化工原理課程設(shè)計說明書

中南大學(xué)化工原理課程設(shè)計題目設(shè)計說明書指導(dǎo)老師夏柳蔭學(xué)生姓名徐春波學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院學(xué)生學(xué)號1503070127專業(yè)班級制藥0701班2010年01月22日目錄TOC\o"1-5"\h\z一、 設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù)（任務(wù)書） 3二、 設(shè)計要求 3三、 列環(huán)式換熱器形式及特點的簡述 3四、 論述列管式換熱器形式的選擇及流體流動空間的選擇 8五、 換熱過程中的有關(guān)計算（熱負(fù)荷、殼層數(shù)、總傳熱系數(shù)、傳熱面積、壓強(qiáng)降等等） 10物性數(shù)據(jù)的確定 14總傳熱系數(shù)的計算 14傳熱面積的計算 16工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算 16換熱器的核算 18六、 設(shè)計結(jié)果概要表（主要設(shè)備尺寸、衡算結(jié)果等等） 22七、 主體設(shè)備計算及其說明 22八、 主體設(shè)備裝置圖的繪制 33九、 課程設(shè)計的收獲及感想 33十、附表及設(shè)計過程中主要符號說明 37十^一、參考文獻(xiàn) 40一、 設(shè)計題目及原始數(shù)據(jù)（任務(wù)書）1、 生產(chǎn)能力：17X104噸/年煤油2、 設(shè)備形式：列管式換熱器3、 設(shè)計條件：煤油：入口溫度140oC，出口溫度40oC冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30oC，出口溫度40oC允許壓強(qiáng)降：不大于105Pa每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行二、 設(shè)計要求1、 選擇適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算2、 要進(jìn)行工藝計算3、 要進(jìn)行主體設(shè)備的設(shè)計（主要設(shè)備尺寸、橫算結(jié)果等）4、 編寫設(shè)計任務(wù)書5、 進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)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(shè)備技術(shù)要求、主要參數(shù)、接管表、部件明細(xì)表、標(biāo)題欄。）三、 列環(huán)式換熱器形式及特點的簡述換熱器概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)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(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。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(zhì)上的區(qū)別。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(shè)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加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計制造結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及傳熱機(jī)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(zhì)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。表面式換熱器又稱間壁式換熱器。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壁面所隔開，熱流體和冷流體通過壁面進(jìn)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。管式換熱器是指由圓筒形殼體和裝配在殼體內(nèi)的帶有管板的管束所組成的管式換熱器。結(jié)構(gòu)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。套管式換熱器是指由管子制成管套管等構(gòu)件組成的管式換熱器。板式換熱器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(jìn)行密封。由于板片表面的特殊結(jié)構(gòu)，能使流體在低流速下發(fā)生強(qiáng)烈湍動，從而強(qiáng)化了傳熱過程。板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，傳熱系數(shù)高，適應(yīng)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。此種換熱器常用于供暖系統(tǒng)。板式換熱器計算時應(yīng)考慮換熱便面污垢的影響，傳熱系數(shù)計算時應(yīng)考慮污垢修正系數(shù)。其中列管式換熱器的應(yīng)用已經(jīng)有很悠久的歷史。現(xiàn)在，它作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。同時，管板式換熱器已成為高效、近臭的換熱設(shè)備，大齡的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。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。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(jié)構(gòu)特點是在殼體中設(shè)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(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)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)。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)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(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。圖1固定管板式換熱器固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較小；造價低；無內(nèi)漏。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管較多，比較緊湊；殼側(cè)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。固定管板式換熱器的缺點是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報廢，設(shè)備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場合。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(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。特點：該種換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價比固定管板式要高出約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(nèi)漏，且管束和殼體間隙較大，設(shè)計圖2.浮頭式換熱器時避免短路。