化工原理課程設計說明書---煤油冷卻器的設計 (2)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　設計題目及原始數(shù)據（任務書）………………………………3</p><p>　　設計要求………………………………………………………..3</p><p>　　列管式換熱器形式及特點的簡述……………………………..3</p><p>　　論述列管式換熱器形式的選擇

2、及流體流動空間的選擇……..8</p><p>　　換熱過程中的有關計算（熱負荷、殼層數(shù)、總傳熱系數(shù)、傳熱面積、壓強降等等）…………………………………………..10</p><p>　　物性數(shù)據的確定………………………………………………14</p><p>　　總傳熱系數(shù)的計算……………………………………………14</p><p>　　傳熱面

3、積的計算………………………………………………16</p><p>　　工藝結構尺寸的計算…………………………………………16</p><p>　　換熱器的核算…………………………………………………18</p><p>　　設計結果概要表（主要設備尺寸、衡算結果等等）…………22</p><p>　　主體設備計算及其說明………………………………

4、…………22</p><p>　　主體設備裝置圖的繪制…………………………………………33</p><p>　　課程設計的收獲及感想…………………………………………33</p><p>　　附表及設計過程中主要符號說明……………………………..37</p><p>　　參考文獻…………………………………………………..40</p>

5、<p>　　一、設計題目及原始數(shù)據（任務書）</p><p>　　1、生產能力：17×104噸/年煤油</p><p>　　2、設備形式：列管式換熱器</p><p><b>　　3、設計條件：</b></p><p>　　煤油：入口溫度140oC，出口溫度40 oC</p><

6、;p>　　冷卻介質：自來水，入口溫度30oC，出口溫度40 oC</p><p>　　允許壓強降：不大于105Pa</p><p>　　每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行</p><p><b>　　二、設計要求</b></p><p>　　1、選擇適宜的列管式換熱器并進行核算</p><p

7、><b>　　2、要進行工藝計算</b></p><p>　　3、要進行主體設備的設計（主要設備尺寸、橫算結果等）</p><p><b>　　4、編寫設計任務書</b></p><p>　　5、進行設備結構圖的繪制（用420*594圖紙繪制裝置圖一張：一主視圖，一俯視圖。一剖面圖，兩個局部放大圖。設備技術要求、主要

8、參數(shù)、接管表、部件明細表、標題欄。）</p><p>　　三、列環(huán)式換熱器形式及特點的簡述</p><p><b>　　換熱器概述</b></p><p>　　換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現(xiàn)化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。</p><p&g

9、t;　　在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別。</p><p>　　在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益

10、加強。換熱器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。換熱器按照換熱介質不同可分為水-水換熱器和汽-水患熱器；按照工作原理不同可分為間壁式、直接接觸式、蓄熱式和熱管式換熱器。</p><p><b>　　1.表面式換熱器</b></p><p>　　又稱間壁式換熱器。是指通過傳熱表面間接加熱的換熱器。由于表面式換熱器冷熱流體傳熱時被固體

11、壁面所隔開，熱流體和冷流體通過壁面進行熱量傳遞，所以與直接接觸式換熱器相比，換熱效率較低，常用在兩種流體不容滲混的場合。主要有管式、容積式、板式、螺旋板式等形式。</p><p><b>　　2.管式換熱器</b></p><p>　　是指由圓筒形殼體和裝配在殼體內的帶有管板的管束所組成的管式換熱器。結構簡單、造價低、流通截面較寬、易于清洗水垢;但傳熱系數(shù)低、占地面積

12、大。管殼式換熱器有固定管板式汽-水換熱器、帶膨脹節(jié)管殼式汽-水換熱器、浮頭式汽-水換熱器、u彩管殼式汽-水換熱器、波節(jié)型管殼式汽-水換熱器、分段式水-水換熱器等兒種類型。</p><p><b>　　3.套管式換熱器</b></p><p>　　是指由管子制成管套管等構件組成的管式換熱器。</p><p><b>　　4.板式換熱器&

