煤油冷卻器課程設(shè)計說明書

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要 ……………………………………………………………………1</p><p>　　第一章 概述 …………………………………………………………………3</p><p>　　§1.1化工原理課程設(shè)計的目的、要求 ………………………………3 </p>

2、<p>　　§1.2列管式換熱器及其分類 …………………………………………4 </p><p>　　§1.3換熱器的設(shè)計要求 ……………………………………………5</p><p>　　§1.4符號說明 …………………………………………………………5</p><p>　　第二章 確定設(shè)計方案 ……………………………………

3、…………………7</p><p>　　§2.1設(shè)計任務(wù) …………………………………………………………7</p><p>　　§2.2列管式換熱器形式的選擇 ………………………………………7 </p><p>　　§2.3管殼程的選擇 ……………………………………………………7</p><p>　　§

4、;2.4流體流速的選擇 …………………………………………………8</p><p>　　§2.5流體出口溫度的選擇 ……………………………………………8</p><p>　　第三章 列管式換熱器的結(jié)構(gòu) ………………………………………………9</p><p>　　§3.1 管程結(jié)構(gòu) …………………………………………………………9</p>

5、<p>　　§3.2 殼程結(jié)構(gòu) …………………………………………………………10</p><p>　　第四章 列管式換熱器的設(shè)計計算…………………………………………11</p><p>　　§4.1 第一次假設(shè)計算步驟 ……………………………………………11</p><p>　　§4.2 經(jīng)濟(jì)核算 ………………………………

6、…………………………16</p><p>　　§4.3 第二次假設(shè)計算步驟 ……………………………………………20</p><p>　　§4.4 二次經(jīng)濟(jì)核算 ……………………………………………………23</p><p>　　第五章 列管式換熱器結(jié)構(gòu)部件的選取及校核 …………………………25</p><p>　　

7、67;5.1 筒體壁厚的確定及強(qiáng)度校 ………………………………………25</p><p>　　§5.2 換熱器結(jié)構(gòu)的基本參數(shù) …………………………………………26</p><p>　　§5.3 其他部件的選擇 …………………………………………………27</p><p>　　第六章 總結(jié) …………………………………………………………………29<

8、;/p><p>　　§6.1 設(shè)計評價 …………………………………………………………29</p><p>　　§6.2 心得體會 …………………………………………………………30</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………31</p><p><b>　　摘要</b&g

9、t;</p><p>　　換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。本次課程設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計年處理量為3.5×105噸煤油的煤油冷卻器，采用列管式換熱器。設(shè)計過程包括方案的確定、換熱器結(jié)構(gòu)的選擇、主要換熱設(shè)計計算、以及通過計算機(jī)輔助進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)核算。并采用計算機(jī)輔助設(shè)計繪制了列管式換熱器的裝配圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：列管式換熱器，經(jīng)

10、濟(jì)核算</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Heat exchanger is a kind of facility that commonly used in the terms of chemical industry,petroleum,dynamic,food industry and many other industr

11、ial sectors.The assignment of our course design is to design the kerosene cooling apparatus whose annual capacity is 3.5×105 ton,and the tubular heat exchanger is adopted according to the demand.The process includin

12、g the determination of the scheme,the selection of the structure,the major calculation of the heat exchanger,and the economic calculation wit</p><p>　　Keywords:Tubular heat exchanger,economic calculation<

13、/p><p><b>　　第一章 概 述</b></p><p>　　§1.1化工原理課程設(shè)計的目的、要求</p><p>　　課程設(shè)計是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學(xué)生體察工程實際問題復(fù)雜性的初步嘗試。通過化工原理課程設(shè)計，要求學(xué)生能綜合運用本課程和前修課程的基礎(chǔ)知識，進(jìn)行融會貫通的獨立思

14、考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計的初步訓(xùn)練。通過課程設(shè)計，要求學(xué)生了解工程設(shè)計的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計的主要程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設(shè)計，還可以使學(xué)生樹立正確的設(shè)計思路，培養(yǎng)實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的科學(xué)作風(fēng)。</p><p>　　課程設(shè)計是學(xué)生展示創(chuàng)新能力的有益實踐。在設(shè)計中需要學(xué)生做出決策，即自己確定方案、選擇流程、查閱資料、進(jìn)行過程和

15、設(shè)備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。所以，課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力、增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識的環(huán)節(jié)。</p><p>　　通過課程設(shè)計，應(yīng)該提高以下幾方面的能力：</p><p>　　（1）熟悉查閱文獻(xiàn)資料、搜索有關(guān)數(shù)據(jù)、正確選用公式。當(dāng)缺乏必要數(shù)據(jù)時，尚需通過實驗測定或到生產(chǎn)現(xiàn)場實際查定。</p><p>

16、　?。?）在兼顧技術(shù)上先進(jìn)性、可行性，經(jīng)濟(jì)上合理性的前提下，綜合分析設(shè)計任務(wù)要求，確定化工工藝流程，進(jìn)行設(shè)備選型，并提出保證過程正常、安全運行所需要的檢測和計量參數(shù)，同時還要考慮改善勞動條件和環(huán)境保護(hù)的有效措施。</p><p>　　（3）準(zhǔn)確而迅速地進(jìn)行過程計算及主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算。</p><p>　?。?）用精煉的語言、簡潔的文字、清晰的圖表來表達(dá)自己的設(shè)計思想和計算結(jié)果。<

