太小又不方便檢修，阻力損失也很大。一般采用間距為殼體的0.2-1.0倍。取折流板間距B=0.2D，則 B=0.3×1100=220mm，可取B為200mm。</p><p>　　而對(duì)圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情

42、況有重要的影響。弓形缺口太大還是太小都有可能造成流體“死區(qū)”，既不利于傳熱也不利于流體的流動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，弓形缺口的高度可取殼程高度的0.1—0.4。據(jù)以上原理可以選擇的缺口高度以及擋板常采用0.2和0.25采用弓形折流板，去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=0.25×1080=270mm，故可取h=270mm</p><p><

43、;b>　　8、殼體直徑及厚度</b></p><p>　　換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確定殼體的內(nèi)徑。但是，當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，用作圖法就太麻煩。一般在初步設(shè)計(jì)小，可光分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出

44、管子排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走‘短流”，可以適當(dāng)增減一些管子。</p><p>　　9、管子在管板上的固定方法</p><p>　　管于在管板上的固定方法主要有脹接和焊接兩種。其選擇原則是必須保證管子與管板連接牢固，連接處不會(huì)產(chǎn)生泄漏。實(shí)際生產(chǎn)中，高溫高壓情況下有時(shí)采用脹接加焊接的方法，對(duì)非金屬管和鑄鐵管也有采用墊塞法的。</p><p><b&g

45、t;　　10、主要附件</b></p><p>　?、俜忸^ 封頭有方形和圓形兩種，方形用于小直徑 (<400mm)的殼體，圓形用于大直徑的殼體。</p><p>　?、诰彌_擋板 為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。</p><p>　?、?導(dǎo)流桶 殼程流體的進(jìn)、出口和管扳問(wèn)必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間(死角)，

46、為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流簡(jiǎn)，使流體進(jìn)、出殼積時(shí)必然經(jīng)過(guò)這個(gè)空間。</p><p>　　放氣孔、排液孔 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>　　11、材料選用</b></p><p>　　列管換熱器的材料應(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機(jī)械性能及耐腐蝕

47、性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少有的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氖乙烯和玻璃等。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><b>　　設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表</b></p><p><b>　　對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)述</b></p>&l

48、t;p>　　在剛開始做設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)，覺得好難，沒有一點(diǎn)頭緒，不知道從哪里下手，就按照設(shè)計(jì)書上的例子一部部計(jì)算，其中比熱容、粘度、熱導(dǎo)率等等都要查表，感覺很復(fù)雜，很煩！修改重算過(guò)很多次，結(jié)果一直都不怎么讓人滿意。在熟悉整個(gè)計(jì)算過(guò)程后理清了思路，發(fā)現(xiàn)計(jì)算簡(jiǎn)單了。我想開始是由于過(guò)于盲目，沒有科學(xué)地規(guī)劃，以至于一直處在在盲目的計(jì)算、改數(shù)字、再次計(jì)算這個(gè)階段。</p><p>　　這次化工原理課程設(shè)計(jì)給我留下了極深的印

49、象，也讓我有很大的收獲?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)是旨在學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一次綜合性訓(xùn)練。這次我們對(duì)換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)題目來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)際，具有實(shí)際意義。課程設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)使用相結(jié)合。設(shè)計(jì)中要求我們根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，獨(dú)立自編程序?qū)υO(shè)計(jì)中的一些重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這種用計(jì)算機(jī)對(duì)工程經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)訓(xùn)練，給我們以很大的興趣；其次設(shè)計(jì)計(jì)算與 CAD 設(shè)計(jì)相結(jié)合，應(yīng)用CAD繪制符合工程

50、設(shè)計(jì)制圖的要求的圖紙，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用 AutoCAD 輔助設(shè)計(jì)、繪圖。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中充分運(yùn)用了個(gè)人努力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作，通過(guò)分工合作，培養(yǎng)了我們從事設(shè)計(jì)工作的協(xié)作精神、團(tuán)隊(duì)精神，也增進(jìn)了朋友之間的友誼。在設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)老師的檢查和指導(dǎo)，使我們的設(shè)計(jì)更符合各種規(guī)定、指標(biāo)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力、分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題能力和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力等方面都得到了提高，為今后的工作做了

51、必要的準(zhǔn)備，對(duì)我們很有幫助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1．王國(guó)勝主編 化工原理課程設(shè)計(jì) 大連：大連理工大學(xué)出版社 2006年8 月第2版</p><p>　　2．陳敏恒 方圖南編 化工原理 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2006年5月第3版 </p><