列管式換熱器設(shè)計(jì)

PAGEPAGE化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)列管式換熱器設(shè)計(jì)PAGE11-學(xué)生姓名：專(zhuān)業(yè)：過(guò)程裝備與控制工程學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院二〇一四年六月

題目：列管式換熱器課程設(shè)計(jì)1．設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件某生產(chǎn)過(guò)程的流程如圖3-20所示。反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110℃進(jìn)一步冷卻至60℃之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶性組分。已知混合氣體的流量為223600，壓力為6.9，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4，循環(huán)水的入口溫度為29℃，出口的溫度為39℃，試設(shè)計(jì)一列管式換熱器，完成生產(chǎn)任務(wù)。2.完成內(nèi)容：說(shuō)明書(shū)一份、工藝設(shè)計(jì)條件圖A1圖一張。說(shuō)明書(shū)包括：封面、任務(wù)書(shū)、目錄設(shè)計(jì)方案、工藝計(jì)算、參考文獻(xiàn)。目錄一．緒論………………--4-1.換熱器的分類(lèi)…………-4-2.間壁式換熱器的分類(lèi)及詳細(xì)介紹……………………-4-3.列管式換熱器選用計(jì)算中有關(guān)問(wèn)題…………………-5-（1）.流體流經(jīng)管程或殼程的選擇原則…………-5-（2）.流體流速的選擇……………-5-（3）.換熱管規(guī)格和排列方式……………………-5-（4）.折流擋板……………………-6-4.浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)………-6-4.強(qiáng)化傳熱技術(shù)…………-6-（1）.傳熱面形狀的改變…………-7-（2）.提高總傳熱系數(shù)K………..-8-二．確定設(shè)計(jì)方案……………………..-12-1.選擇換熱器的類(lèi)型 -12-2.管程安排 -12-三．確定物性數(shù)據(jù)-12-四．估算傳熱面積…………………….-13-1.熱流量…………………-13-2.平均傳熱溫差…………-13-3.傳熱面積………………-14-4冷卻水用量..………….-14-五．工藝結(jié)構(gòu)尺寸…………………….-14-1.管徑和管內(nèi)流速……………………...-14-2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)…………………...-14-3.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù)………...-15-4.傳熱管排列和分程方法……………...-17-5.殼體內(nèi)徑……………...-18-6.折流擋板……………...-19-7.其他附件……………...-20-8.接管…………………...-20-六．換熱器核算………………………..-21-1.熱流量核算…………...-21-（1）.殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)………...-21-（2）.管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)………...-22-（3）.污垢熱阻和管壁熱阻……………………...-22-（4）.傳熱系數(shù)有……………-23-（5）.傳熱面積裕度………….…-24-2.壁溫計(jì)算………….…-24-3.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力……….…-25-（1）.管程流體阻力…………….-25-（2）.殼程阻力………………….-26-（3）.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸…………………….-27-七．參考文獻(xiàn)-29-