17、;/p><p>　　§1.2列管式換熱器及其分類 </p><p>　　列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體上的另一接管處流出，這

18、稱為殼程。</p><p>　　列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種：</p><p>　　1． 固定管板式換熱器：</p><p>　　這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機(jī)械清洗。當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。</p&

19、gt;<p>　　為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p>

20、<p>　　換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。</p><p><b>　　U型管式換熱器<

21、;/b></p><p>　　U形管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。</p><p><b>　　填料函式換熱器</b></p>

22、<p>　　這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)。</p><p>　　§1.3換熱器的設(shè)計要求 </p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成

23、了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求： </p><p>　?。?） 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； </p><p>　　（2） 結(jié)構(gòu)安全可靠； </p><p>　　（3） 便于制造、安裝、操作和維修； </p><p>　?。?） 經(jīng)濟(jì)上合理。 </p><p><b>　　§1

24、.4 符號說明</b></p><p>　　英語字母： 希臘字母：</p><p>　　A——流通面積，m2 α——對流傳熱系數(shù)，W/(m2 ?℃)</p><p>　　b——厚度，m

25、 δ——相鄰板間間距，m</p><p>　　cp ——定壓比熱容，kJ/(kg?℃) Δ——有限差值</p><p>　　d ——管徑，m λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2 ?℃)</p><p>　　D——換熱器殼徑，m λ——摩擦系數(shù)</p><

26、;p>　　f——摩擦因數(shù) μ——黏度，Pa·s</p><p>　　f——溫差校正系數(shù) ρ——密度，㎏／m3</p><p>　　F——系數(shù) ψ——校正系數(shù)</p><p>　　g——重力加速度，m/s2&l

27、t;/p><p><b>　　h——擋板間距，m</b></p><p>　　K——總傳熱系數(shù)，W/(m2 ?℃)</p><p><b>　　L——長度，m</b></p><p>　　n——指數(shù) 下標(biāo)</p><p>　　n——

28、管數(shù) c——冷流體</p><p>　　n——程數(shù) e——當(dāng)量</p><p>　　N——程數(shù) h——熱流體</p><p>　　Nu——努塞爾特數(shù) i——管內(nèi)</p><

29、;p>　　P——壓強(qiáng)，Pa m——平均</p><p>　　P——因數(shù) o——管外</p><p>　　Pr——普蘭特數(shù) s——污垢</p><p>　　q——熱通量，W/m2

30、 s——飽和</p><p>　　Q——傳熱速率，W w——壁面</p><p>　　r——半徑，m ——溫度差</p><p>　　r——汽化熱，kJ/kg</p><p>　　R——熱阻，m2 ?℃/W</p><p>

31、<b>　　R——因數(shù)</b></p><p><b>　　Re——雷諾數(shù)</b></p><p>　　S——傳熱面積，m2</p><p>　　t——冷流體溫度，℃</p><p><b>　　t——管心距，m</b></p><p>　　T——熱流體

32、溫度，℃</p><p><b>　　u——流速，m/s</b></p><p>　　W——質(zhì)量流量，㎏/s</p><p>　　第二章 確定設(shè)計方案</p><p><b>　　§2.1 設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　年處理3.5×105噸煤油的

33、煤油冷卻器</p><p>　　煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃</p><p>　　冷卻介質(zhì)：自來水。入口溫度30℃，出口溫度由經(jīng)濟(jì)核算優(yōu)化</p><p>　　允許壓強(qiáng)降：不大于105 Pa</p><p>　　每年按330天計算，每天24h連續(xù)運行</p><p>　　設(shè)備最大承受壓力P=2.5MPa<

34、;/p><p>　　煤油tf 下的物性：ρ=825kg/m3 ，μ=7.15×10-4Pa?s，cp=2.22kJ/kg ?℃， λ=0.14W/m?℃</p><p>　　§2.2 列管式換熱器形式的選擇 </p><p>　　由于煤油和自來水兩流體定性溫差大于50℃且不超過70 ℃，根據(jù)各類型列管式換熱器

35、的優(yōu)缺點，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。</p><p>　　§2.3 管殼程的選擇</p><p>　　宜于通入管內(nèi)空間的流體</p><p>　　不清潔的流體。因為在管內(nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。</p><p>　　流量小的流體。因為管內(nèi)空間的流動截面往往比管外空間截面小，

36、流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動。</p><p>　　有壓力的流體。因為管子承受能力強(qiáng)，而且還簡化了殼體密封的要求。</p><p>　　腐蝕性強(qiáng)的流體。因為只有管子及管箱才需用耐腐蝕性材料。而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所有造價可以降低。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查。</p><p>　　與外界

37、溫差大的流體。因為可以減少熱量的逸散。</p><p>　　宜于通入管間空間的流體</p><p>　　當(dāng)兩流體溫度相差較大時，α值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應(yīng)力可以降低。</p><p>　　若兩流體傳熱性能相差較大，α值小的流體走管間。此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。&l