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(jié)垢的場合。U型管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上。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(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能好；承壓能力強(qiáng)；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。但是管內(nèi)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。僅適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫高壓腐蝕性強(qiáng)的情形。圖3.U型管式換熱器填料函式換熱器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。特點為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會產(chǎn)生熱應(yīng)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。四、論述列管式換熱器形式的選擇及流體流動空間的選擇換熱器形式的選擇本次任務(wù)中兩流體的溫度變化：煤油熱流體進(jìn)口溫度為140°C，出口溫度為40C；冷卻介質(zhì)水的進(jìn)口溫度為30C，出口溫度為40C。該換熱器用自來水作冷卻介質(zhì)，受環(huán)境影響，進(jìn)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。流體流動空間的選擇在管殼式換熱器的計算中，首先要決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循一些一般原則。㈠宜于通入管內(nèi)空間的流體不清潔的流體：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)空間便于清洗；體積小的流體：管內(nèi)空間的流動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。有壓力的流體：管子承壓能力強(qiáng)，而且還簡化了殼體密封要求。與外界溫差大的流體：可以減少熱量的逸散。㈡宜于通入管間的流體當(dāng)兩流體溫度相差較大時，a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。若兩流體給熱性能相差較大時，a值霄的流體走管間，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。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(nèi)的大。泄漏后危險大的流體，可以減少泄露機(jī)會，以保安全。根據(jù)所查得的資料，不潔凈或易于結(jié)垢的物料應(yīng)流經(jīng)易于清洗的一側(cè)，對于直管一般走管內(nèi)；溫度較高的物料宜走管內(nèi)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(jié)垢，所以使水走管程，煤油走殼程。流體流速的選?。簱Q熱器常用流速的范圍如下表表一 換熱器常用流速的范圍介質(zhì)流速循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低粘度油高粘度油管程流速，m/s1.0-2.00.8-1.50.5-3>1.00.8-1.80.5-1.5殼程流速，m/s0.5-1.50.5-1.50.2-1.5>0.50.4-1.00.3-0.8由上表可得管內(nèi)循環(huán)水流速范圍為1m/s-2m/s,現(xiàn)取管內(nèi)流速1.0m/s。換熱管規(guī)格的選取換熱管規(guī)格及排列形式如下表所示表二 換熱管規(guī)格及排列形式換熱管外徑x壁厚（dxp排列形式管間距碳素鋼、低合金鋼1不銹耐酸鋼25X2.525X2正三角形3219X219X225選用巾25x2.5碳鋼管。五、過程中的有關(guān)計算（熱負(fù)荷、殼層數(shù)、總傳熱系數(shù)、傳熱面積、壓強(qiáng)降等等）列管式換熱器的設(shè)計計算設(shè)計步驟目前，我國已經(jīng)制訂了管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計中應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這樣可簡化設(shè)計和加工。但是實際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求而自行設(shè)計非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。兩者的設(shè)計計算步驟如下：非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般設(shè)計步驟i了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能。ii由熱平衡計算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。iii決定立體通入的空間。iv計算流體的定性溫度，一確定流體的物性數(shù)據(jù)。v初算有效平均溫差。一般先按照逆流計算，然后再校核。vi選取管徑和管內(nèi)流速。對計算傳熱系數(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。由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼頸、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，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。W初估傳熱面積?？紤]安全系數(shù)和初估性質(zhì)，因而常取實際傳熱面積是計算值的1.15-1.25倍。ix擇管長L。x計算管數(shù)N并校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。Xi校核對流傳熱系數(shù)及有效平均溫差；校核傳熱面積，應(yīng)有一定安全系數(shù)，否則需要重新設(shè)計。Xii計算流體流動阻力。如果阻力超過允許范圍，需要調(diào)整設(shè)計，直至滿意為止。系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器選用的設(shè)計步驟i至v與1相同。ii選取經(jīng)驗的傳熱系數(shù)K值。iii計算傳熱面積。iv由系列標(biāo)準(zhǔn)選取換熱器的基本參數(shù)。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(jīng)驗值相差不大，就不再進(jìn)行校核；如果相差較大，則需重新假設(shè)K值并重復(fù)上述ii一下步驟。vi校核有效平均溫差。對校核傳熱面積，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(shè)計。v頁計算流體流動阻力，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。由此可知，換熱器的傳熱設(shè)計，實際上是一個反復(fù)試算的過程，有時需要反復(fù)試算2-3次。所以換熱器設(shè)計計算帶有試差性質(zhì)。傳熱計算的主要公式傳熱速率方程式Q=KSAtm式中Q一傳熱速率(熱負(fù)荷)，W；K一總傳熱系數(shù)，W/(m2?°C)；S—與K值對應(yīng)的傳熱面積，m2；Atm—平均溫度差，C。傳熱速率(熱負(fù)荷)Q傳熱的冷熱流體均沒有相變化，且忽略熱損失，則Q=Wc(TT)=Wc(t-t)hph1- 2hph12式中W---流體的質(zhì)量流量，kg/h；cph--定壓比熱容，kJ/(kg?C)；