13、lt;/b></p><p>　　是指不同溫度的流體交錯在多層緊密排列的薄壁金屬板間流動換熱的表面式換熱器。主要由傳熱板片、固定蓋板、活動蓋板、定位螺栓及壓緊螺栓組成，板片之間用墊片進行密封。由于板片表面的特殊結構，能使流體在低流速下發(fā)生強烈湍動，從而強化了傳熱過程。板式換熱器結構緊湊，拆洗方便，傳熱系數(shù)高，適應性大，節(jié)省材料，但板片間流通截面狹窄，易形成水垢和沉積物，造成堵塞，密封墊片耐熱性差時易滲漏。此

14、種換熱器常用于供暖系統(tǒng)。板式換熱器計算時應考慮換熱便面污垢的影響，傳熱系數(shù)計算時應考慮污垢修正系數(shù)。</p><p>　　其中列管式換熱器的應用已經有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設備等部門所使用的換熱設備中，列管式換熱器仍處于主導地位。同時，管板式換熱器已成為高效、近臭的換熱設備，大齡的應用于工業(yè)中。列管式換熱器的資料較為完善，已有系列化標準。&

15、lt;/p><p>　　列管式換熱器有三種類型，分別為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器和填料函式換熱器。</p><p>　　1.固定管板式：固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結構特點是在殼體中設置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓

16、緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。</p><p>　　固定管板式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。</p>&l

17、t;p>　　圖1 固定管板式換熱器</p><p>　　固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較??；造價低；無內漏。在相同的殼體直徑內，排管較多，比較緊湊；殼側層清洗困難，加上膨脹節(jié)的方法不能照到管子的相對移動。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。</p><p>　　固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設備壽命較

18、低，不適用于殼程易結垢場合。</p><p>　　2.浮頭式換熱器：其兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端課相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。此種換熱器的管束不受殼體的約束，殼體與管束之間不會因為膨脹量的不同而產生熱應力。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。</p><p>　　特點：該種換熱器結構復雜、笨重，造價比固定管板式要高出約</p><p>

19、;　　20％，材料的消耗量較大，浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以安裝時要特別注意其密封，以免發(fā)生內漏，且管束和殼體間隙較大，設計</p><p>　　圖2. 浮頭式換熱器</p><p>　　時避免短路。該種換熱器比較適合管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結垢的場合。</p><p><b>　　3.U型管式換熱器</b></p>

20、<p>　　僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。</p><p>　　這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產生熱應力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速</p><p>　　較高，傳熱性能好；承壓能力強；管束課從殼體內抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內清洗不變，管束中間分布的管子難以更換，管板中心部分布管不緊湊，管子數(shù)目不能太多。僅

21、適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結垢而管程介質不易結垢，高溫高壓腐蝕性強的情形。</p><p>　　圖3.U型管式換熱器</p><p><b>　　4.填料函式換熱器</b></p><p>　　此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。</p><p>　　特點為它的管束也可以自由膨脹，所以

22、管殼間不會產生熱應力，且管程與殼程都能清洗。造價較低、加工制造簡便，材料消耗較少。填料密封處于泄露，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。</p><p>　　四、論述列管式換熱器形式的選擇及流體流動空間的選擇</p><p><b>　?、贀Q熱器形式的選擇</b></p><p>　　本次任務中兩流體的溫度變化：煤油熱

23、流體進口溫度為140℃，</p><p>　　出口溫度為40℃；冷卻介質水的進口溫度為30℃，出口溫度為40℃。</p><p>　　該換熱器用自來水作冷卻介質，受環(huán)境影響，進口溫度會降低，由此可知該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，有上一步驟中對換熱器形式及特點的陳述，課選用固定管板式換熱器。</p><p>　?、诹黧w流動空間的選擇</p>&l

24、t;p>　　在管殼式換熱器的計算中，首先要決定何種流體走管程，何種流</p><p>　　體走殼程，這需遵循一些一般原則。</p><p>　?、逡擞谕ㄈ牍軆瓤臻g的流體</p><p>　　不清潔的流體：因為在管內空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內空間便于清洗；</p><p>　　體積小的流體：管內空間的流動

25、截面往往要比管外空間的截面要小，流體易于獲得理想的流速，而且也便于做成多程流動。</p><p>　　有壓力的流體：管子承壓能力強，而且還簡化了殼體密封要求。</p><p>　　與外界溫差大的流體：可以減少熱量的逸散。</p><p>　?、嬉擞谕ㄈ牍荛g的流體</p><p>　　當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