38、t;/p><p>　　由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，本次設(shè)計應(yīng)使循環(huán)水走管程，油品走殼程。</p><p>　　§2.4 流體流速的選擇</p><p>　　提高流體在換熱器中的流速將增大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需傳熱面積減少，設(shè)備費用降低。但是流速增加，流動阻力將相應(yīng)加大，使操作費用增加。

39、所以適宜的流速應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)核算確定。</p><p>　　此外，流速還應(yīng)使換熱器管長或管程適當(dāng)。因為一方面管子太長，不易清洗，且一般管長都有一定標(biāo)準(zhǔn)。另一方面管程增加，將導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動力費用，同時平均溫差較單程管時減小，降低傳熱效果。</p><p>　　因此，選用φ25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=1.5m/s。 </p><p>　　&

40、#167;2.5 流體出口溫度的選擇</p><p>　　在換熱器設(shè)計中，被處理物料的進(jìn)出口溫度為工藝要求所確定，加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度一般由來源而定，但它的出口溫度應(yīng)由設(shè)計者根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算來確定。最適宜的冷水出口溫度應(yīng)根據(jù)操作費用與設(shè)備費用的最少來確定。一般來說，設(shè)計時所采取的冷卻水兩端溫差不應(yīng)低于5℃。當(dāng)冷卻水采用河水時，出口溫度一般不宜超過50℃，以防止管壁結(jié)垢增多。</p><p>

41、;　　因此，初選自來水出口溫度40℃。</p><p>　　第三章 列管式換熱器的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　§3.1 管程結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　管子在管板上的固定</b></p><p>　　管子與管板連接方法有兩種：脹接與焊接。在高溫高壓時也常采用脹焊結(jié)合的方

42、法</p><p>　　脹接是利用脹管器使管端發(fā)生塑性變形，管板孔產(chǎn)生彈性變形。取出脹管器后管板孔彈性收縮，管板與管子之間就會產(chǎn)生一定的擠緊壓力，從而達(dá)到密封和牢固連接的目的。</p><p>　　對于高溫高壓流體，多采用焊接法。焊接法比脹管法有更大的優(yōu)越性：管板孔加工要求低，加工簡便；焊接強(qiáng)度高，在高溫高壓下仍能保持連接的緊密性等。</p><p>　　當(dāng)流體壓力

43、高、滲透性強(qiáng)，或一側(cè)有腐蝕性介質(zhì)時，要求管子與管板的連接處絕對不漏，可用脹焊結(jié)合的方法。</p><p>　　本次設(shè)計管子在管板上的固定采用焊接。</p><p><b>　　2、管子的排列</b></p><p>　　固定管板式多采用正三角形排列：正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊。浮頭式則以正方形錯列排列居多；正方型排列便于機(jī)械清洗。對于多管程換熱器，常

44、采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。</p><p>　　本次設(shè)計選用φ25×2.5的碳鋼管，管子排列為正三角形排列，管心距為32mm</p><p><b>　　3、管板</b></p><p>　　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

45、接可用脹接和焊接。</p><p>　　固定管板常采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管內(nèi)。浮頭式，U型管式等為使殼體便于清洗，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構(gòu)成可拆連接。</p><p>　　本次設(shè)計采用不可拆連接。查得管板厚度為66mm。</p><p><b>　　4、封頭和管箱</b></

46、p><p>　　封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。</p><p>　　（1）封頭 當(dāng)殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭和螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，一邊卸下封頭，檢查和清洗管子。</p><p>　?。?）管箱 殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。管箱具有一個可拆蓋板，因此在檢修或清洗管子時無須卸下管箱。</p>&

47、lt;p>　?。?）分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱器，對于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。</p><p><b>　　§3.2 殼程結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　1、殼體</b></p><p&

48、gt;　　列管式換熱器的殼體基本上呈圓筒形，殼壁上焊有接管。直徑小于400mm通常直接采用鋼管制成；大于400mm時用鋼板卷焊而成。</p><p>　　在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖板或稱緩沖板，以防止進(jìn)口流體直接撞擊管束上面的管排，因為流體的撞擊會侵蝕管子，并引起振動。</p><p>　　采用導(dǎo)流體裝置不僅能起防沖板作用，而且還可改善兩端的流體分布，提高傳熱效率。導(dǎo)流體不僅用于進(jìn)口，還可

49、用于出口。大型換熱器在高流速下工作時，導(dǎo)流筒更顯示出其優(yōu)越性。換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或略大于管板直徑。殼體內(nèi)徑計算式：D=t(nc-1)+2bˊ</p><p>　　式中 D——殼體內(nèi)經(jīng)</p><p>　　t——管中心距，m，脹管法取t=(1.3―1.5)do,焊接法t=1.25do,do為傳熱管外徑</p><p>　　nc——橫過管束中心線的管數(shù) </

50、p><p>　　bˊ——管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取bˊ=(1—1.5)do nc可由下式計算：</p><p>　　管子按正三角形排列時， </p><p>　　管子按正方形排列時， </p><p>　　式中n——換熱器總管數(shù)。</p><p><b>　　2、折流擋板<

51、/b></p><p>　　折流擋板的主要作用是引導(dǎo)殼程流體反復(fù)的改變方向做錯流流動，以加大殼程流體流速和湍動程度，致使殼程對流傳熱系數(shù)提高。另外，折流擋板還起了支撐管子的作用，防止管束振動和彎曲。折流板的形式有圓缺形，環(huán)盤形和孔流形。</p><p>　　折流板的間隔，在允許的壓力范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦的折流板的間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50mm，最大值決定于支持管

