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><b>  化工原理課程設(shè)計</b></p><p><b>  換熱器的設(shè)計</b></p><p><b>  姓名:</b></p><p><b>  班級:</b></p><p><b>  學(xué)院:</b>

2、;</p><p><b>  學(xué)號:</b></p><p><b>  指導(dǎo)老師:</b></p><p><b>  目錄</b></p><p>  1.1概述………………………………………………………………3</p><p>  1.2.換熱器

3、設(shè)計任務(wù)書………………………………………………3</p><p>  1.3換熱器的結(jié)構(gòu)類型………………………………………………4</p><p>  1.4換熱器材質(zhì)的選擇………………………………………………6</p><p>  1.5設(shè)計方案簡介……………………………………………………7</p><p>  2.1設(shè)計參數(shù)…………………

4、………………………………………10</p><p>  2.2計算總傳熱系數(shù)…………………………………………………10</p><p>  2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………………………11</p><p>  2.4換熱器核算………………………………………………………13</p><p>  2.4.1.熱流量核算…………………

5、……………………………13</p><p>  2.4.2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力……………………………15</p><p>  3.1設(shè)計結(jié)果一覽表…………………………………………………17</p><p>  3.2主要符號說明……………………………………………………18</p><p>  4.1設(shè)計心得…………………………………………

6、………………18</p><p>  5.1參考文獻(xiàn)…………………………………………………………19</p><p><b>  1.1概述</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,其行程稱為管程;另一種流體在管

7、外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。</p><p>  其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大,傳熱效果好,結(jié)構(gòu)堅固,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)定路徑多次錯流通過管束,使湍流程度大為增加。</p><

8、;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差別。若兩流體溫差較大(50℃以上)時,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>  1.2設(shè)計任務(wù)及操作條件</p><p>  1.2.1處理能力:356000kg/h的混合氣體</p><p>  1

9、.2.2.設(shè)備形式:列管式換熱器</p><p>  1.2.3.操作條件</p><p>  1.2.4混合氣體:入口溫度103°C出口溫度42°C</p><p>  1.2.5冷卻介質(zhì):自來水 入口溫度21°C出口溫度32°C</p><p>  1.2.6允許壓降:不大于100Kpa</p

10、><p>  1.2.7混合氣體定性溫度下的物性數(shù)據(jù):</p><p>  密度90kg/m3 粘度1.5*10-5pa.s</p><p>  比熱容3.297kj/(kg.°C)導(dǎo)熱系數(shù)0.0279W/m.°C</p><p>  1.2.7選擇適宜的列管換熱器并核算</p><p>  1.2.

11、7.1傳熱計算</p><p>  1.2.7.2管,殼程流體阻力的計算</p><p>  1.2.7.3計算結(jié)果表</p><p><b>  1.2.7.4總結(jié)</b></p><p>  1.3換熱器的結(jié)構(gòu)類型 </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

12、,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><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>  1)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

13、傳給冷流體。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。將在后面做重點介紹。</p><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>  2)蓄熱式換熱器又稱回

14、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,從熱流體處接受熱量,蓄熱體溫度升高后,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,間壁式換

15、熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。</p><p>  3)緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。</p><p>  4)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

16、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>  1.4換熱器制材的選擇</p><p>  在進(jìn)行換

17、熱器設(shè)計時,換熱器各種零、部件的材料,應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度。流體的腐蝕性能以及對材料的制造工藝性能等的要求來選取。當(dāng)然,最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度,即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來考慮,是比較容易達(dá)到的,但材料的耐腐蝕性能,有時往往成為一個復(fù)雜的問題。在這方面考慮不周,選材不妥,不僅會影響換熱器的使用壽命,而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能,是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。

18、一般換熱器常用的材料,有碳鋼和不銹鋼。 1.4.1.1碳鋼 價格低,強(qiáng)度較高,對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定,很容易被酸腐蝕,在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。如一般換熱器用的普通無縫鋼管,其常用的材料為10號和20號碳鋼。 1.4.1.2不銹鋼 奧氏體系不銹鋼以1Crl8Ni9Ti為代表,它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹鋼,有穩(wěn)定的奧氏體組織,具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。</p><p&

19、gt;  正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊;正方形排列便于機(jī)械清洗;同心圓排列用于小殼徑換熱器,外圓管布管均勻,結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中,固定管板式多采用正三角形排列;浮頭式則以正方形錯列排列居多,也有正三角形排列。 </p><p>  (A) (B)(C)</p><p> ?。―) (E)</p><p>  換熱管在管板上的排列方式

20、(A)正方形直列 (B)正方形錯列 (C)三角形直列</p><p>  (D)三角形錯列 (E)同心圓排列 </p><p>  1.3.2管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起,并將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹,產(chǎn)生顯著的塑性變形,靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼,