26、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，故溫差應力可以降低。</p><p>　　若兩流體給熱性能相差較大時，α值霄的流體走管間，此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側的給熱條件，使之相互接近。</p><p>　　黏度大的流體，管間的截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內的大。</p><p>　　泄漏后危險大的流體，可以減少泄露機會，以

27、保安全。</p><p>　　根據所查得的資料，不潔凈或易于結垢的物料應流經易于清洗的</p><p>　　一側，對于直管一般走管內；溫度較高的物料宜走管內一減少熱損失，但要求被冷卻的流體走殼程、黏度大的走殼程，且循環(huán)水易于結垢，所以使水走管程，煤油走殼程。</p><p>　　③流體流速的選?。簱Q熱器常用流速的范圍如下表</p><p>　

28、　表一 換熱器常用流速的范圍</p><p>　　由上表可得管內循環(huán)水流速范圍為1m/s-2m/s，現(xiàn)取管內流速1.0m/s。</p><p><b>　?、軗Q熱管規(guī)格的選取</b></p><p>　　換熱管規(guī)格及排列形式如下表所示</p><p>　　表二 換熱管規(guī)格及排列形式</p><

29、;p>　　選用φ25×2.5碳鋼管。</p><p>　　五、過程中的有關計算（熱負荷、殼層數(shù)、總傳熱系數(shù)、傳熱面積、壓強降等等）</p><p>　　列管式換熱器的設計計算</p><p><b>　　設計步驟</b></p><p>　　目前，我國已經制訂了管殼式換熱器系列標準，設計中應盡可能選用系列

30、化的標準產品，這樣可簡化設計和加工。但是實際生產條件千變萬化，當系列化產品不能滿足需要時，仍應根據生產的具體要求而自行設計非系列標準的換熱器。兩者的設計計算步驟如下：</p><p>　　1.非系列標準換熱器的一般設計步驟</p><p>　?、×私鈸Q熱流體的物理化學性質和腐蝕性能。</p><p>　?、⒂蔁崞胶庥嬎銈鳠崃康拇笮?，并確定第二種換熱流體的用量。<

31、;/p><p>　?、Q定立體通入的空間。</p><p>　?、び嬎懔黧w的定性溫度，一確定流體的物性數(shù)據。</p><p>　?、コ跛阌行骄鶞夭?。一般先按照逆流計算，然后再校核。</p><p>　?、x取管徑和管內流速。</p><p>　　ⅶ計算傳熱系數(shù)K值，包括管程對流傳熱系數(shù)和殼程對流傳熱系數(shù)的計算。由于殼程對

32、流傳熱系數(shù)與殼頸、管束等結構有關，因此一般先假定一個殼程對流傳熱系數(shù)，以計算K值，然后再校核。</p><p>　?、ǔ豕纻鳠崦娣e?？紤]安全系數(shù)和初估性質，因而常取實際傳熱面積是計算值的1.15-1.25倍。</p><p><b>　?、窆荛LL。</b></p><p>　?、嬎愎軘?shù)N并校核管內流速，確定管程數(shù)。</p>&

33、lt;p>　　Xi校核對流傳熱系數(shù)及有效平均溫差；校核傳熱面積，應有一定安全系數(shù)，否則需要重新設計。</p><p>　　Xii計算流體流動阻力。如果阻力超過允許范圍，需要調整設計，直至滿意為止。</p><p>　　2.系列標準換熱器選用的設計步驟</p><p><b>　?、≈立ヅc1相同。</b></p><p&

34、gt;　?、⑦x取經驗的傳熱系數(shù)K值。</p><p><b>　?、Ｓ嬎銈鳠崦娣e。</b></p><p>　?、び上盗袠藴蔬x取換熱器的基本參數(shù)。</p><p>　　ⅴ校核傳熱系數(shù)，包括管程、殼程對流傳熱系數(shù)的計算。假如核算的K值與原選擇的經驗值相差不大，就不再進行校核；如果相差較大，則需重新假設K值并重復上述ⅱ一下步驟。</p>

35、<p>　?、π：擞行骄鶞夭?。</p><p>　　ⅶ校核傳熱面積，使其有一定的安全系數(shù)，一般安全系數(shù)取1.1-1.25，否則需要重新設計。</p><p>　　ⅷ計算流體流動阻力，如果超過允許范圍，需重新選換熱器的基本參數(shù)再行計算。</p><p>　　由此可知，換熱器的傳熱設計，實際上是一個反復試算的過程，有時需要反復試算2-3次。所以換熱器設計

