化工原理課程設(shè)計(jì)

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4.2.4傳熱管的排列和分程方法

采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點(diǎn)為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)遇少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高，一致的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》P46，表2-3管間距，取管間距：t＝32mm。

由《化工原理上冊(cè)》P278，公式4-123，得橫過(guò)管束中心線的管數(shù)為

ne?1.1n=1.1×126≈13根

由《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P67，公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離

S=t/2+6=32/2+6=22mm

取各程相鄰管的管心距為44mm。

4.2.5殼體內(nèi)徑

采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，由《流體力學(xué)與傳熱》P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為

Di=1.05tn/?=1.05×32×126/0.7=450.8mm,查閱《化工原理（上）》P275，附錄二十三：熱交換器，取Di=450mm。

4.2.6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%，則切去的圓缺高度為h=0.25×450=112.5mm，故可取h=110mm。

取折流板間距B=0.4Di，則B=0.4×450=180mm。取板間距H＝150mm，則：

折流板數(shù)NB=

3000傳熱管長(zhǎng)－1=－1=19塊

150折流板間距折流板圓缺面水平裝配。

4.3換熱器主要傳熱參數(shù)核算

4.3.1熱量核算

(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)

對(duì)于圓缺形折流板，可采用克恩公式。由《流體力學(xué)與傳熱》P164，公式4-60、4-61，得

ho=0.36其中：

λoμRe0.55Pr1/3(o)0.14deμw第6頁(yè)共24頁(yè)

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①當(dāng)水做冷卻劑時(shí)，粘度校正為(μo0.14)=1.05μw②當(dāng)量直徑，管子為正三角形排列時(shí)，依《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P72，公式3-22得

4(de＝

32π2t?do)24πdo3π?0.0322??0.0252)24＝0.0202m

3.14?0.025do0.0252

)=0.15×0.45×（1－）＝0.0148mt0.0324(＝

③殼程流通截面積，由《流體力學(xué)與傳熱》P164，公式4-62，得

So=BD(1－

④殼程冷卻水的流速及其雷諾數(shù)分別為

uo＝

Vo20620/(3600?996.0)

=＝0.389m/s

0.0148Soρouode996.0?0.389?0.0202＝＝9532.73

0.000821μoReo＝

⑤普朗特準(zhǔn)數(shù)（P26，公式1-43）

Pr＝

cpo?o?o=

4175?0.000821=57.03

0.0601因此，殼程水的傳熱膜系數(shù)ho為

ho=0.36?0.601?9532.730.55?57.031/3?1.050.14

0.02023

=6408.1W/(m·℃)

(2)管程對(duì)流傳熱系數(shù)

由《流體力學(xué)與傳熱》P158，公式4-52a、4-52b，得

hi=0.023RePr

其中：

①管程流通截面積

Si=

0.8

0.3

?idi?di2n3.14?0.022126?=424?2=0.0198m

2

②管程空氣的流速及其雷諾數(shù)分別為

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ui＝

Vi6439.14/(3600?11.36)

=＝7.95m/s

0.0198Siρiuidi11.36?7.95?0.024

＝＝8.3236910?2.17?10?5μiRe＝

③普蘭特準(zhǔn)數(shù)

Pr＝

cpi?i?i1009?2.17?10?5==0.691

0.03170.03172

=281.74W/(m·℃)0.02因此，管程空氣的傳熱膜系數(shù)hi為

hi=0.023×83236.9×0.691×

(3)基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)Ki查閱《化工原理（上）》P365，附錄22，得

2-1

?冷卻水側(cè)的熱阻Rso＝0.000172m·℃·W

2-1

?熱空氣側(cè)的熱阻Rsi＝0.000344m·℃·W

-1-1

?鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ＝45W·m·℃

因此，依《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P71，公式3-21

0.8

0.3

bdidd11＝＋Rsi＋＋i＋RsoiKihi?dmhododo＝

10.0025?0.020.02＋0.000344＋＋

281.7445?0.02256408.1?0.0250.02＋0.000172×

0.0252

解得：Ki＝237.80W/(m·℃)

此計(jì)算值與前面的初設(shè)值Ki=200W/(m·℃)的關(guān)系：

‘

2

Ki237.80==1.189200Ki'‘

滿足換熱器設(shè)計(jì)所要求的Ki/Ki=1.15~1.25的范圍，初選的換熱器適合。(4)傳熱面積

依《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P75，公式3-35：Qi＝KiSi△tm得：

Si＝Qi/(Ki△tm)＝191300/（237.80×51.26）＝15.69m

2

該換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp

Sp=?diln=3.14×0.02×3×126=23.74m

2

依《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P76，公式3-36

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該換熱器的面積裕度為

H?Sp?SiSi?100%=

23.74?15.69?100%=22.74%

15.69傳熱面積裕度超出要求的15%～20%的范圍，故需減少管數(shù)，取管數(shù)n=100,則實(shí)際傳熱面積

Sp=?diln=3.14×0.02×3×100＝18.84m

面積裕度為

2

H?Sp?SiSi?100%=

18.84?15.69?100%=17.84%

15.69處于要求的15%～20%的范圍內(nèi)，該換熱器符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

4.3.2壁溫核算

因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P77，公式3-42計(jì)算。該換熱器用自來(lái)水作為冷卻水，設(shè)定冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為33℃來(lái)計(jì)算傳熱管壁溫。由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作早期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮。因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是按式3-42有

tw?Tm/hc?tm/hh

1/hc?1/hh式中，液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度Tm分別按《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P77，公式3-44、3-45計(jì)算

tm=0.4×33+0.6×25=28.2℃Tm=0.5×（148+42）=95℃

2

hc=ho=6408.10W/(m·℃)