21、管板為碳素鋼或低合金鋼,設(shè)計壓力不超過4MPa,設(shè)計溫度不超過350℃的場合。</p><p><b>  1.5設(shè)計方案簡介</b></p><p>  1.5.1 換熱器類型的選擇</p><p>  根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點,主要分為以下四種。以下根據(jù)本次的設(shè)計要求,介紹幾種常見的列管式換熱器。</p><p>

22、  1.5.1.1固定管板式換熱器</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,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><p>  1.5.1.2

23、U型管換熱器</p><p>  U型管換熱器結(jié)構(gòu)特點是只有一塊管板,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,不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。U型管式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,只有一塊管板,密封面少,運行可靠;管束可以抽出,管間清洗方便。其缺點是管內(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,

24、因而報廢率較高。此外,其造價比管定管板式高10%左右。</p><p>  1.5.1.3浮頭式換熱器</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)點是黨環(huán)熱管與殼體間有溫差存在,殼體或環(huán)熱管膨脹時,互不約束,不會產(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。其缺點是結(jié)構(gòu)

25、較復(fù)雜,用材量大,造價高;浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴(yán),易發(fā)生泄漏,造成兩種介質(zhì)的混合。</p><p>  1.5.1.4填料函式換熱器</p><p>  填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。其特點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,不會產(chǎn)生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)點是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單,制造方便,耗材少,造價也比浮頭式

26、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。其缺點是填料函乃嚴(yán)不高,殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓,對于易燃、易爆、有度和貴重的介質(zhì)不適用。</p><p><b>  2.1設(shè)計參數(shù)</b></p><p>  混合氣體的定性溫度:</p><p><b>  水的定性溫度:</b></p>&

27、lt;p>  定性溫度下流體的物性</p><p>  2.2計算總傳熱系數(shù)</p><p>  2.2.1熱流量的計算</p><p>  Qo=m0cp0Δt0=</p><p><b>  ℃</b></p><p>  2.2.2冷卻水的用量</p><p>

28、  2.2.3計算傳熱面積</p><p>  求傳熱面積需要先知道K值,根據(jù)資料查得煤油和水之間的傳熱系數(shù)在350 W/(㎡·℃)左右,先取K值為300W/(㎡·℃)計算</p><p><b>  由Q=KA△tm得</b></p><p><b>  ㎡</b></p><p&

29、gt;<b>  2.3工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>  2.3.1.管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速u=0.5m/s。</p><p>  2.3.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) </p><p>  可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>

30、;  Ns=</b></p><p>  按單程管計算,所需的傳熱管長度為 </p><p><b>  L=</b></p><p>  按單程管設(shè)計,傳熱管過長,宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況,采用非標(biāo)設(shè)計,現(xiàn)取傳熱管長l=4.5m,則該換熱器的管程數(shù)為</p><p><b>  Np=

31、</b></p><p>  傳熱管總根數(shù) Nt=3379×2=6758</p><p>  2.3.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) </p><p><b>  R=</b></p><p><b>  P=</b></p><p>  按單

32、殼程,雙管程結(jié)構(gòu)得:</p><p>  平均傳熱溫差 ℃ </p><p>  由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8,同時殼程流體流量較大,故取單殼程合適。</p><p>  2.3.4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。</p><p>  取管心距a=1.

33、25d0</p><p>  a=1.25×25=31.25≈32mm</p><p>  橫過管中心線管數(shù) b=1.1=1.1×=90.1 取91殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu),殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于關(guān)閉的直徑:</p><p>  式中 D——殼體內(nèi)徑,mm;</p><p>  a ——管心距,mm;</p

34、><p>  b——最外層的六角形對角線上的管數(shù);</p><p>  e——六角形最外層管中心到殼體內(nèi)壁距離,一般取e=(1~1.5)d,取29mm。</p><p><b>  2.3.5折流板</b></p><p>  采用弓形折流板,去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為:</p>

35、<p>  h=0.25×2.758=00.6895m,故可取h=0.690m</p><p>  取折流板間距B=0.4D,則 B=0.4×2.758=1.1032m</p><p><b>  折流板數(shù)目NB=</b></p><p><b>  2.4換熱器核核算</b></p

36、><p>  2.4.1熱流量核算</p><p>  2.4.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù):</p><p><b>  當(dāng)量直徑:</b></p><p><b>  =</b></p><p><b>  殼程流通截面積:</b></p>&l

37、t;p><b>  ㎡</b></p><p>  殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為:</p><p><b>  普朗特數(shù):</b></p><p><b>  粘度校正:</b></p><p>  2.3.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù):</p><p>

38、;  管程流體流通截面積:</p><p><b>  ㎡</b></p><p><b>  管程流體流速:</b></p><p><b>  普朗特數(shù):</b></p><p>  2.4.1.3污垢熱阻和管壁熱阻:</p><p><b&g