T—熱流體的溫度，°C；t一冷流體的溫度，C；流體有相變化時，則Q=WA%婦2）式中W—飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h；r一飽和蒸汽的汽化熱，/kg/kJ。平均溫度差△tm恒傳熱時的平均溫度差^tm=T-t變溫傳熱的溫度差A(yù)_AA_At-AtAt2At_At1-At,mAt、——ln>2At2AL<2At2式中At1.At2換熱器兩端熱冷流體的溫度差，C。錯流和折流設(shè)計過程中的具體計算:式中At」一按逆流計算的平均溫度差，C

中At—溫差校正系數(shù)，無量綱，氣=f（P,R）總傳熱系數(shù)K式中K—總傳熱系數(shù)，W/(m2?°C)；%a。一傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)，W/(m2?C)；Rsi，Rs0—傳熱管內(nèi)外側(cè)表面上的污垢熱阻，m2?C/W；d，4,dn—傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m；入一傳熱管比導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2?C)；b一管壁厚度，m。物性數(shù)據(jù)的確定：定性度取流體進(jìn)口溫度平均值殼程煤油的定性度：T=140+40=90C2管程流體的定性溫度：t=30+40=35C2根據(jù)定性溫度，可以查取管程和殼程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在90C下的物性數(shù)據(jù)：密度：P°=825kg/m3定壓比熱容：cp「2.22kj/(kg?C)導(dǎo)熱系數(shù)：入。=0.140W/(m2?C)粘度：u°=0.000715Pa?s循環(huán)冷卻水在35C下的物性數(shù)據(jù)：密度：P994kg/m3i=定壓比熱容：c=4.08kJ/(kg?C)導(dǎo)熱系數(shù)：入|=0.626W/(m2?C)粘度：u「0.000725Pa?s總傳熱系數(shù)的計算熱流量：mo=17x104x103/(330x24)=2?15X104(kg/h)Qo=m0CoAto=2.15X104X2.2X(140-40)=4.773X106kJ/h=1325.8kw平均傳熱系數(shù)：△t：=(At1-At2)/ln(At1/At2)=[(140-40)-(40-30)]/ln[(140-40)/(40-30)]=39(°C)3?冷卻水用量：Wi=Q0/(CiAti)=4.773X106/[4.08x(40-30)]=1.175X105kg/h4.總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)些X1.0X994=27420.697.25x10-4=4805.2W/(m2?°c)a知r加=4805.2W/(m2?°c)殼程傳熱系數(shù)a0=290W/(m2?C)污垢熱阻表二流體的污垢熱阻流體的污垢熱阻加熱流體的溫度，C小于115115-205水的溫度，C小于25大于25水的流速，m/s小于1.0，大于1.0小于1.0，大于1.0污垢熱阻，m2.C/W海水0.8598X10-25x10-3 0.0252.5x10-3x25x10-3 0.0252.5x10-3x25x10-3+3.44x10-4x+4805.2x0.02 0.02 45.3x22.5x10-3=228.75(W/(m2?K))傳熱面積的計算（一Q 1325.8x103J=%= =148.6（m2）KAt 233.67x39又需要考慮15%的面積裕度S=1.15X148.6=170.89（m2）工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算選用的是巾25X2.5的傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.0m/s管程數(shù)和傳熱管數(shù)由傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)1.7197X10-4自來水，井水，鍋爐軟水1.7197X10-43.4394X10-4蒸餾水0.8598X10-40.8598X10-4硬水5.1590X10-48.5980X10-4河水5.1590X10-43.4394X10-4由上表可得:R「0.000344m2°C/WR°=0.000172m2C/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)入=45.3W/(m?C)1K= 1

