化工原理課程設計(換熱器)

1、<p>　　化工原理課程設計任務書</p><p><b>　　設計題目：</b></p><p><b>　　設計一臺換熱器</b></p><p><b>　　操作條件：</b></p><p>　　煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃。</p>

2、<p>　　冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度35℃。</p><p>　　允許壓強降：不大于1×105Pa。</p><p>　　每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　設備型式：</b></p><p><b>　　管殼式換熱器</b></p>

3、;<p><b>　　處理能力：</b></p><p>　　114000噸/年煤油</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p>　　選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。</p><p>　　管殼式換熱器的工藝計算和主要的工藝尺寸設計。</p><

4、p>　　設計結(jié)果概要或設計結(jié)果一覽表。</p><p>　　設備簡圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）。</p><p>　　對本設計的評述及有關(guān)問題的討論。</p><p><b>　　設計概述</b></p><p>　　1、1熱量傳遞的概念與意義[1](205)</p><p>　　1、

5、1、1 傳熱的概念</p><p>　　所謂的傳熱（又稱熱傳遞）就是間壁兩側(cè)兩種流體之間的熱量傳遞問題。由熱力學第二定律可知，凡是有溫差存在時，就必然發(fā)生熱量從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技領域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。</p><p>　　1、1、2 傳熱的意義</p><p>　　化工生產(chǎn)中的很多過程和單元操作，都需要進行加熱和冷卻，如：化學反應

6、通常要在一定的溫度進行，為了達到并保持一定溫度，就需要向反應器輸入或輸出熱量，又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設備輸入或輸出熱量。所以傳熱是最常見的重要單元操作之一。無論是在能源，宇航，化工，動力，冶金，機械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。此外，化工設備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用

7、。歸納起來化工生產(chǎn)中對傳熱過程的要求經(jīng)常有以下兩種情況：①強化傳熱過程，如各種換熱設備中的傳熱。</p><p>　?、谙魅鮽鳠徇^程，如設備和管道的保溫，以減少熱損失。</p><p>　　1、2 換熱器的概念與意義[2]</p><p>　　1、2、1 換熱器的概念</p><p>　　在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交設備，簡稱為換

8、熱器。在換熱器中至少要有兩種不同的流體，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。</p><p>　　1、2、2 換熱器的意義</p><p>　　熱交換設備是工業(yè)生產(chǎn)中為實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的一種工藝設備。在化工、煉油、動力、原子能等眾多的工業(yè)部門和行業(yè)中，廣泛使用加熱器、冷卻冷凝器及其他熱交換設備來滿足一定的工藝生產(chǎn)條件；由這些設備構(gòu)成的換熱系統(tǒng)的狀況，對整個化工過

9、程的正常進行及整個化工系統(tǒng)的投資與操作費用關(guān)系重大。在一般化工廠的建設中，換熱器約占總投資的10%-20%[3]；在石油煉廠中，換熱器約占全部工藝設備投資的35%-40%[3]。因此，在能源日趨緊張的今天，合理設置及使用換熱器尤其重要。</p><p>　　此外，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加強。換熱器的設計、制造、結(jié)構(gòu)改進及傳熱機理的研究十分活躍。由此可

10、見，換熱器在我們的生活中占據(jù)著一定的意義。</p><p>　　1、3 換熱器的分類及特點[2]</p><p>　　隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器、深冷器、過

11、熱器等。</p><p>　　換熱器按傳熱方式的不同可分為：混合式、蓄熱式和間壁式。其中，間壁式換熱器應用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴展表面式換熱器（板翅式、管翅式等）。</p><p>　　1、3、1各換熱器的分類和特點</p><p>　　1、3、2 常見間壁式換熱器的分類和特點[1](271,278)</p&g

12、t;<p><b>　　1、管式換熱器</b></p><p><b>　　1）蛇管式換熱器</b></p><p>　　可分為兩類，沉浸式蛇管換熱器和噴淋式換熱器。前者換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。主要缺點是由于容器的體積較蛇管的體積大得多，故管外流體的較小，因而總傳熱系數(shù)K值也較小。而后者便于檢修和清