52、所必要的最大間隔。</p><p>　　本次設(shè)計折流擋板間距為300mm</p><p><b>　　3、緩沖板</b></p><p>　　在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。還有的在管束兩端放置導(dǎo)流筒，這不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布

53、，提高傳熱效率。</p><p><b>　　4、其他主要附件</b></p><p>　?、排酝〒醢?如果殼體和管束間間隙過大，則流體不通過管束而通過這個間隙旁通，故往往采用旁通擋板。</p><p>　　⑵假管 為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。</p><p>　?、抢瓧U和定距管 為了使折流板

54、能牢靠的保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。</p><p>　　第四章 列管式換熱器的設(shè)計計算</p><p>　　§4.1 第一次假設(shè)計算步驟</p><p><b>　　確定物性參數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)已知條件，煤油的定性溫度為=90℃，</p><p>　　查表

55、得：ρo=525kg/m3,，μo=7.15×10-4Pa·s，cpo=2.22kJ/Kg·℃,λo=0.14W/m·℃</p><p>　　根據(jù)假設(shè)，水的出口溫度為40℃，則水的定性溫度為=35℃，</p><p>　　查表得：ρi=993.95kg/m3,μi=0.727×10-3Pa·s,cpi=4.174kJ/kg

56、3;℃,λi=0.626W/m·K,Pr=4.865</p><p>　　選擇φ25×2.5的碳鋼管，則d0=0.025m,di=0.02m,de=0.0225</p><p><b>　　2、計算熱負(fù)荷Q</b></p><p>　　煤油的質(zhì)量流量qmo==12.2755kg/s</p><p>　

57、　則熱負(fù)荷Q==12.2755×2.22×103×100=2.7252×106W</p><p><b>　　3、計算平均溫度差</b></p><p>　　ΔTm逆===39.0865℃</p><p><b>　　，</b></p><p>　　其中=10

58、，=0.09091</p><p><b>　　解得=0.8299</b></p><p>　　故=0.8299×39.0865=32.4379℃</p><p>　　4、由經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定K估，并計算A估</p><p>　　取K估=400W/(m2·K)</p><p>　　則

59、==210.0321m2</p><p><b>　　5、確定管程數(shù)NP</b></p><p>　　根據(jù)能量衡算計算qmi：</p><p>　　==65.2899kg/s</p><p>　　根據(jù)假設(shè)的冷卻水流速ui=1.5m/s,以及所選取的管子尺寸φ25×2.5，計算管子數(shù)：</p>&l

60、t;p><b>　　=139.3925</b></p><p><b>　　==19.1847</b></p><p><b>　　取l=6000mm</b></p><p><b>　　則，故選擇四管程。</b></p><p>　　管子總根數(shù)=1

61、39.3925×4=557.6</p><p>　　查表得換熱管φ25×2.5mm的固定管板式換熱器基本參數(shù)：</p><p>　　管程數(shù)NP=4，管長l=6000mm，換熱面積256.6m2，公稱直徑DN=0.9m</p><p>　　計算對流傳熱系數(shù)αo、αi</p><p><b>　　αo的計算</

62、b></p><p><b>　　流通截面積：</b></p><p><b>　　殼程流速：</b></p><p>　　因為采用正三角形排列，則</p><p><b>　　殼程對流傳熱系數(shù)：</b></p><p>　　，其中，殼程流體被加熱

63、，取</p><p><b>　　解得</b></p><p><b>　　αi的計算</b></p><p><b>　　流通面積：</b></p><p><b>　　管程流速：</b></p><p><b>　　管

64、程對流傳熱系數(shù)：</b></p><p><b>　　7、總傳熱系數(shù)K計</b></p><p><b>　　查表得污垢熱阻 ，</b></p><p>　　由于壁溫導(dǎo)熱系數(shù)接近于對流傳熱系數(shù)較大的一側(cè)，即碳鋼在定性溫度35℃時的導(dǎo)熱系數(shù)，查得</p><p><b>　　=&

65、lt;/b></p><p>　　=411W/(m2·K)</p><p>　　與估算的總傳熱系數(shù)相差不大，計算有效。</p><p><b>　　面積裕量</b></p><p>　　面積裕量==25.5%，符合要求。</p><p><b>　　壓強(qiáng)降驗算</b

66、></p><p><b>　　管程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　其中，對于φ25mm×2.5mm的管子，F(xiàn)t=1.4，管程數(shù)Np=4，殼程數(shù)Ns=1</p><p><b>　　摩擦因數(shù)</b></p><p><b>　　故</b></p>

67、<p><b>　?。?）殼程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　其中，F(xiàn)s——殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù)，對液體可取1.15</p><p><b>　　又 ，</b></p><p>　　其中，F(xiàn)——管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，對管子三角形排列可取0.5</p><p>　　fo

68、——殼程流體的摩擦因數(shù)，當(dāng)Re>500時，</p><p>　　nc——橫過管束中心線的管數(shù)，</p><p>　　h——折流擋板間距，m，值為0.3m</p><p>　　D——換熱器殼體內(nèi)徑，m，值為0.9m</p><p><b>　　NB——折流板數(shù)，</b></p><p><