+1.72x10-4+-

290d*rd*b-d*r*1a?d1

+1.72x10-4+-

290v 1.175x105/(994x3600)n = w104s兀a 0.785x0.022x1.0一d.2u41170.89按單程關(guān)計算所需傳熱管的長度170.89L=-^= =18.2<m)兀dons3.14x0.025x104單程管計算，傳熱管過長，采用多管程結(jié)構(gòu)。取l=4.5m，則換熱器的程數(shù)為N=L=竺pl4.5傳熱管總根數(shù)N=4X104-416(根)平均傳熱溫差及校正殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)R-140-40-1040—30P-40—30-0.091140—30按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表可得巾At-0.82平均傳熱溫差A(yù)t「巾小頊=o,82X39-32(°C)傳熱管的排列和分程方法采用組合排列方法，即每程內(nèi)均按正三角形排列。取管心距t-1.25d0,則t-1.25X25-31.25^32(mm)橫過管束中心線的管數(shù)n「1.19應(yīng)-1.19應(yīng)T-24(根)殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05t(N/門=1.05x32^416/0.7=819,取d為800折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去圓缺高度h=0.25X800=200(mm)取折流板間距B=0.3D,則B=0.3X800=240(mm)，可以取B為300mm。折流板數(shù)3傳熱管長-1=4500一1=14(塊)B折流板間距300折流板圓缺面水平裝配。接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑_：4^_;4x2.15x10000/(3600x825^0096

d=\：血_\： 3.14x1.0 =.m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為■4F .'4x1.17x100000(360(X994)八、〃d=， =0.167d=m、：兀u 3.14x1.5取標(biāo)準(zhǔn)管徑為160mm。換熱器的核算1.殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺型折流板，課采用克恩公式

%=°.36袈?！銢_%=°.36袈?！銢_(||、0.14侶1當(dāng)量直徑，有正三角形排列的4?2—gd2 4島032-0.785<0.0252 40J【2 ―d= L= L=0.020m)殼程流通截面積X=BD[1-氣)=0.3x0.8f1-0.0251=0.0525(m2)0 "t) " 0.032)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為0.0525u0=三X104(3600X竺=0.138(m/s)0.0525R=0.02X①138X825=3184.6e00.000175普蘭特準(zhǔn)數(shù)0.140pr=2.22X104715X10一6=11.330.140粘度校正.0.14 . -a「=0.36X—X3184.60.55X11.33/3x0.95=478.10 0.02管程對流傳熱系數(shù)a.=0.23土R0.8P0.41 d.er1管程流通截面積S.=0.785X0.022416=0.032656I 4管程流體流速及其雷諾數(shù)1.17x105/(3600x994)/u1==1.01m/s0.032656Re=°.02XL01X994=276950.000725普蘭特準(zhǔn)數(shù)4.18x103x0.000725 .睥pr==4.840.626a.=0.023<12：626<27695.8x4.8^0.4=4843.20.023.傳熱系數(shù)K=—d o——a.-d1+RA+*+RH