36、計算帶有試差性質。</p><p><b>　　傳熱計算的主要公式</b></p><p>　　傳熱速率方程式 Q=KSΔtm</p><p>　　式中Q—傳熱速率（熱負荷）,W；</p><p>　　K—總傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p>　　S—與K值對應的傳熱面積，m2；&l

37、t;/p><p>　　Δtm—平均溫度差，℃。</p><p>　　1.傳熱速率（熱負荷）Q</p><p>　　傳熱的冷熱流體均沒有相變化，且忽略熱損失，則</p><p>　　式中 W---流體的質量流量，kg/h；</p><p>　　--定壓比熱容，kJ/（kg?℃）；</p><p>　　

38、T—熱流體的溫度，℃；</p><p>　　t—冷流體的溫度，℃；</p><p><b>　　流體有相變化時，則</b></p><p>　　式中 W—飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h；</p><p>　　r—飽和蒸汽的汽化熱，/kg/kJ。</p><p><b>　　平均溫度差Δtm

39、</b></p><p>　　恒傳熱時的平均溫度差Δtm=T-t</p><p><b>　　變溫傳熱的溫度差</b></p><p><b>　　逆流和并流</b></p><p>　　式中Δt1、Δt2換熱器兩端熱冷流體的溫度差，℃。</p><p><

40、b>　　錯流和折流</b></p><p>　　設計過程中的具體計算：</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　—按逆流計算的平均溫度差，℃</p><p>　　--溫差校正系數(shù)，無量綱，</p><p><b>　　總傳熱系數(shù)K</b>

41、;</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　K—總傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p>　　--傳熱管內、外側流體的對流傳熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p>　　--傳熱管內外側表面上的污垢熱阻，m2?℃/W；</p><p>　　--傳熱管內徑、外徑及平均直

42、徑，m；</p><p>　　--傳熱管比導熱系數(shù)，W/（m2?℃）；</p><p><b>　　b—管壁厚度，m。</b></p><p>　?、傥镄詳?shù)據的確定：定性度取流體進口溫度平均值</p><p>　　殼程煤油的定性度：T==90℃</p><p>　　管程流體的定性溫度：t==35℃

43、</p><p>　　根據定性溫度，可以查取管程和殼程流體的有關物性數(shù)據。</p><p>　　煤油在90℃下的物性數(shù)據：</p><p>　　密度：ρ0=825kg/m3</p><p>　　定壓比熱容：cp0=2.22kJ/（kg?℃）</p><p>　　導熱系數(shù)：λ0=0.140W/（m2?℃）</p&g

44、t;<p>　　粘度：μ0=0.000715Pa?s</p><p>　　循環(huán)冷卻水在35℃下的物性數(shù)據：</p><p>　　密度：ρi=994kg/m3</p><p>　　定壓比熱容：cpi=4.08kJ/（kg?℃）</p><p>　　導熱系數(shù)：λi=0.626W/(m2?℃)</p><p>

45、　　粘度：μi=0.000725Pa?s</p><p><b>　?、诳倐鳠嵯禂?shù)的計算</b></p><p>　　1.熱流量：m0=17×104×103/(330×24)=2.15×104(kg/h)</p><p>　　Q0= m0CoΔto=2.15×104×2.2×

46、（140-40）=4.773×106kJ/h=1325.8kw2.平均傳熱系數(shù):</p><p>　　=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=[(140-40)-(40-30)]/ln[(140-40)/(40-30)]=39(°C)</p><p><b>　　3.冷卻水用量：</b></p><p>　　Wi =

47、Q0/(C iΔti)= 4.773×106/[4.08×(40-30)]=1.175×105kg/h</p><p><b>　　4.總傳熱系數(shù)K</b></p><p><b>　　管程傳熱系數(shù)</b></p><p>　　=4805.2 W/（m2?℃）</p><p

48、>　　殼程傳熱系數(shù)α0=290W/（m2?℃）</p><p><b>　　污垢熱阻</b></p><p>　　表二 流體的污垢熱阻</p><p><b>　　由上表可得：</b></p><p>　　Rsi=0.000344m2℃/W</p><p>　　Rs