13、洗、傳熱效果也較好等優(yōu)點，缺點是噴淋不易均勻。二者的結(jié)構(gòu)如下圖：圖1為常見的幾種蛇管的形狀，圖2為噴淋式換熱器。</p><p><b>　　圖1 蛇管的形狀</b></p><p><b>　　圖2 噴淋式換熱器</b></p><p><b>　　2）套管式換熱器</b></p>&

14、lt;p>　　管套管換熱器系用管件將兩種尺寸不同的標準管連接成同心圓的套管然后用180度的回彎管將多段管套串聯(lián)而成。如圖3所示。每一段套管稱為一程，程數(shù)可根據(jù)傳熱要求而增減。每程的有效長度為4-6m，若管子太長，管中間會向下彎曲，是環(huán)形中的流體分布不均勻。其優(yōu)點是構(gòu)造簡單，能耐高溫；傳熱面積可根據(jù)需要而增減；適當?shù)剡x擇管內(nèi)外徑，可使流體的流速較大；且雙方的流體做嚴格的逆流，有利于傳熱。缺點為管間接頭較多，易發(fā)生泄露；單位長度傳熱面

15、積較小。</p><p>　　圖3 套管式換熱器</p><p><b>　　3）管殼式換熱器</b></p><p>　　管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標準換熱設備。列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補償結(jié)構(gòu)來分，主要有以下幾種：</p><p><b>　　固定管板式換熱器</

16、b></p><p>　　這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，以致管子扭彎或是管子從管板上松脫，甚至毀

17、壞換熱器。</p><p>　　為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于60-70℃和殼程流體壓強不高的情況下。一般殼程壓強超過0.6MPa時，補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償作用，就要考慮其他結(jié)構(gòu)。其結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　圖4 固定管板式換熱器</p

18、><p><b>　　浮頭式換熱器</b></p><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”,所以這種換熱器稱為浮頭式換熱器。其優(yōu)點是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不受殼體約束，因此當兩種換熱器介質(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)生溫差應力。其

19、缺點是結(jié)構(gòu)復雜，造價高。其結(jié)構(gòu)如下：</p><p><b>　　圖5 浮頭式換熱器</b></p><p><b>　　填料函式換熱器</b></p><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，造價也比浮頭式低廉。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應處理一易揮發(fā)、易燃易爆和有毒的介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如下：&l

20、t;/p><p>　　圖6 填料函式換熱器</p><p><b>　　U型管換熱器</b></p><p>　　這類換熱器只有一個管板，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。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：</p><p><b>　　圖7 U形管換熱器

21、</b></p><p><b>　　2、板式換熱器</b></p><p><b>　　1）夾套式換熱器 </b></p><p>　　套式換熱器主要應用于反應過程的加熱或冷卻。在用蒸汽進行加熱時，蒸汽由上部接進入夾套，冷凝水則有下部接管流出。作為冷卻氣時，冷卻介質(zhì)由夾套下部的接管進入，而由上部接管流出。這種

22、換熱器的傳熱系數(shù)較低，傳熱面又受</p><p>　　夾 </p><p><b>　　管</b></p><p><b>　　圖8夾套式換熱器</b></p><p>　　容器的限制，因此適用于傳熱量不太

23、大的場合。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使其內(nèi)液體做強制對流；為了彌補傳熱面的不足，還可在其內(nèi)安裝蛇管等。其結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p>　　圖9 板式換熱器示意圖</p><p><b>　　2）板式換熱器 </b></p><p>　　板式換熱器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設備所提供的傳熱面積大；總傳熱系數(shù)高，如對低粘度液體的

24、傳熱，K值可高達7000 W/(·oC)；可根據(jù)需要增減板數(shù)以調(diào)節(jié)傳熱面積，檢修和清洗都比較方便。其缺點是：處理量不太大；操作壓強較低，一般低于1500kPa，最高也不超過2000kPa；因受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能過高，一般對合成橡膠墊圈不超過130oC，壓縮石棉墊圈低于250oC。</p><p>　　3）螺旋板式換熱器 </p><p>　　螺旋板式換熱器的優(yōu)點是