69、;b>　　故 </b></p><p>　　允許壓強(qiáng)降均小于105 Pa，符合設(shè)計要求。</p><p><b>　　§4.2 經(jīng)濟(jì)核算</b></p><p>　　換熱器優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)表示為</p><p>　　其中，J—換熱器的總費用，元/a；</p><p>

70、　　a,b—分別為換熱器的回歸系數(shù)，查得a=334,b=0.73；</p><p>　　—分別為換熱器的壓力和材質(zhì)系數(shù)，查得=1.12,=9.5；</p><p>　　A—換熱器的傳熱面積，㎡;</p><p>　　—換熱器的年折舊維修率，，；</p><p>　　—工作時間，h/a；</p><p>　　—單位質(zhì)量換

71、熱介質(zhì)的費用，元/kg，5×10-5；</p><p>　　—換熱介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；</p><p>　　—按單位傳熱面積計的管程功率損失，kW/㎡；</p><p>　　Ci —管程的單位動力費用，元/(kW·h)，0.5；</p><p>　　Eo——按單位傳熱面積計的殼程功率損失，kW/㎡；</p>

72、;<p>　　Co—殼程的單位動力費用，元/(kW·h),0.5。</p><p>　　將目標(biāo)函數(shù)分作三部分計算：</p><p><b>　　第一部分：</b></p><p><b>　　有 ===</b></p><p><b>　　故==</b>

73、;</p><p><b>　　第二部分：</b></p><p><b>　　有 WU=</b></p><p><b>　　故==</b></p><p><b>　　第三部分：</b></p><p><b>　　

74、有EI=，又有</b></p><p><b>　　=,由前面計算有,</b></p><p><b>　　故；</b></p><p><b>　　，又有</b></p><p><b>　　其中 </b></p><p&

75、gt;　　x1=1.816,x2=0.193,c1=0.351,c2=0.55,do=0.025,de=0.0202,t=0.032,Zo=0.95</p><p><b>　　故</b></p><p>　　=2.1462×10-18</p><p>　　Ei==1.193565×10-2</p><p

76、>　　=5.7894×10-4</p><p><b>　　則</b></p><p>　　=（1.193565×10-2+5.7894×10-4）×0.5×330×24×</p><p><b>　　=</b></p><p&

77、gt;<b>　　故</b></p><p><b>　　=++</b></p><p>　　將假設(shè)溫度下對應(yīng)求得的參數(shù)作為常量對冷卻水的出口溫度建立函數(shù)，進(jìn)行迭代，校核最初假設(shè)溫度在誤差允許范圍內(nèi)是否為最優(yōu)。</p><p>　　首先，由確定確定溫度的取值范圍，根據(jù)溫度的經(jīng)驗取值，在35℃-45℃之間由確定目標(biāo)函數(shù)的迭代

78、范圍。</p><p><b>　　運行程序如下：</b></p><p>　　#include <stdio.h></p><p>　　#include <math.h></p><p>　　void main ()</p><p>　　{ double a,b,c,d,

79、e,p,r,t;</p><p><b>　　int i;</b></p><p>　　for(i=0;i<=100;i++)</p><p>　　{t=35+0.1*i;</p><p>　　p=(t-30)/110;</p><p>　　r=100/(t-30);</p>

80、<p>　　a=sqrt(r*r+1)/(r-1)*log((1-p)/(1-p*r));</p><p>　　b=2-p-p*r+p*sqrt(r*r+1);</p><p>　　c=2-p-p*r-p*sqrt(r*r+1);</p><p>　　d=log(b/c);</p><p><b>　　e=a/d;<

81、/b></p><p>　　if(e<0.8)break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　t-=0.1;</b></p><p>　　printf("t=%f\n",t);</p><p><b>

82、;　　}</b></p><p><b>　　運行結(jié)果如下：</b></p><p>　　即根據(jù)確定目標(biāo)函數(shù)的迭代范圍為35℃-41.2℃.</p><p>　　帶入假定溫度40℃得此溫度下的年總費用為J=131273.4458元。</p><p>　　再編輯程序迭代選擇溫度，即通過迭代，校核使得目標(biāo)函數(shù)年總

83、費用最小。</p><p><b>　　運行程序如下：</b></p><p>　　#include <stdio.h></p><p>　　#include <math.h></p><p>　　void main ()</p><p>　　{ double a,b,mi

84、n=131273.4458,j,t;</p><p><b>　　int i;</b></p><p>　　for(i=0;i<=62;i++)</p><p>　　{t=35+i*0.1;</p><p>　　b=log(14-0.1*t)/(130-t);</p><p>　　j=395

85、946.8103*b+407741.3317*pow(b,0.73)+930758.4/(t-30);</p><p>　　if(j<min){a=t;min=j;}</p><p><b>　　}</b></p><p>　　printf("\nt=%f\n",a);</p><p><

86、b>　　}</b></p><p><b>　　運行結(jié)果如下：</b></p><p>　　即優(yōu)化后溫度為41.2℃，冷卻水的出口溫度再次假定為41.2℃.進(jìn)行第二次校核計算。</p><p>　　§4.3 第二次假設(shè)計算步驟</p><p><b>　　計算步驟同§4.1