49、0=0.000172 m2℃/W</p><p>　　管壁的導熱系數(shù)λ=45.3W/（m?℃）</p><p><b>　?、蹅鳠崦娣e的計算</b></p><p>　　S丿==148.6（m2）</p><p>　　又需要考慮15％的面積裕度S=1.15×148.6=170.89 （m2）</p>

50、<p>　?、芄に嚱Y構尺寸的計算</p><p>　　1.選用的是φ25×2.5的傳熱管（碳鋼），取管內流速ui=1.0m/s</p><p><b>　　管程數(shù)和傳熱管數(shù)</b></p><p>　　2.由傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>　　ns=</b

51、></p><p>　　按單程關計算所需傳熱管的長度</p><p><b>　　L=（m）</b></p><p>　　單程管計算，傳熱管過長，采用多管程結構。取l=4.5m，則換熱器的程數(shù)為</p><p>　　傳熱管總根數(shù)N=4×104=416(根)</p><p>　　3.

52、平均傳熱溫差及校正殼程數(shù)</p><p>　　平均傳熱溫差校正系數(shù)</p><p><b>　　R==10</b></p><p><b>　　P==0.091</b></p><p>　　按單殼程，四管程結構，溫差校正系數(shù)查有關圖表可得</p><p><b>　

53、　φΔt=0.82</b></p><p><b>　　平均傳熱溫差</b></p><p>　　Δtm=φΔt=0.82×39=32（℃）</p><p>　　4.傳熱管的排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列方法，即每程內均按正三角形排列。取管心距t=1.25d0，則</p>

54、;<p>　　t=1.25×25=31.25≈32（mm）</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)</p><p>　　nc=1.19=1.19=24(根)</p><p><b>　　5.殼體內徑</b></p><p>　　采用多管程結構，取管板利用率η=0.7，則殼體內徑為</p&g

55、t;<p>　　D=1.05t,取D為800</p><p><b>　　6.折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25﹪，則切去圓缺高度h=0.25×800=200（mm）</p><p>　　取折流板間距B=0.3D,則</p><p>　　B=0

56、.3×800=240（mm），可以取B為300mm。</p><p><b>　　折流板數(shù)NB=</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p><b>　　7.接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內油品流速為1.0m/s，則接管內徑為</

57、p><p><b>　　d=m</b></p><p>　　取標準管徑為100mm</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內徑為</p><p><b>　　d=m</b></p><p>　　取標準管徑為160mm。</p>

58、;<p><b>　　換熱器的核算</b></p><p>　　1.殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺型折流板，課采用克恩公式</p><p>　　當量直徑，有正三角形排列的</p><p><b>　　殼程流通截面積</b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為</p>

59、;<p><b>　　普蘭特準數(shù)</b></p><p><b>　　粘度校正</b></p><p>　　2.管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　管程流通截面積</b></p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)</p><p>

60、;<b>　　普蘭特準數(shù)</b></p><p><b>　　3.傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　4.傳熱面積</b></p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積</p><p>　　由前面所得D=800,B=300,且取管長l為4.5m時，查國標得換熱器實際傳熱

61、面積應為148.5m2，則</p><p>　　該換熱器的面積裕度為</p><p><b>　　換熱器內流動阻力</b></p><p><b>　　1.管程流動阻力</b></p><p>　　由Re=27695，傳熱管相對粗糙度為0.005，查莫狄圖得</p><p>

62、　　=0.033W/(m?℃)，流速ui=1.01m/s，ρ=994kg/m3</p><p>　　管程流動阻力在允許范圍之內，小于105Pa。</p><p><b>　　2.殼程流動阻力</b></p><p><b>　　流體流經管束的阻力</b></p><p><b>　　F=0

63、.5，</b></p><p>　　NB=14, =0.138</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p>　　B=0.3m, D=0.8m</p><p><b>　　總阻力</b></p><p>　　殼程流動阻力也小于105Pa，符合要求。</p>

64、<p>　　六、設計結果概要表（主要設備尺寸及衡算結果）</p><p>　　七、主體設備計算及其說明</p><p><b>　　1.工藝條件</b></p><p><b>　　2.封頭的選擇</b></p><p>　　上下兩封頭均選用標準橢圓形封頭，根據JB/T4737-200