25、：總傳熱系數(shù)高；不易堵塞和結(jié)垢；能利用低溫熱源和精密控制溫度；結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點是：操作壓強和溫度不宜太高，目前最高操作壓強為2000kPa,，溫度約在400oC以下；不易檢修，因整個換熱器為卷制而成，一旦發(fā)生泄露，修理內(nèi)部很困難。其結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖10螺旋板式換熱器 </p><p><b>　　3、翅片式換熱器</b></p>&

26、lt;p><b>　　1）翅片管換熱器</b></p><p>　　翅片式換熱器的結(jié)構(gòu)特點是在管子表面上裝有徑向或軸向翅片。翅片的種類很多，按翅片的高度不同，可分為高翅片和低翅片兩種，地翅片一般為螺紋管。高翅片適用于管內(nèi)、外對流傳熱系數(shù)相差較大的場合，現(xiàn)已廣泛的應用于空氣冷卻器長，地翅片適用于兩流體的對流傳熱系數(shù)不太大的場合，如對粘度較大液體的加熱或冷卻等。</p>&l

27、t;p>　　2）板翅式換熱器 </p><p>　　板翅式換熱器的主要優(yōu)點是：總傳熱系數(shù)高，傳熱效果好；結(jié)構(gòu)緊湊；輕巧牢固；適應性強，操作范圍廣。主要缺點是：由于設備流到很小，故易堵塞，而且增大了壓強降；換熱器一旦結(jié)垢，清洗和檢修很困難，所以處理的物料應較潔凈或預先進行精制；由于隔板和翅片都有薄鋁片制成，故要求介質(zhì)對鋁不發(fā)生腐蝕。</p><p><b>　　4、 熱管

28、換熱器</b></p><p>　　以熱管為基本傳熱單元的熱管傳熱器是一種新型的高效換熱器，它是由熱管束、殼體和隔板構(gòu)成，冷熱流體被隔板隔開。</p><p>　　當熱源對熱管一端供熱時，工作液自熱源吸收熱量而蒸發(fā)汽化，蒸汽在壓差作用下高速流動至熱管的另一端，并向冷源放出潛熱后凝結(jié)，冷凝液回至熱端，并被再次沸騰汽化。過程如此反復循環(huán)，熱量不斷的從熱端傳至冷端。熱管傳熱的特點是通

29、過沸騰和氣化、蒸汽流動和蒸汽冷凝三步進行。由于沸騰及冷凝的對流傳熱系數(shù)很大，而蒸汽的流動阻力有較小，因此熱管兩端的溫度差很小，它特別適用于低溫差的傳熱。熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、工作可靠、應用范圍廣等特點，它可用于氣-氣、氣-液和液-液間的換熱過程。其結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p><b>　　圖11 熱管換熱器</b></p><p><b>　　

30、圖12熱管示意圖</b></p><p>　　第二章 設計方案簡介</p><p>　　2、1 列管間壁式換熱器的分類【見1、3、2】</p><p>　　2、2 間壁式管殼式的列管換熱器【見1、3、2—1、3）】</p><p>　　2、3 管殼式換熱器的設計和選型[1](278,284)</p><p>

31、;　　管殼式換熱器設計和選型的核心是計算換熱器的傳熱面積，進而確定換熱器的其他尺寸或選擇換熱器的型號。</p><p>　　2、3、1 管殼式換熱器的型號與系列標準</p><p>　　1）管殼式換熱器的基本參數(shù)和型號：</p><p>　?。?）基本參數(shù) 管殼式換熱器的基本參數(shù)包括以下幾項：</p><p>　?、俟Q換熱面積 ；②公稱直

32、徑 ；③公稱壓力 ；④換熱器管長度 ；</p><p>　　⑤換熱管規(guī)格；⑥管程數(shù) 。</p><p>　?。?）型號表示方法 管殼式換熱器的型號由五部分組成：</p><p>　　其中：1──換熱器代號，G代表固定管板式，F(xiàn)代表浮頭式；</p><p>　　2──公稱直徑DN，mm；</p><p>　　3──管程