87、</b></p><p><b>　　1、確定物性參數(shù)</b></p><p>　　假設(shè)自來水出口溫度為41.2℃</p><p><b>　　則水的定性溫度為</b></p><p>　　查表得：ρi=993.74kg/m3,μi=0.71812×10-3Pa·s,

88、cpi=4.174kJ/kg·℃,</p><p>　　λi=0.62696W/m·K,Pr=4.7984</p><p><b>　　2、計算平均溫度差</b></p><p>　　==58.295kg/s</p><p>　　ΔTm逆===38.769℃</p><p>&

89、lt;b>　　=0.80272</b></p><p>　　=0.80272×38.769=32.121℃</p><p><b>　　3、計算A估</b></p><p>　　==212.104m2</p><p><b>　　4、確定管程數(shù)NP</b></p&g

90、t;<p>　　根據(jù)假設(shè)的冷卻水流速ui=1.5m/s,以及所選取的管子尺寸φ25×2.5，計算管子數(shù)：</p><p><b>　　=124.549</b></p><p><b>　　==21.694m</b></p><p><b>　　取l=6000mm</b><

91、/p><p><b>　　則，故選擇四管程。</b></p><p>　　管子總根數(shù)=124.549×4=498.196</p><p>　　查表仍選擇：管程數(shù)NP=4，管長l=6000mm，換熱面積256.6m2，公稱直徑DN=0.9m</p><p>　　5、計算對流傳熱系數(shù)αi</p><

92、p>　　殼程對流傳熱系數(shù)：αo=630.25W/(m2·K)</p><p><b>　　αi的計算：</b></p><p><b>　　管程對流傳熱系數(shù)：</b></p><p><b>　　6、總傳熱系數(shù)K計</b></p><p><b>　　

93、查表得污垢熱阻 ，</b></p><p>　　由于壁溫導(dǎo)熱系數(shù)接近于對流傳熱系數(shù)較大的一側(cè)，即碳鋼在定性溫度35℃時的導(dǎo)熱系數(shù)，查得</p><p><b>　　=</b></p><p>　　=411.506W/(m2·K)</p><p><b>　　7、面積裕量</b>

94、</p><p>　　面積裕量==20.173%</p><p><b>　　壓強(qiáng)降驗算</b></p><p><b>　?。?）管程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　其中，對于φ25mm×2.5mm的管子，F(xiàn)t=1.4，管程數(shù)Np=4，殼程數(shù)Ns=1</p><p

95、><b>　　摩擦因數(shù)</b></p><p><b>　　故</b></p><p><b>　　（2）殼程壓強(qiáng)降</b></p><p>　　其中，F(xiàn)s——殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù)，對液體可取1.15</p><p><b>　　又 ，</b>&

96、lt;/p><p>　　其中，F(xiàn)——管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，對管子三角形排列可取0.5</p><p>　　fo——殼程流體的摩擦因數(shù)，當(dāng)Re>500時，</p><p>　　nc——橫過管束中心線的管數(shù)，</p><p>　　h——折流擋板間距，m，值為0.3m</p><p>　　D——換熱器殼體內(nèi)徑，m

97、，值為0.9m</p><p><b>　　NB——折流板數(shù)，</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　　允許壓強(qiáng)降均小于105 Pa，符合設(shè)計要求。</p><p>　　§4.4 二次經(jīng)濟(jì)核算 </p><p><b>　　

98、第一部分：</b></p><p><b>　　Rdw=㎡·℃/W</b></p><p><b>　　故=</b></p><p><b>　　第二部分：</b></p><p><b>　　==</b></p>&l

99、t;p><b>　　第三部分：</b></p><p><b>　　有EI=，又有</b></p><p><b>　　由前面計算有,</b></p><p><b>　　故；</b></p><p><b>　　，</b>&l

100、t;/p><p><b>　　中各值均不改變，故</b></p><p>　　=5.7894×10-4</p><p>　　Ei==1.1923×10-2</p><p>　　則=（1.1923×10-2+5.7894×10-4）×0.5×330×24&#

101、215;</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　故</b></p><p><b>　　=++</b></p><p>　　則在41.2℃溫度下的年總費用計算得113135.35</p><p>　　將所得各參數(shù)帶入改進(jìn)后編

102、輯程序，再次優(yōu)化。</p><p>　　#include <stdio.h></p><p>　　#include <math.h></p><p>　　void main ()</p><p>　　{ double a,b,c,e,f,min=113135.35,j,t,shu,she,dia;</p>

103、<p><b>　　int i;</b></p><p>　　for(i=0;i<=62;i++)</p><p>　　{t=35+i*0.1;</p><p>　　b=log(14-0.1*t)/(130-t);</p><p>　　c=40979.434*b;</p><p>

104、;　　e=418420*pow(b,0.73);</p><p>　　f=930758.4/(t-30);</p><p><b>　　j=c+e+f;</b></p><p>　　if(j<min){a=t;min=j;dia=c;shu=f;she=e;}</p><p><b>　　}</b&

105、gt;</p><p>　　printf("\nt=%f,min=%f,shu=%f,she=%f,dia=%f\n",a,min,shu,she,dia);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　運行結(jié)果如下：</b></p><p>　　到此可以