39、t;  管外側(cè)污垢熱阻 </b></p><p><b>  管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 </b></p><p>  管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45w/(m·K)</p><p>  2.4.1.4傳熱系數(shù): </p><p>  2.4.1.5傳熱面積裕度 </p><p>

40、;<b>  傳熱面積Ac為:</b></p><p>  換熱器的實際傳熱面積為Ap</p><p>  該換熱器的面積裕度為:</p><p>  結(jié)論:傳熱面積裕度合適,該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>  2.4.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p>  2.4.2.1管程流

41、體阻力換熱器壓降的計算</p><p>  ——為直管及回管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降;</p><p>  ——結(jié)垢校正因數(shù),量綱為1,對的管子,取1.4;</p><p><b>  ——管程數(shù)</b></p><p><b>  串聯(lián)的殼程數(shù)</b></p><p>&l

42、t;b>  查表得 </b></p><p>  =(562.82+250.14)×1.4×1×2=2276.29Pa﹤100kPa</p><p>  2.4.2.2殼程壓降</p><p>  ——流體橫過管束的壓強(qiáng)降(Pa);</p><p>  ——流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降(Pa);&

43、lt;/p><p>  ——殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢結(jié)垢校正因數(shù),量綱為1,液體可取1.15。</p><p>  ——管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正因數(shù),對正三角形排列F=0.5</p><p>  ——殼程流體的摩擦系數(shù),當(dāng)Re>500時,;</p><p>  ——橫過管束中心線的管子數(shù);</p><p><b>

44、;  ——折流擋板數(shù);</b></p><p>  ——折流擋板間距(m);</p><p>  ——按殼程流通截面積計算的流速(m/s);</p><p><b>  而</b></p><p>  = (7698.05+149.24) </p><p>  結(jié)論:殼程流動阻力也比較

45、適宜。</p><p>  3.1設(shè)計結(jié)果一覽表</p><p><b>  3.2主要符號說明</b></p><p>  P——壓力,Pa ; Q——傳熱速率,W;</p><p>  R——熱阻,㎡·K/W; Re——雷諾準(zhǔn)數(shù);</p>&

46、lt;p>  S——傳熱面積,㎡; t——冷流體溫度,℃;</p><p>  T——熱流體溫度,℃; u——流速,m/s;</p><p>  ——質(zhì)量流速,㎏/h; ——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(㎡·K);</p><p>  ——有限差值; ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m

47、3;K);</p><p>  ——粘度,Pa·s; ——密度,㎏/m3;</p><p>  ——校正系數(shù)。 r——轉(zhuǎn)速,n/(r/min)</p><p>  H——揚(yáng)程,m ——必須汽蝕余量,m</p><p>  A——實際傳熱面積,

48、 Pr——普郎特系數(shù)</p><p>  NB——板數(shù),塊 K——總傳熱系數(shù),W/(㎡·K) </p><p>  ——體積流量 Nt——管數(shù),根</p><p>  Np——管程數(shù) l——管長,m</p><p>  KC——傳熱系數(shù),

49、W/(m·K) △tm——平均傳熱溫差,℃</p><p><b>  4.1設(shè)計小結(jié)</b></p><p>  本次化工原理課程設(shè)計是對列管式換熱器的設(shè)計,通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復(fù)計算核實,本列管式換熱器的設(shè)計可以說基本完成了。</p><p>  本設(shè)計所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻,通過本次設(shè)計,我學(xué)

50、會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料,并從各種資料中篩選出較適合的資料,根據(jù)資料確定主要工藝流程,主要設(shè)備,及計算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設(shè)計計算過程中要進(jìn)行工藝參數(shù)的計算。通過設(shè)計不但鞏固了對主體設(shè)備圖的了解,還學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。通過本次設(shè)計不但熟悉了化工原理課程設(shè)計的流程,加深了對冷卻器設(shè)備的了解,而且學(xué)會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源,對前面所學(xué)課程有了更深的了解。但由于本課程設(shè)計屬我第一次設(shè)計

51、,而且時間比較短,查閱的文獻(xiàn)有限,本課程設(shè)計還有較多地方不夠完善,希望老師批評指正。</p><p><b>  5.1參考文獻(xiàn)</b></p><p>  1.王志魁,劉麗英,化工原理(第四版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010</p><p>  1.夏清,陳常貴.化工原理(上冊)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2005</p>

52、;<p>  2.中國石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝35774 .計手冊(上冊) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003</p><p>  3.《常用化學(xué)手冊》編寫組.常用化學(xué)手冊[M].北京:地質(zhì)出出版社,1997</p><p>  4. 陳敏恒,從德滋等.化工原理(上冊) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出出版社,2006</p><p>  5.《

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