33、數(shù)：ⅠⅡⅣⅥ；</p><p>　　4──公稱壓力PN，MPa；</p><p>　　5──公稱換熱面積SN，m2。</p><p>　　例如 800mm、 0.6MPa的單管程、換熱面積為110m2的固定管板式換熱器的型號為：</p><p>　　G800 I-0.6-110</p><p>　　2）管殼式換熱器的系

34、列標準</p><p>　　為了便于對管殼式換熱器進行選型，有關(guān)單位制訂了系列標準。附錄【2】中列入了固定管板式及浮頭式換熱器的部分系列標準，供設計時選用。</p><p>　　2、3、2 管殼式換熱器設計時應考慮的問題</p><p><b>　　1）流體流徑的選擇</b></p><p>　　選擇流程的一般原則：&l

35、t;/p><p>　　a.不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，因為管內(nèi)清洗比較方便。</p><p>　　b.腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼和管子同時受腐蝕，而且管子便于清洗和檢修。</p><p>　　c.壓強高的流體走管內(nèi)，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。</p><p>　　d.飽和蒸汽宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較干凈，它對清潔無要

36、求。</p><p>　　e.有毒氣體宜走管內(nèi)，使泄漏機會減少。</p><p>　　f.被冷卻的流體走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強冷卻效果。</p><p>　　g.度大的流體或流量較小的流體宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在Ｒｅ（Ｒｅ＞100）低值下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。</p><p&

37、gt;　　h.剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若兩流體的溫度差較大，對流傳熱系數(shù)較大者宜走管間，因壁面溫度與ａ大的流體溫度相近，可以減少熱應力。</p><p><b>　　2）流體流速的選擇</b></p><p>　　增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)。減少污垢在管子上沉積的可能，即降低了污垢熱阻，使傳熱系數(shù)增大，從而減少換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流動阻力增

38、大，動力消耗就增多，所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能確定。根據(jù)經(jīng)驗，表1、表2及表3列出一些工業(yè)上常用的流速范圍。</p><p>　　表1 管殼式換熱器中常用到的流速范圍</p><p>　　表2 管殼式換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度</p><p>　　表3 管殼式換熱器中不同黏度液體的常用流速</p><p>　　3）流體

39、兩端溫度的確定</p><p>　　若換熱器中冷、熱流體的溫度都有工藝條件所規(guī)定，就不存在確定流體兩端溫度的問題。換熱器冷熱流體兩端的溫度由工藝條件規(guī)定。但對加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)出口溫度需由設計者確定。設計中，冷卻水兩端溫差可取5℃—10℃。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。</p><p>　　4）管子的規(guī)格和排列方式</p><p>　　換熱

40、管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些。但對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應取大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過多。目前我國試行的系列標準規(guī)定采用∮25mm×2.5mm和∮19mm×2mm兩種規(guī)格的管子。</p><p>　　管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求的管子長度。實

41、際所取管長應根據(jù)出廠的鋼管長度合理截用。我過生產(chǎn)的鋼管長度多為6m、9m，故系列標準中管長有1.5、2.3、4.5、6和9 m六種，其中以3m和6m更為普遍。此外管長和管徑應相適應，一般取L/D為4～6（直徑小的換熱器可取大些）。</p><p><b>　　圖13 管子的排列</b></p><p>　　管子在管板上的排列方式有：正三角形排列、正方形直列、轉(zhuǎn)角正方形

42、排列，與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍流程度高，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，對易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45°安裝 （圖7），可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。</p><p>　　5）管程和殼程數(shù)的確定</p><p>　　當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系

43、數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導致管程流體阻力加大，增大動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設計時應考慮這些問題。管殼式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6等四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)大致相等。</p><p>　　管程數(shù)Np可按下式計算;</p><p>　　式中:  u——管程內(nèi)流體的適宜速度，m