sidX-dsoa1m °125x10-3 0.0252.5x10-3x25x10-3 1+3.44x10-4x++1.72x10-4+4843.2x0.02 0.02 45.3x22.5x10-3 478.1=330.67(W/(m2?K))4.傳熱面積QQ1325.8x103S=—= =125.3m2KAtm330.67x32該換熱器的實際傳熱面積差=兀d0￡(N-n)=3.14<0.025<4.5x016-2)=138.47m由前面所得D=800,B=300，且取管長l為4.5m時，查國標(biāo)得換熱器實際傳熱面積Sp應(yīng)為148.5m2，則該換熱器的面積裕度為H=SP-Sx100%=148,5~125,3<100%=18.52%S 125.3換熱器內(nèi)流動阻力1.管程流動阻力APi=JP1+aP2)FtNSNPNS=1,NP=4,Ft=1.4P=*1空，P=。既A1id2A2 2由Re=27695,傳熱管相對粗糙度為0.005，查莫狄圖得*i=0.031W/(m?°C),流速u=0.9977m/s,P=994kg/m3Lpu2 6 994x0.99772AP=*-—寸=0.031x———x 2 =4600.9(pa)ipu2 994x0.99772AP=&~=3x 2 =1484.1(pa)ZAP=(4600.9+1484.1)x1.4x4x2=68152<105pai管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)，小于105七。2.殼程流動阻力￡ap°=@1土?2原虬Ns=1,Ft=1.15流體流經(jīng)管束的阻力PJ=FfnN+1)p叩A(chǔ)1 0cB 2F=0.5,nc=24f=5R-0.228=5x3184.60.228=0.7950 e0*=14,u0=0.138AP1J=0.5x0.795<24x（14+1>0.13；，825=1124.【Pa）流體流過折流板缺口的阻力2Bpu2APJ=N35-"十B=0.3m,D=0.8m月=14x(3.5-^)825'0.13&=302(P)A2 0.8 2 a總阻力￡aP0=(1124.1+302.4)=1426(P)殼程流動阻力也小于105Pa，符合要求。六、設(shè)計結(jié)果概要表(主要設(shè)備尺寸及衡算結(jié)果)計算結(jié)果表換熱器類型：固定管板式換熱面積：148.5m 2名稱管程殼程物料名稱自來水煤油操作壓力Kpa41操作溫度，°C30/4040/140流量，kg/h1.17X10 52.15X10 4流體密度，kg/m 3994825流速，m/s1.010.138傳熱量，kw1325.8總傳熱系數(shù)，W/m 2.K330.67對流傳熱系數(shù)，W/m 2.K4843.2478.1污垢系數(shù)，m 2.K/W0.0003440.000172阻力降，Pa31712.41426.5程數(shù)41使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格：^25X2.5官數(shù)：416官長：450mm管間距：32mm排列方式：正三角形折流板形式：上下間距：300mm切口高度：25%殼體內(nèi)徑：800mm七、主體設(shè)備計算及其說明

1.工藝條件名稱管程殼程物料名稱自來水煤油工作壓力0.1Mpa0.1Mpa定性溫度35°C90C換熱面積157.2m2管長4.5m2.封頭的選擇上下兩封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4737-2002標(biāo)準(zhǔn)，封頭為：DN600x6,曲面高度七=150mm,直邊高度七=40mm.。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。管板尺寸確定管板結(jié)構(gòu)如下：

由于固定管板式換熱器管板計算十分復(fù)雜，需要綜合考慮多種因素，考慮到本次設(shè)計時間并不太充裕，故計算從略，僅采用下表選取。 表 管板尺寸jmmr3g；MPaMJ'aJJ*Os風(fēng)M,k,Ac涅帖心4&■傾-ISO4神12,5ItlM162Q44蜀:，■?壬530頌447467454112.5IflMth2130t405的5WIJ55何542煩12.5云、NQO2(；nil叫6UU瀕成5w：心GiK)12.S23M2!)：.i324TOG場7557427IJ012.523M-<'323242WU93?890S55而切；SUL：14.S豐M204。1Q30楣5JJ*J7942響14-5JJM2D■IK46S61碩J]加iUt>W71心［網(wǎng)14.S21M2944LG],011i'llL26JJ：2151176H：9?110C14527M24561200136(11315J27611971空116.Sh心期%6fi]y.:i]46(1J376LS13531：4；中36,527wyut.'iw1453I4A016-527M2&J46SISOO1W16151576N9715531500?:打w.；捋F.Rlf.SL7WE51676w"1】碩IS527M2-527S1700I.Winn1W71753J7TI0成527M245678D.'l/J呻191518761797ISS.11SM)Lh?*w?n項:口訥8I跖jE卯31W01H.5wM275b朋7&200fl2195bZ14O20Wl網(wǎng)7如5m心330MXW6676換熱管的選擇選用的是巾25X2.5的碳鋼管，通過上述計算定為四管程結(jié)構(gòu)，且公稱直徑D=800mm。換熱管排列圖如下：1IKIV骨箱扣宜袖魏JtfFWfcS我們計算所用換熱管數(shù)為416根。管板與管子連接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(zhì)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(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的升高，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用，所以脹接結(jié)構(gòu)受到壓力和溫度的限制，一般適用于設(shè)計壓力W4Mpa，設(shè)計溫度W300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(yīng)力腐蝕；焊接連接具有生產(chǎn)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(yīng)優(yōu)先采用。此外，當(dāng)介質(zhì)毒性很大，介質(zhì)和大氣混合易發(fā)生爆炸介質(zhì)有放射性或管內(nèi)外物料混合會產(chǎn)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(yīng)力腐蝕，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(yīng)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(dāng)受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕時，以會加速接頭的損壞。因此，就產(chǎn)生了焊接和脹接同時使用的方法。這樣不但能提高接頭的抗疲勞性能，同時可以降低縫隙腐蝕傾向，因而其使用壽命比單用焊接時長的多。在什么場合下適宜施行焊、脹接并用的方法，目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。通常在溫度不太高而壓力很高或介質(zhì)極易滲漏時，采用強(qiáng)度脹加密封焊（密封焊是指單純防止?jié)B漏而施行的焊接，并不保證強(qiáng)度）。當(dāng)在壓力和溫度都很高的情況下，則采用強(qiáng)度焊加貼脹，（強(qiáng)度焊是即使焊縫有嚴(yán)密性，又能保證接頭具有較大的拉脫力，通常是指焊縫強(qiáng)度等于管子軸向負(fù)荷下的強(qiáng)度時的焊接）。貼脹的作用主要是消除縫隙腐蝕和提高焊縫的抗疲勞性能。由于本換熱器的工作壓力為低壓，且為低溫操作，綜合考慮各種連接工藝的優(yōu)缺點及使用范圍最終確定采用焊接法，在焊接法連接管子與管板時，管板的硬度應(yīng)該大于管子硬度，以保證在焊接時，管子發(fā)生塑性形變時，管板僅發(fā)生彈性形變。通常管子材料選用10、20優(yōu)質(zhì)碳鋼，管板采用25、35、Q225或低合金鋼16Mn、Cr5Mo等。結(jié)合本次設(shè)計，管板采用16MnR。管箱的選擇DNW400mm為平蓋管箱；500mmWDNW800mm為平蓋管箱和封頭管箱，推薦使用封頭管箱；DNN900mm，選擇封頭管箱。（1）管箱接管位置最小尺寸，如圖所示。