106、確定，最優(yōu)溫度為41.2℃，在此溫度下的年總費用J=113135.346023元</p><p>　　列管式換熱器結(jié)構(gòu)部件的選取及校核</p><p>　　§5.1 筒體壁厚的確定及強(qiáng)度校核</p><p>　　筒體材料為1Cr18Ni9Ti</p><p><b>　　㎜，</b></p>&l

107、t;p>　　取C1=0.8㎜，C2=1㎜，由厚度規(guī)格圓整到14㎜，即㎜。則厚度圓整值=1.79㎜.</p><p><b>　　故有效厚度㎜</b></p><p><b>　　水壓試驗 </b></p><p><b>　　氣壓試驗 </b></p><p>　　所

108、以確定筒體厚度滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　§5.2 換熱器結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)</p><p>　　換熱管具體排列如下圖所示：</p><p>　　§5.3其他部件的選擇</p><p><b>　　接管</b></p><p>　　由冷熱流體進(jìn)出接管的直徑得</p&g

109、t;<p>　　對于循環(huán)冷卻水，經(jīng)圓整采用的熱軋無縫鋼管。則實際冷卻水的流速</p><p>　　對于熱煤油，經(jīng)圓整采用的</p><p>　　熱軋無縫鋼管。則實際煤油流速</p><p>　　（在誤差允許范圍內(nèi)可取，換熱計算中仍采用原數(shù)據(jù)計算）</p><p><b>　　封頭</b></p>

110、<p>　　管箱采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭與筒體短節(jié)焊接的組合體，及分程擋板</p><p>　　分程擋板厚度10mm,分程形式如下所示（隔板兩側(cè)管心距c=44mm)：</p><p>　　其中標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭EHA的內(nèi)徑，厚度，查標(biāo)準(zhǔn)有直邊高度h=40mm.筒體短節(jié)取其長度L=700mm(保證焊縫距離）</p><p>　　由校核其厚度滿足要求。</p>

111、;<p>　　筒體短節(jié)的長度L=700mm，厚度取14mm.</p><p><b>　　如圖示封頭形式：</b></p><p>　　h1=b=225㎜,h=40㎜,a=450㎜,H=265㎜,Di=900㎜,</p><p><b>　　14㎜.</b></p><p><b

112、>　　3.法蘭</b></p><p>　　管板厚度h=66mm,兼做法蘭，其尺寸要求與容器法蘭對應(yīng)。</p><p>　　容器法蘭由JB/T 4703-2000選擇為長頸對焊法蘭，且密封面為榫槽密封面。各尺寸及標(biāo)準(zhǔn)如下：</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　D=1095mm,

113、D1=1040mm,D2=998mm,D3=988mm,D4=985mm,60,H=145mm,h=42mm,a=21mm,a1=18mm,20mm.32mm,R=15mm,d=30mm.配套螺栓螺母規(guī)格為M27，數(shù)量32.</p><p>　　其他 根據(jù)容器要求按照標(biāo)準(zhǔn)選取膨脹節(jié)及支座等部件。</p><p><b>　　第六章 總結(jié)</b></p>

114、<p><b>　　§6.1設(shè)計評價</b></p><p>　　本次課程設(shè)計是根據(jù)生產(chǎn)年處理冷卻3.5×105噸煤油設(shè)計換熱器將煤油冷卻。通過計算試差校核最終確定選用固定管板式式列管換熱器，采用一殼程四管程的換熱方式。共用換熱管554根，采用正三角形排列方式，換熱面積為256.6m2；筒體內(nèi)徑900mm.經(jīng)過壓力容器要求及安全、溫度要求確定管板厚度，法蘭和其

115、他部件及焊接形式。</p><p>　　此次化工原理課程設(shè)計過程歷時三個星期，在設(shè)計過程中不斷優(yōu)化，往復(fù)計算，過程比較繁瑣。</p><p>　　確定冷熱流體的管殼程分布→假定冷卻水出口溫度（保證），得出相應(yīng)定性溫度下各物性值→計算熱負(fù)荷Q→確定總傳熱系數(shù)：假定流速及總傳熱系數(shù)計算換熱面積進(jìn)行優(yōu)化校正，計算實際傳熱系數(shù)及換熱面積，進(jìn)行換熱器管殼程的選型→校核傳熱系數(shù)及傳熱面積，使得面積裕量

116、為10%-25%→經(jīng)濟(jì)核算：通過假定溫度下的參數(shù)計算及經(jīng)濟(jì)計算通過程序優(yōu)化算得最優(yōu)溫度及最少費用→由容器要求進(jìn)行部件的選擇及尺寸的確定。</p><p>　　這次課程設(shè)計涉及多門課程的知識運用，由化工原理延伸開來，運用機(jī)械、制圖、編程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科交合最終確定換熱器的各參數(shù)。一部分?jǐn)?shù)據(jù)采取經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及迭代估計計算使得結(jié)果存在一定的誤差，但盡量使得結(jié)果達(dá)到最優(yōu)。設(shè)計過程中對計算機(jī)運用能力的要求及大量資料的查閱，使得