44、/s;；</p><p>　　u1——管程內(nèi)流體的實際速度，m/s。</p><p>　　當時可采用多殼程，也可將幾個相同的換熱器串聯(lián)使用。</p><p>　　當殼方流體太低時，也可以采用殼方如殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程。但由于縱向隔板在安裝和檢修都有困難，故一般不采用殼程的換熱器，而是將幾個換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。<

45、;/p><p><b>　　6） 折流擋板</b></p><p>　　安裝折流擋板的目的是為了提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。為達到較好的傳熱效果，擋板的形狀和間距必須適當。對于圓缺形擋板，切去弓形的高度約為外殼內(nèi)徑的10%——40%；(一般20%——25%)，過高或過低都不利于傳熱。 </p><p>　　兩相鄰擋板的距離（板間距）h一般取換熱器外

46、徑D的0.2—1倍。固定管板式換熱器h有150mm、300mm、600mm三種。</p><p>　　浮頭式換熱器h有150mm、200mm、300mm、480mm、600mm五種。</p><p>　　板間距過小，不便于制造和檢修，流動阻力大。板間距過大，不能使流體垂直地流過管束，從而使管外表面的對流傳熱系數(shù)下降。</p><p>　　擋板切去的弓形高度及板間距對

47、流體流動的影響如圖8所示。</p><p>　　圖14 擋板缺口高度及擋板間距的影響</p><p><b>　　7）外殼直徑的確定</b></p><p>　　換熱器殼體的內(nèi)徑應等于或稍大與（對浮頭式換熱器而言）管板的直徑。根據(jù)計算出的實際管數(shù)、管徑、管中心距及管子排列方法等，可用做圖確定殼體的內(nèi)徑。但是，當管數(shù)機多又要反復計算時，做圖太麻煩

48、，一般在初步設計中，可先分別選定兩流體的流速，然后計算所需的管程和殼程的流通面積，于系列標準中查出外殼的直徑。待全部設計完成后，仍應用做圖法畫出管子的排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走“短流”，可以適當增減一些管子。</p><p>　　另外，初步設計中，可用下式估算殼體內(nèi)徑：</p><p>　　D=t(nc-1)+2b1</p><p>　　式中：D——殼體

49、內(nèi)徑,m;</p><p>　　t——管中心距,m;</p><p>　　nc——位于管束中心線上的管數(shù)。</p><p>　　b1————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b1=(1—1.5)do</p><p>　　管子按正方形排列時  </p><p>　　管子按三角形排列時 

50、 </p><p>　　n——換熱器的總管數(shù)。</p><p>　　計算得到的殼徑應按換熱器的系列標準進行圓整。標準尺寸見表4。</p><p><b>　　表4 殼體標準尺寸</b></p><p><b>　　8）主要附件</b></p><p>　　（1）封頭：封頭有方

51、形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體（一半小于400mm），圓形用語大直徑的殼體。</p><p>　?。?）沖擋板：為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料口裝設緩沖擋板。</p><p>　?。?）導流筒：殼程流體的進出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間，為了提高傳熱效果，常在管束外增設導流筒。</p><p>　?。?）放氣孔、排液孔：換熱器的殼體

52、上常安有放氣孔和排液孔，以除去不凝性氣體和冷凝液等。</p><p>　?。?）接管：換熱器中流體進出口的接管直徑按下式計算，即：</p><p>　　式中：Vs—流體的體積流量，㎡/s；</p><p>　　u-----接管中流體的流速，m/s。</p><p><b>　　流速u的經(jīng)驗值為：</b></p>

53、;<p>　　對液體 u=1.5～2m/s;</p><p>　　對蒸汽 u=20～50m/s</p><p>　　對氣體 u=(15～20)p/ρ(p為壓強，ρ為密度)</p><p><b>　　9）材料選用</b></p><p>　　換熱器材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。<