65、2標準，封頭為：。如圖所示，材料選用20R鋼。下封頭常與裙座焊接，h2=50mm，材料選用20R鋼。</p><p><b>　　3.管板尺寸確定</b></p><p><b>　　管板結構如下：</b></p><p>　　由于固定管板式換熱器管板計算十分復雜，需要綜合考慮多種因素，考慮到本次設計時間并不太充裕，故計算

66、從略，僅采用下表選取。</p><p><b>　　4.換熱管的選擇</b></p><p>　　選用的是φ25×2.5的碳鋼管，通過上述計算定為四管程結構，且公稱直徑D=800mm。換熱管排列圖如下：</p><p>　　我們計算所用換熱管數(shù)為416根。</p><p><b>　　5.管板與管子連

67、接</b></p><p>　　管子與管板的連接方式主要有以下三種：a脹接；b焊接；c脹焊接. 脹接用于管殼之間介質滲漏不會引起不良后果的情況，特別適用于材料可焊性差（如碳鋼換熱管）及制造廠的工作量過大的情況。由于脹接管端處在焊接時產生塑性變形，存在著殘余應力，隨著溫度的升高，殘余應力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結合力的作用，所以脹接結構受到壓力和溫度的限制，一般適用于設計壓力≤4Mpa

68、，設計溫度≤300度，并且在操作中無劇烈地震動，無過大的溫度變化及無明顯的應力腐蝕；焊接連接具有生產簡單、效率高、連接可靠的優(yōu)點。通過焊接，使管子對管板有較好的增將作用；并且還有可降低管孔加工要求，節(jié)約加工工時，檢修方便等優(yōu)點，故應優(yōu)先采用。此外，當介質毒性很大，介質和大氣混合易發(fā)生爆炸介質有放射性或管內外物料混合會產生不良影響時，為確保接頭密封，也常采用焊接法。焊接法雖然優(yōu)點甚多，因為他并不能完全避免“縫隙腐蝕”和焊接節(jié)點的應力腐蝕，

69、而且薄管壁和厚管板之間也很難得到可靠的焊縫。焊接法雖然較脹接可以乃更高的溫度，但是在高溫循環(huán)應力的作用下，焊口極易發(fā)生疲勞裂紋，列管與管孔存在間隙，當受到腐蝕介質的侵蝕時，以會加速接頭的損</p><p>　　6.管箱的選擇DN≤400mm為平蓋管箱；500mm≤DN≤800mm為平蓋管箱和封頭管箱，推薦使用封頭管箱；DN≥900mm，選擇封頭管箱。</p><p>　?。?）管箱接管位置

70、最小尺寸，如圖所示。</p><p><b>　　可按下列公式計算：</b></p><p><b>　　帶補強圈接管</b></p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　不帶補強圈接管</b></p><p&

71、gt;<b>　　mm</b></p><p>　　上面兩式中取C≥4S(S為管箱殼體厚度，mm)且≥30mm。</p><p>　?。?）殼程接管位置最小尺寸，如下圖。</p><p><b>　　按下列公式計算：</b></p><p><b>　　帶補強圈接管</b>&l

72、t;/p><p><b>　　不帶補強圈接管</b></p><p>　　L1/L2-------殼程管箱接管位置最小尺寸，mm；</p><p>　　C-----------補強圈外邊緣（無補強圈時，為管外壁）至管板（或法蘭）與殼體鏈接焊縫間的距離，mm；</p><p>　　---------接管外徑，mm；</p

73、><p>　　---------補強圈外圓直徑，mm。</p><p>　　3.折流板間距S---------補強圈外圓直徑，mm。</p><p>　　換熱器折流板間距S見下表</p><p><b>　　表三 折流板間距</b></p><p><b>　　7.定距管</b>

74、;</p><p>　　根據GB/T8163-2008流體輸送用無縫鋼管，采用Φ25×2.5的定距管。</p><p>　　常用拉桿有兩種形式，見下圖。</p><p>　　a、拉桿定距管結構，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束；</p><p>　　b、拉桿與折流板為點焊結構，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，l1≥

75、d；</p><p>　　c、當官板較薄時，也可采用其他鏈接形式。</p><p>　　本換熱器采用拉桿定距管結構。</p><p>　　6.拉桿的選擇及數(shù)量</p><p>　　常用的拉桿結構有：拉桿定居管結構與拉桿與折流板點焊結構。查換熱器手冊可得下表：</p><p>　　表四 拉桿的直徑和數(shù)量</p&g