2

hh=hi=281.74W/(m·℃)

傳熱管平均壁溫

tw?95/6408.10?28.2/281.74=31.0℃

1/6408.10?1/281.74殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=28.2℃

殼體壁溫柔傳熱管壁溫之差為

△t=31.0－28.2=2.8℃該溫差不大，故不需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。

4.3.3換熱器內(nèi)流體的滾動(dòng)阻力(壓降)

(1)管程滾動(dòng)阻力

依《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》P78，公式3-47～3-49可得

5

管內(nèi)流體：Re=83236.9空氣壓縮機(jī)后冷卻器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

五、主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型

5.1

一、設(shè)計(jì)任務(wù)1

殼體

5.1.1殼體直徑

根據(jù)前面的工藝計(jì)算，本次設(shè)計(jì)采用的換熱器殼體內(nèi)徑Di＝450mm。

查閱《結(jié)構(gòu)與零部件（上）》P123，表1-1-86的無(wú)縫鋼管制作筒體時(shí)容器的公稱直徑，本次采用公稱直徑為DN＝450mm×8mm的殼體，則Do＝466mm，Di＝450mm。

5.1.2殼體壁厚

查閱《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》P126，表9-3，采用Q235-A.F鋼板(GB3274)，其中鋼密度

3

＝7850kg·m

由Po＝0.3MPa，Di＝500mm，再查閱《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》P124，表9-6,對(duì)殼體與管板采用單面焊，當(dāng)全部無(wú)損探傷時(shí)，焊接接頭系數(shù)?＝0.9。

查閱《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》P124，表9-4碳素鋼、普通低合金鋼板許用應(yīng)力，得：t

]=113MPa，σs＝235MPa

[???PoDi0.3?0.45＝≈0.66(mm)2?113?0.9?0.32[?]t??Po查閱《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》P127，表9-10鋼板厚度負(fù)偏差，取C1＝0.8mm，C2＝1mm。

圓整后：δn=0.66+0.8+1＋△≈8(mm)

5.1.3水壓校核

由《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》P193，公式（4-88），（4-89），得：

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?T?pT[Di?(?n?C)]

2(?n?C)1.25?0.4?[0.45?(0.008?0.001?0.0008)]

2?(0.008?0.001?0.0008)?＝18.15MPa

而0.9φσs=0.9×0.9×235=190.35MPa

由于?T空氣壓縮機(jī)后冷卻器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

查閱《材料與零部件（上》P655表2-8-1，伸出高度＝150mm。

接納質(zhì)量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850=2.57kg

進(jìn)氣口采用凹法蘭，出氣口采用凸法蘭。查閱《材料與零件》P380，表2-2-19，法蘭的直徑＝260mm，厚度b=12mm，螺栓孔間距D1＝225mm，D2=202mm，孔直徑＝18mm。法蘭重量：凹法蘭＝2.18kg，凸法蘭=2.75kg，螺栓規(guī)格：M16，數(shù)量為8。

6.2排氣、排液管

查表《材料與零部件》P123無(wú)縫鋼管（YB231-70），取排氣液管：外徑＝45mm，管厚＝3.5mm，伸出高度＝80mm。

質(zhì)量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。查閱《材料與零部件》P384，表2-2-23，配套法蘭：選用凸法蘭，dH=45mm，厚度b=20mm，D=145mm，D1=110mm，D2=88mm，質(zhì)量m＝2.34kg。

6.3支座設(shè)計(jì)

6.3.1支座的設(shè)計(jì)選型

查《材料與零部件（上）》P627-628，表2-7-1鞍式支座尺寸，當(dāng)公稱直徑＝450mm時(shí)，b1=160mm,L=420mm,B=120mm，b=90mm，m=200mm，質(zhì)量=13.6kg，A＝0.2×3=0.6m，支座間距＝3000－2×5－2×600=1790mm。

6.3.2支座承載能力校核

（1）換熱器的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)于下表：

序號(hào)1234567891011121314151617各零部件殼體管板殼程接納殼程接納法蘭管程接納管程接納法蘭排氣液管排氣液管法蘭隔板封頭封頭法蘭傳熱管拉桿定距管L’1L’2折流板管箱管箱法蘭數(shù)量（YB231-70）22222221211002/2221911第16頁(yè)共24頁(yè)

單件重量/kg263.1746.391.91凹3.08/凸4.842.57凹4.36/凸5.50.292.3414.8416.6017.804.169.24/8.787.687.412.4823.0717.80重量/kg263.1792.783.827.925.149.860.584.6814.8433.217.8041618.0215.0947.1323.0717.80

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18支座213.61018.127.2換熱器總重量/kg

（2）傳熱管和拉桿所占的體積粗略為：

23

V2＝3.14×（0.025/2）×2.914×104=0.149m殼體體積為：

23

V1＝3.14×（0.450/2）×2.914＝0.463m忽略隔板體積，水充滿整個(gè)換熱器時(shí)的總重為：

M總=1018.1+（0.463-0.149）×996.0＝1330.84kg。小于該鞍式支座的最大載荷14噸。

（3）殼體剛度校核已知公式：

?qx?x?A????qLQ(x)???qx?A?x?L?A?和

?