54、/p><p>　　金屬材料：碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅和鋁。非金屬材料：石墨、聚四氟乙烯、玻璃。不銹鋼和有色金屬材料抗腐蝕性能好，但價格相對較高。</p><p>　　10） 流體流動阻力（壓強降）的計算</p><p>　?。?）管程阻力：管程阻力可按一般摩擦力公式求的。對與多程換熱器，其阻力等于個程直管阻力，回彎阻力及進出阻力之和。一般進出阻力不算，故管程總阻力的計

55、算式為：</p><p>　　式中:——分別為直管及回彎管中流動阻力引起的壓強降。</p><p>　　Ft——結(jié)垢校正因數(shù)，對管徑為Ф25×2.5mm管子取1.4。對Ф19×2mm管子取1.5。</p><p><b>　　Np——管程數(shù)；</b></p><p>　　Ns——串聯(lián)的殼程數(shù)，即串聯(lián)的

56、換熱器數(shù)。</p><p><b>　　直管阻力:  </b></p><p><b>　　回彎管阻力  </b></p><p>　　殼程流動阻力：現(xiàn)已提出的計算公式多，但由于流體流動復雜，使所得結(jié)果相差很多，下面介紹埃索法計算殼程壓強的公式，即：</p><p>　　式中&#

57、160;      ----殼程總阻力引起的壓強降,Pa;</p><p>　　-----流體橫向通過管束的壓強降，Pa;</p><p>　　----流體通過折流板缺口處的壓強降，Pa;</p><p>　　Fs-----殼程結(jié)垢校正系數(shù)，液體取1.15，氣體取1.0;</p><p>&l

58、t;b>　　其中  </b></p><p>　　F——管子排列方式對壓強降的校正因數(shù)。</p><p>　　對正三角形排列    F=0.5；</p><p>　　正方形斜轉(zhuǎn)45度排列   F=0.4；</p><p>　　正方形直列  

59、 F=0.3；</p><p>　　----殼程流體摩擦系數(shù)，當Re?500時    </p><p>　　uo——按殼程最大流動截面積Ao計算的流速,m/s;</p><p>　　Ao=h(D-nodo);no——位于管束中心線的管子數(shù)</p><p><b>　　NB——折流板數(shù)

60、；</b></p><p>　　n——折流板間距，m。</p><p>　　一般來說，液體流經(jīng)換熱器的壓強降為0.1～1atm，氣體的為0.01～0.1atm。設計時，換熱器的工藝尺寸應在壓強降與傳熱面積之間予以平衡，使即能滿足工藝又經(jīng)濟合理。</p><p><b>　　第三章 操作要求</b></p><p&

61、gt;<b>　　3、1操作要求</b></p><p>　　1. 選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。</p><p>　　2. 管殼式換熱器的工藝計算和主要的工藝尺寸設計。</p><p>　　3. 設計結(jié)果概要或設計結(jié)果一覽表。</p><p>　　4. 設備簡圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）。</p>

62、<p>　　5. 對本設計的評述及有關(guān)問題的討論。</p><p>　　3、2管殼式換熱器的選用和設計計算步驟：[1](284,285)</p><p>　　3、2、1試算并初選設備規(guī)格</p><p>　　1）確定流體在換熱器中的流動途徑。</p><p>　　2）根據(jù)傳熱任務計算熱負荷。</p><p&g

63、t;　　3）確定利流體在換熱器兩端的溫度，選擇管殼式換熱器的形式；計算定性溫度，并確定在定性溫度下流體物性。</p><p>　　計算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應小于0.8的原則決定殼程數(shù)。</p><p>　　依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際情況選定總傳熱系數(shù)K值。</p><p>　　由總傳熱速率方程Q=KS△tm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器

64、的基本尺寸（如d、L、n及管子在管板上的排列等），或按系列標準選擇設備規(guī)格。</p><p>　　3、2、2 計算管程、殼程壓強降</p><p>　　根據(jù)初定的設備規(guī)格，計算管程、殼程流體的流速和壓強降，檢查計算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓強降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流擋板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓強降直至滿足要求為止。</p><p

65、>　　3、2、3核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計算總傳熱系數(shù)K'。比較K的初設値和計算值，若K'/K=1.15——1.25，則初選的換熱器合適，否則需另設K値，重復以上計算步驟。</p><p>　　第四章 物性參數(shù)及其選定</p><p><b>　　4、1 定性溫度&