可按下列公式計算:帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管+Cmm不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管-9+hf可按下列公式計算:帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管+Cmm不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管-9+hf+Cmm上面兩式中取CN4S(S為管箱殼體厚度，mm)且N30mm。(2)殼程接管位置最小尺寸，如下圖。闋克后接骨段置按下列公式計算:帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管L1>#+(b-4)+C不帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管L1.+(b-4)+CL1/L廠-----殼程管箱接管位置最小尺寸，mm；C 補(bǔ)強(qiáng)圈外邊緣(無補(bǔ)強(qiáng)圈時，為管外壁)至管板(或法蘭)與殼體鏈接焊縫間的距離，mm；dH 接管外徑，mm；DH 補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm。3.折流板間距S 補(bǔ)強(qiáng)圈外圓直徑，mm。換熱器折流板間距S見下表表三折流板間距L，mDNS3W700100150200/////4.5W700100150200/////800-1200150200250300/450或48()/6400-1100150200250300350450或48()/1200-1800/200250300350450或48()/91200-1800///3003504506007.定距管根據(jù)GB/T8163-2008流體輸送用無縫鋼管，采用①25X2.5的定距管。常用拉桿有兩種形式，見下圖。a、拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束;b、 拉桿與折流板為點焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，l1Nd；c、 當(dāng)官板較薄時，也可采用其他鏈接形式。本換熱器采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。6.拉桿的選擇及數(shù)量常用的拉桿結(jié)構(gòu)有：拉桿定居管結(jié)構(gòu)與拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)。查換熱器手冊可得下表：表四拉桿的直徑和數(shù)量公稱直徑159-325400-600700-800900-12001300-15001600-1700拉桿直徑81012121212拉桿數(shù)量468101214由公稱直徑可以確定拉桿直徑為12。支座的選取公稱直徑DN800mm的換熱器，至少需要兩個支座；公稱直徑DN900mm的換熱器，需要四個支座。支座在換熱器上的位置，應(yīng)根據(jù)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。(1)LW30000mm時，取L=(0.4-0.6)L;AL〉30000mm時，取L=(0.5-0.7)L;A