76、t;<p>　　由公稱直徑可以確定拉桿直徑為12。</p><p><b>　　8.支座的選取</b></p><p>　　公稱直徑D≥800mm的換熱器，至少需要兩個支座；公稱直徑D≥900mm的換熱器，需要四個支座。支座在換熱器上的位置，應根據工藝安裝的要求來確定。其位置尺寸，一般按以下原則來確定。</p><p>　?。?）

77、L≤30000mm時，取LA=(0.4-0.6)L;</p><p>　　L＞30000mm時，取LA=(0.5-0.7)L;</p><p><b>　　且LB≈。</b></p><p>　?。?）LB必須滿足殼程接管焊縫與支座焊縫間之距離要求，即</p><p>　　其中各個字母意義如圖所示</p>

78、<p>　　式中：的數(shù)值，按JB1167-81中的B型，其值如下表</p><p>　　表五 的數(shù)值表 單位：mm</p><p>　　所查手冊按LA≈0.6L，并使LB滿足上式的要求來確定LA和LB。</p><p>　　9.計算每四根管子之間的面積f：</p><p>　　則f=3.959×1

79、0-4。脹接長度l1取管板厚度減3mm，即l1=40-3=37mm。所以在操作條件下，每平方米焊接周邊所產生的力qp則</p><p>　　所以qp=13641Pa</p><p>　　計算管子中的溫差應力：</p><p><b>　　=0.078m2</b></p><p><b>　　=0.025 m2&

80、lt;/b></p><p>　　彈性模量E：E=0.21×106Mpa；膨脹系數(shù)κ：κ=11.8×10-6</p><p><b>　　所以有：</b></p><p>　　代入數(shù)據有：=6.616×106Pa</p><p>　　溫差應力導致的每平方米焊接周邊上的拉脫力：</

81、p><p>　　所以=1488.604Pa</p><p>　　由已知條件可知和作用方向相同，都是管子受壓，則和拉脫力為：</p><p><b>　　q=+</b></p><p>　　q==15129.6</p><p>　　因管端卷邊或管板開槽焊接，則需用拉脫力為=4.0Mpa，</p&g

82、t;<p>　　管板與換熱管的許用拉脫力如下表</p><p>　　表六 許用拉脫力</p><p>　　因此拉脫力在需用范圍之內。</p><p>　　10.殼體厚度的確定</p><p>　　計算得殼體內徑D=800mm，差標準尺寸如下</p><p>　　表七 殼體標準尺寸</p>

83、;<p>　　殼體厚度選用12mm。</p><p>　　11.計算是否需要安裝膨脹節(jié)</p><p>　　膨脹節(jié)是裝在固定板換熱器上的撓性元件，對于管子與殼體的膨脹變形差進行補償，以此來消除或減小不利的溫差應力。</p><p>　　管、殼壁溫差所產生的軸向力：</p><p>　　2.817×105N</p&

84、gt;<p><b>　　2.94×104N</b></p><p>　　壓力作用于殼體上的軸向力：</p><p><b>　　6.02×103N</b></p><p>　　壓力作用于管子上的軸向力：</p><p>　　=3.129×104N<

85、/p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　2.1×107N</b></p><p>　　-6.35552.1×10-6N</p><p>　　根據《鋼制管殼式換熱器的設計規(guī)定》，兩項小于操作條件下的，故本設計的換熱器不需要安裝膨脹節(jié)。</p>

86、<p>　　通過對主題設備進行的計算，有國家標準規(guī)定選取各個零部件的到匹配表如下.</p><p>　　通過以上設計，根據GB/T539，選用耐油石棉橡膠板作為墊片。</p><p>　　八、主題裝置圖的繪制（見A1圖紙）</p><p>　　九、附表及設計過程中主要符號說明；</p><p>　　表八 換熱器主要結構尺寸及計算結

87、構</p><p>　　表九 列管式換熱器傳熱系數(shù)經驗值</p><p>　　表十 常見流體污垢熱阻</p><p><b>　　主要符號說明</b></p><p><b>　　P——壓力，Pa </b></p><p>　　R——熱阻，㎡·℃/W；&