66、lt;/b></p><p>　　冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為：35℃，根據(jù)前面的原則選定出口溫度為：45 ℃</p><p>　　則有： 煤油的定性溫度： ℃</p><p><b>　　水的定性溫度： ℃</b></p><p>　　根據(jù)[4]《化學工程手冊》.化工基礎數(shù)據(jù).化學工業(yè)出版社 分別查得在此條件

67、下煤油和水的物性為：</p><p><b>　　表5 物性參數(shù)</b></p><p><b>　　參數(shù)K的選定</b></p><p>　　由于在定性溫度下，高溫物體煤油（有機物）的黏度為0.91×10-3，介于（0.5～1）×10-3 Pa·s，低溫物體水，故總傳熱系數(shù)范圍為280～7

68、10W/（m2·K）[1](355)。</p><p><b>　　第五章 工藝計算</b></p><p>　　5、1試算和初選換熱器的規(guī)格</p><p>　　5、1、1 流體流動途徑：</p><p>　　采用逆流，因為逆流時的傳熱推動力優(yōu)于并流和其他流動形式。</p><p>　

69、　5、1、2 管程安排：</p><p>　　本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且水易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇循環(huán)水走換熱器的管程，煤油走殼程。</p><p>　　5、1、3 傳熱量Q：</p><p><b>　　冷卻水流量</b></p><p>　　5、1、4 兩流體的平均溫度差：</p&

70、gt;<p>　　暫按單殼程、多管程進行計算。逆流時平均溫度差為</p><p><b>　　而：</b></p><p>　　查圖4—19（a）[2]得：，符合要求,所以傳熱溫差的校正值為：</p><p>　　5、1、5 初選換熱器規(guī)格</p><p>　　根據(jù)冷熱流體在換熱器中有無相變及其物性等，假設

71、傳熱系數(shù)為，于是可求所需傳熱面積為：</p><p>　　由于，因此需考慮熱補償。兩流體溫度變化情況：熱流體煤油入口溫度140℃，出口溫度40℃；冷流體水入口溫度35℃，出口溫度45℃。t=(t1+t2)/2,t冷=(35+45)/2=40℃,t熱=(140+40)/2=90℃, t熱－t冷=90-40=50℃,溫差較大，但是允許的壓強降不大于0.1MPa，壓力偏低，故可以選用浮頭式換熱器。據(jù)此，由換熱器系列標準

72、（參見附錄）[2]中選定F700Ⅵ-4.0-105型換熱器，有關(guān)參數(shù)見表：</p><p>　　表6 換熱器的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　實際傳熱面積</b></p><p>　　若選擇該型號的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為</p><p>　　5、2 核算壓強降</p><p

73、>　　5、2、1 管程壓強降：</p><p><b>　　其中，，，</b></p><p>　　管程流通面積: </p><p><b>　　管程流速: </b></p><p><b>　　管內(nèi)雷諾數(shù)</b></p><p>　　取

74、管壁粗糙度，，查（夏清等.化工原理（上冊）.天津：天津大學出版社，2005 ）[2]圖1-27,由關(guān)系圖中查得：λ=0.032；所以</p><p><b>　　管程壓強降：</b></p><p><b>　　符合工藝要求；</b></p><p>　　5、2、2殼程壓強降：</p><p>&l

75、t;b>　　其中，，，</b></p><p>　　管子為正方形斜轉(zhuǎn)排列，</p><p>　　取折流擋板間距 </p><p><b>　　殼程流通面積： </b></p><p><b>　　殼程流速： </b></p><p>　　殼內(nèi)雷諾數(shù)：

76、 ﹥（湍流）</p><p>　　殼程流體摩擦因數(shù) </p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　計算表明，管程和殼程的壓強降都能滿足設計的要求。</p><p>　　5、3 核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　5、3、1 管程對流傳熱系數(shù)</p>