且Lb^l)b。(2)Lb必須滿足殼程接管焊縫與支座焊縫間之距離要求，即L2L+ Fb+c式中：bc式中：bc的數(shù)值，按JB1167-81中的B型，其值如下表表五bc的數(shù)值表Dp159219273325400450500600700800900bc68105Dg10001100120013001400150016001700180019002000b105175單位：mm所查手冊按La急0.6L，并使Lb滿足上式的要求來確定La和Lb。計算每四根管子之間的面積f：f=0.866t2-L-d24 0貝f=3.959X10-4。脹接長度11取管板厚度減3mm，即L=40-3=37mm。所以在操作條件下，每平方米焊接周邊所產(chǎn)生的力qp則q=—p兀?d-1所以qp=13641Pa計算管子中的溫差應(yīng)力A、A:at=0.078m2Af?D?Ssas=0.025m2彈性模量E：E=0.21X1O6Mpa；膨脹系數(shù)k：k=11.8X10-6所以有:K?E.(t-t)°二t— t s1人1+__LAs代入數(shù)據(jù)有：°t=6.616X1O6Pa溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米焊接周邊上的拉脫力0,：t:°?2-d2)0=_t 0 1_t 4?d0?11所以01=1488.604Pa由已知條件可知0p和0t作用方向相同，都是管子受壓，則和拉脫力為：q=0p+01q==15129.6因管端卷邊或管板開槽焊接，則需用拉脫力為［0p］=4.0Mpa,管板與換熱管的許用拉脫力［0p］如下表表六許用拉脫力［0p］連接形式脹接焊接[400.5°t因此拉脫力在需用范圍之內(nèi)。殼體厚度的確定計算得殼體內(nèi)徑D=800mm，差標(biāo)準(zhǔn)尺寸如下表七殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體內(nèi)徑/mm325400，500，600，700800,900,10001100,1200最小壁厚/mm8101214殼體厚度選用12mm。計算是否需要安裝膨脹節(jié)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(jìn)行補(bǔ)償，以此來消除或減小不利的溫差應(yīng)力。管、殼壁溫差所產(chǎn)生的軸向力:vE(t-t)F1=k? ?;sAsatS tF1=2.817X105N(D2-n?d2)+n?(d-2?S》?P

0 0Q2=2.94X104N壓力作用于殼體上的軸向力:F=Q2?〃$2A,+At

F2=6.02X1O3N

壓力作用于管子上的軸向力：F=Q2.A$3氣+一tF3=3.129X104N所以.=F+Ls~~A~S

b= ?s2.1X107N-F+Fa= 1 3tAtat-6.35552.1X10-6N根據(jù)《鋼制管殼式換熱器的設(shè)計規(guī)定》，兩項小于操作條件下的2?[b]/，故本設(shè)計的換熱器不需要安裝膨脹節(jié)。通過對主題設(shè)備進(jìn)行的計算，有國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選取各個零部件的到匹配表如下.切法蘭、墊片、螺柱、蜩材料匹配表1片ft類非金屬GB/T539鼬石相橡>-20~2001片ft類非金屬GB/T539鼬石相橡>-20~200軟墊片GB/T3985石酬版>-20-350類型法蘭材料適用溫度OGB/T3274Q235-A、B、C0-350匹配E右列：溜板材GB6654M■:機(jī)傾匹配Ptffi適用雕范圍弋可選配右列燃柱驟母材料GB/T700Q235-AGB/T700Q235-A>-20-300GB/T69935Q235-A>-20-300GB/T69925>-20-350-20*450通過以上設(shè)計，根據(jù)GB/T539，選用耐油石棉橡膠板作為墊片。八、 主題裝置圖的繪制（見A1圖紙）九、 附表及設(shè)計過程中主要符號說明;表九列管式換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗值熱流體冷流體傳熱系數(shù)W/（m2?，c）水水850-1700輕油水340-910重油水60-280氣體水17-280水蒸汽冷凝水1420-4250水蒸汽冷凝氣體30-300低沸點烴類蒸汽冷凝水455-1140高沸點烴類蒸汽冷凝水60-170水蒸汽冷凝水沸騰2000-4250水蒸汽冷凝輕油沸騰455-1020水蒸汽冷凝重油沸騰140-425表十 常見流體污垢熱阻流體Rsm2?C/kW流體Rsm2?C/kW水（＞50°C）水蒸氣蒸餾水0.09優(yōu)質(zhì)不含油0.052海水0