117、整個設(shè)計過程進(jìn)度比較緩慢。但同時確實鍛煉了我們的學(xué)習(xí)能力以及對所學(xué)知識的融合。</p><p>　　整個過程的進(jìn)行比較順利，我們組成員即分工又合作，最終較順利地完成了設(shè)計任務(wù)。這次專業(yè)課的課程設(shè)計給我們提供了很好的鍛煉機(jī)會，從最開始的點到后來的面，我們真正做到了知識的融合與全面統(tǒng)籌綜合考慮。全面鞏固了我們的專業(yè)課知識，并且在挫折與曲折中前進(jìn)了很多，成長了很多，這是一筆豐富的知識財富!</p><

118、;p><b>　　§6.2 心得體會</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計是一門綜合性較強(qiáng)的課程，是對化工原理、化工機(jī)械基礎(chǔ)、化工制圖、化工熱力學(xué)等一系列知識的綜合利用；是對計算機(jī)軟件和編程的實際運 用；是對化工生產(chǎn)設(shè)計及流程的理解。</p><p>　　俗話說，萬事開頭難。首先，關(guān)于換熱器的參考資料是必備的，一天之內(nèi)，圖書館里跟本次課程設(shè)計有

119、關(guān)的資料已被洗劫一空。本以為有了“武器”在手，設(shè)計應(yīng)該會得心應(yīng)手才對?？墒墙?jīng)過老師初步的講解，我們對于列管式換熱器的設(shè)計還是懵懵懂懂，不知道應(yīng)該從何下手。第一周的任務(wù)就是要通過經(jīng)濟(jì)核算確定最佳出口溫度。由于我們并沒有意識到最佳出口溫度要通過編程來確定，所以第一周的時間幾乎都浪費在大篇大篇的計算上，直到周末才系統(tǒng)的編出了程序，從而求出了最佳出口溫度。</p><p>　　第二周的主要任務(wù)就是在最佳溫度的基礎(chǔ)上，確定

120、換熱器的選型以及各個部件的構(gòu)造等。由于第一周進(jìn)度的滯后，嚴(yán)重導(dǎo)致這一周時間的緊迫。且換熱器的選型也是一項復(fù)雜龐大的工作，經(jīng)過我們小組三人反復(fù)的摸索與實踐，最終終于確定了所需的換熱器的基本型號等。</p><p>　　最后一周的重任就是繪制流程圖與裝配圖了。這對于我們這些AutoCAD的初學(xué)者來說，這又是難上加難啊?？墒墙?jīng)過了前兩周的艱辛努力，我們相信所有的困難都會迎刃而解的。在繪制裝配圖的過程中，我們這才意識到了

121、之前工作的漏洞。在選擇換熱器的過程中忽略了許多細(xì)節(jié)問題，包括法蘭、螺栓螺母的選擇等。記錄也做的不是很完善，導(dǎo)致最后在繪制裝配圖表格時質(zhì)量、材料等還需要重新查找。在圖紙大體完成后，還有許多零碎的細(xì)節(jié)問題需要我們一一完善，把很多的問題都拖到了最后。</p><p>　　回憶起這三周的課程設(shè)計，時而緊張嚴(yán)肅，時而輕松搞笑。不管怎樣，換熱器的相關(guān)知識我們確實已經(jīng)深入的掌握了。只有真正參與到此設(shè)計過程，才能減少陌生感與抽象

122、感，對化工生產(chǎn)流程與設(shè)備也有了真真切切的了解。除此之外，本次課程設(shè)計也大大的增強(qiáng)了我們的團(tuán)隊配合能力，不僅僅限于我們?nèi)说男〗M之間，也體現(xiàn)了組與組之間的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。我們每人都充分分配好各自的時間，認(rèn)真完成各自的任務(wù)，做到分配合作的有序性，合理利用好課程設(shè)計的時間，盡量到教室完成任務(wù)，可以與大家共同討論、共同進(jìn)步。當(dāng)然，我們組最后順利完成了化工原理課程設(shè)計的任務(wù)，這既離不開大家的共同努力，也離不開何老師的辛勤指導(dǎo)，最后預(yù)祝我們組能取得圓

123、滿的成績。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　1.《儀表常用數(shù)據(jù)手冊 第二版》王森 紀(jì)綱 編.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.8；</p><p>　　2.《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) 第二版》湯善甫 朱思明 主編.上海：華東理工大學(xué)出版社，2004,12；</p><p>　　3.《化工設(shè)備設(shè)

124、計手冊 上卷》朱有庭 曲文海 于溥義 主編.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.6；</p><p>　　4.《化工原理（第二版）》崔鵬 魏鳳玉主編. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2003.9；</p><p>　　5.《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計 第二版》匡國柱 史啟才 主編.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.2；</p><p>　　6.《化工制圖Auto CAD實戰(zhàn)教

125、程與開發(fā)》方利國 董新法 編著.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.1；</p><p>　　7.《換熱器》董其伍 張垚 等編.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009,1；</p><p>　　8.《常用化工單元設(shè)備設(shè)計 第二版》李功樣 陳蘭英 崔英德編. 廣州：華南理工大學(xué)出版社2009,8；</p><p>　　9.《化工原理課程設(shè)計》馬江權(quán) 冷一欣 主編.北京：中國石化出