77、<p>　　5、3、2殼程對流傳熱系數(shù) </p><p>　　由式 計算</p><p>　　取換熱器列管之中心距。則流體通過管間最大截面積為</p><p>　　殼程中的煤油被冷卻，取。所以</p><p>　　5、3、3 污垢熱阻 </p><p>　　管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為</

78、p><p>　　5、3、4 總傳熱系數(shù) </p><p>　　管壁熱阻可忽略時，則總傳熱系數(shù)為</p><p>　　由前面的計算可知，選用該型號換熱器時要求過程的總傳熱系數(shù)為，在規(guī)定的流動條件下，計算出的Ke為353，故所選擇的換熱器是合適的。安全系數(shù)為:</p><p>　　（滿足要求，即在范圍之內(nèi)：10%～25%）；</p>&

79、lt;p>　?。▌t：Ke/ K=353/302=1.169,而實際范圍應為1.15～1.25，符合）。</p><p>　　第六章 設計結(jié)果一覽表</p><p><b>　　6、1 結(jié)果表</b></p><p><b>　　表7設計結(jié)果一覽表</b></p><p>　　6、2 管束的排列

80、簡圖</p><p>　　圖15 管子的排列方式</p><p>　　【注：本設計采用的是正方形斜轉(zhuǎn)45°，即第四個圖】</p><p>　　第七章 設備簡圖及工藝流程圖</p><p><b>　　圖16 設備簡圖</b></p><p>　　圖17 工藝流程圖</p&g

81、t;<p>　　主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，所以選定循環(huán)水走管程，煤油走殼程。如圖所示，煤油經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加水器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管A進入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進行換熱，煤油從140℃被冷卻至40℃之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從35℃變?yōu)?5℃，由接管B流出。</p><p><b>　　第八章 個人收獲&l

82、t;/b></p><p>　　在做此次課程設計時，我最大的收獲是對所學的內(nèi)容有了更進一步的理解：此次設計是根據(jù)任務書設計換熱器，首先要根據(jù)工藝參數(shù)查閱一些物性參數(shù)，然后根據(jù)工藝計算過程進行核算，在這過程中要考慮很多因素：例如說流體在換熱器中的流動途徑，計算中要時刻注意計算結(jié)果是否滿足工藝要求等等。通過此次設計，我加深了對換熱器的理解，同時也對所學知識有了進一步的認識，對自己專業(yè)也有了更深的認識，激發(fā)了自己

83、的興趣，讓自己對以后的工作多多少少有了一定的認識。</p><p>　　在設計中，我們應該時刻記住“三動”，即“動腦”、“動口”、“動手”，要多思考、多問人、多動筆?？傊?，在各方面，我收獲挺大。</p><p><b>　　8、4 結(jié)論</b></p><p>　　1）估算管程流速u=1.39m/s,在0.5～3m/s范圍內(nèi)，符合要求。<

84、/p><p>　　2）估算殼程流速u=0.21m/s,在0.2～1.5m/s范圍內(nèi)，符合要求。</p><p>　　3）換熱器的管長與殼徑之比L/D=4500/700=6.4，不在4～6范圍內(nèi)，不太符合要求。</p><p>　　5）管程壓強降=Pa﹤100000Pa,符合要求。</p><p>　　6）殼程壓強降=6949Pa﹤100000Pa

85、,符合要求。</p><p>　　7) Ke/ K=353/302=1.169,符合要求。</p><p>　　8）安全系數(shù)=16.9%，在10%～25%范圍內(nèi)，符合要求。</p><p><b>　　第九章 參考文獻</b></p><p><b>　　參考文獻： </b></p>

86、<p>　　[1] 夏清，陳貴常，姚玉英.化工原理（上冊）.天津：天津大學出版社，2005.1.</p><p>　　[2] 百度文庫.</p><p>　　[3] 阮奇，黃詩煌.化工原理優(yōu)化設計與解題指南.北京：化學工業(yè)出版社，2001.9.</p><p>　　[4] 編輯委員會編.化學工程手冊（第一篇）.化學工程出版社，1984.</p