88、lt;/p><p>　　S——傳熱面積，㎡；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃；</p><p>　　——實際傳熱面積， </p><p>　　V——體積流量N——管數(shù)</p><p>　　D——殼體內徑d——管徑</p><p>　　Q——傳熱速率，W；</p><p&

89、gt;<b>　　Re——雷諾準數(shù)；</b></p><p>　　t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　u——流速，m/s;</p><p>　　m——質量流速，㎏/h;</p><p>　　——對流傳熱系數(shù)W/(㎡·℃);</p><p><b>　　——校正系數(shù);&l

90、t;/b></p><p>　　——導熱系數(shù)，W/(m·℃)</p><p>　　——粘度，Pa·s；</p><p>　　——密度，㎏/m3;</p><p>　　Pr——普郎特系數(shù)；</p><p><b>　　n——板數(shù)，塊；</b></p><

91、p><b>　　K——總傳熱系數(shù)，</b></p><p>　　十、后記：化工原理課程設計的收獲及感想。</p><p>　　本次化工原理課程設計，老師并不是像以往一樣給精餾塔的設計題目，而是換熱器的設計。全班共有兩組數(shù)據，分別為15×104噸/年和17×104噸/年。我們組的設計任務是17×104噸/年。確定任務后，組員進行分工合

92、作來確定實驗方案、選擇流程、查取資料、進行過程和設備的計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經過反復的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設計。</p><p>　　在設計過程中，往往會遇到很多問題。設計過程中所涉及到得一些知識來源于我們平時所學，聯(lián)系最緊密的應該就是《化工原理》和《工程制圖》。開始根本不知道從何下手，在第一天老師來輔導后，大概知道了設計步驟。了解到整個計算過程后，我開始選擇公式。最先假設管程自

93、來水的流速，有余有一個范圍，先前沒有經驗，只能隨便設定一個值進行計算，再核算。剛開始選取的數(shù)據并不好，但后來算過一遍后，有了點技巧，最終取管程流速為1.0m/s。</p><p>　　在進行工藝計算過程中，因為有很多復雜的公式，所以我使用了MathType公式編輯器來輸入，很方便快捷。如今工業(yè)發(fā)展迅速，網上有很多管業(yè)換熱器計算的信息及應用軟件，我們在設計過程中也應該有選擇的充分利用這些資源。</p>

94、<p>　　在進行結構設計時，需要查閱各種零件的尺寸及規(guī)定的標準，必須按照國家標準規(guī)定來進行設計。</p><p>　　此外，整個設計過程中，制圖占很大比例。由于我的工程制圖基礎不好，所以在畫圖這一塊我花費了很長時間，同學也幫助了我很多，畫圖的技巧也學習了一些。</p><p>　　通過本次設計，我學會了根據工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據資料

95、確定主要工藝流程，主要設備，以及如何計算出主要設備及輔助設備的各項參數(shù)及數(shù)據。通過課程設計可以鞏固對主體設備圖的了解，以及學習到工藝流程圖的制法。對化工原理設計的有關步驟及相關內容有一定的了解。通過本次設計熟悉了化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解。在設計的過程培養(yǎng)了大膽假設，小心求證的學習態(tài)度。通過本次課程設計，我還認識到，組員之間一定要多溝通，多交流意見，要不然，一個人的能力再怎么強，在團體工作中也是不能夠出色完成設計任

96、務。但由于本課程設計屬第一次設計，而且時間比較倉促，查閱文獻有限，本課程設計還不夠完善，不能夠進行有效可靠的計算。</p><p>　　最后，非常感謝我的同組人員，正是有他們在一起討論，有了他們的幫助，才使我更快更順利地在較短時間內完成本設計。</p><p><b>　　十一、參考文獻：</b></p><p>　　1.《化工原理課程設計》（

97、化工傳遞與單元操作課程設計）賈紹義，柴敬城主編，天津大學大學出版社</p><p>　　2.《化工原理》，下冊，夏清，姚玉英</p><p>　　3.《換熱器手冊》，錢頌文主編，化學工業(yè)出版社</p><p>　　4.《管殼式換熱器手冊GB151》</p><p>　　5. 《化工工程制圖》，魏崇光，鄭曉梅主編，化學工業(yè)出版社</p&g