一．緒論生產(chǎn)中換熱器用量大，類(lèi)型多。通常在了解各種換熱器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與用途的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，通過(guò)計(jì)算，選用適當(dāng)?shù)膿Q熱器。1.換熱器的分類(lèi)（1）、按用途分類(lèi)換熱器按用途不同可分為加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等。（2）、按冷、熱流體的傳熱方式分類(lèi)a.兩流體直接接觸式換熱器b.蓄熱式換熱器c.間壁式換熱器2.間壁式換熱器的分類(lèi)及詳細(xì)介紹（1）夾套式換熱器(2）沉浸式蛇管換熱器（3）噴淋式換熱器（4）套管式換熱器（5）螺旋板式換熱器（6）板式換熱器（7）板翅式換熱器（8）熱管式換熱器（9）列管式換熱器列管式換熱器又稱(chēng)管殼式換熱器，在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容易，處理能力大，適應(yīng)性能，操作彈性大，尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。a.固定管板式換熱器b.浮頭式換熱器c.U形管式換熱器3.列管式換熱器選用計(jì)算中有關(guān)問(wèn)題（1）.流體流經(jīng)管程或殼程的選擇原則a.不清潔或易結(jié)垢的流體宜走容易清洗的一側(cè)。對(duì)于直管管束，宜走殼程；對(duì)于U形管管束，宜走殼程。b.腐蝕性流體宜走管程，以避免殼體和管束同時(shí)被腐蝕。c.壓力高的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。d.為增大對(duì)流傳熱系數(shù)，需要提高流速的流體宜走管程，因管程流通截面積一般比殼程的小，宜做成多管程也較容易。e.兩流體溫差較大時(shí)，對(duì)于固定管板式換熱器，宜將對(duì)流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫差，減小熱應(yīng)力。f.蒸汽冷凝宜在殼程，以利于排出冷凝液。g.需要冷卻的流體宜選殼程，便于散熱，以減少冷卻劑用量。但溫度很高的流體，其熱能可以利用，宜選管程，以減少熱損失。h.黏度大或流量較小的流體宜走殼程，因有折流擋板的作用，在低Re下（Re>100）即可達(dá)到湍流。以上各點(diǎn)往往不能兼顧，視具體問(wèn)題而抓主要方面，再?gòu)膶?duì)壓力將或其他要求予以校核選定。（2）.流體流速的選擇流體在殼程或管程中的流速增大，不僅對(duì)流傳熱系數(shù)增大，也可減少雜質(zhì)沉積或結(jié)垢，但流體阻力也相應(yīng)增大。故應(yīng)選擇適宜的流速，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。（3）.換熱管規(guī)格和排列方式對(duì)一定的傳熱面積而言，傳熱管徑越小，換熱管單位體積的傳熱面積越大。對(duì)清潔的流體，管徑可取小些，而對(duì)黏度大較大或易結(jié)垢的流體，考慮管束的清潔方面或避免管子堵塞，管徑可大些。管長(zhǎng)的選用應(yīng)考慮管材的合理使用及便于清洗。管板上管子的排列方法常用的有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等。（4）.折流擋板換熱器內(nèi)安裝折流擋板是為了提高殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。為了獲得良好效果，折流擋板的尺寸和間距必須適當(dāng)。對(duì)于常用的圓缺形擋板，弓形切口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)“死區(qū)”，不利于傳熱，且增加流體阻力。一半切口高度與直徑之比為0.15-0.45，常見(jiàn)的是0.20和0.25兩種。擋板間距過(guò)小，檢修不方便，流體阻力也大；間距過(guò)大，不能保證流體垂直流過(guò)管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)降低。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2-0.1倍，通常的擋板間距為50mm的倍數(shù)，但不小于100mm。4．浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng)，成為浮頭。浮頭由浮動(dòng)管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是管間和管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無(wú)法檢查，制造時(shí)對(duì)密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1-1所示：圖1-1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸4.強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)下述目的。1.減小設(shè)計(jì)傳熱面積，以減小換熱器的體積和質(zhì)量。2.提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力。3.使換熱器能在較低溫差下工作。4.減小換熱器的阻力，以減少換熱器的動(dòng)力消耗。所謂提高換熱器性能，就是提高其傳熱性能。研究改進(jìn)傳熱性能，是指?jìng)鳠峒訌?qiáng)、強(qiáng)化或加劇。一般說(shuō)來(lái)，這就意味著提高傳熱系數(shù)。狹義的強(qiáng)化傳熱系數(shù)是指提高流體和傳熱面之間的傳熱系數(shù)。其主要方法歸結(jié)為下述兩個(gè)原理，即使邊界層減薄和增加渦流使徑向溫度變小。前者采用各種間斷翅片結(jié)構(gòu)，后者采用泡核沸騰傳熱川。最近還興起一種EH。技術(shù)，即電氣流體力學(xué)技術(shù)，又稱(chēng)為電場(chǎng)強(qiáng)化冷凝傳熱技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)流、冷凝和沸騰傳熱，特別適用于強(qiáng)化冷凝傳熱，并適用于低傳熱性介質(zhì)的冷凝，因而引起人們的普遍關(guān)注。其中傳熱強(qiáng)化技術(shù)包括（1）．傳熱面形狀的改變擴(kuò)大傳熱面積不應(yīng)靠加大設(shè)備的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)從設(shè)備的結(jié)構(gòu)來(lái)考慮，提高換熱器的緊湊性，用最少的材料費(fèi)取得最大的傳熱量。管殼式換熱器改變傳熱面形狀的方法有多種，其中用于無(wú)相變強(qiáng)化傳熱的有:橫槽管、螺旋槽管(5管)和縮放管。內(nèi)翅片管與橫槽管和螺旋槽管一樣，不但可用于單相對(duì)流傳熱，也可有效地用于強(qiáng)化管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱。新近又開(kāi)發(fā)出偏置折邊翅片管(一種間斷翅片管)和螺旋扁管，后者也叫麻花管，這原是瑞士的Allares公司技術(shù)，后經(jīng)布朗公司改進(jìn)，是一種高效換熱元件。用于有相變強(qiáng)化傳熱的強(qiáng)化沸騰傳熱管有：燒結(jié)多孔表面管、機(jī)械加工的多孔表面管、電腐蝕加I的多孔表面管,

T型翅片管、ECR39管和Tube-B型管。俄羅斯也開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)之為“變形翅片管”的傳熱管，可用于空分裝置的冷凝一蒸發(fā)器。用于強(qiáng)化冷凝傳熱的傳熱管有：縱槽管、低螺紋翅片管、鋸齒形翅片管(ST管)和徑向輻射肋管式翅片管(R管)等。近年來(lái)，Hamon-Lummus公司又新推出一種SRC翅片管(SRC

Fin

Tube)，用于冷凝傳熱。外翅片管可以利用液體表面張力減薄冷凝液膜厚度以強(qiáng)化傳熱，這一發(fā)現(xiàn)大大促進(jìn)了新型翅片管的研究開(kāi)發(fā)。人們用不同金屬制造不同形狀的翅片管，翅片密度在50-2900個(gè)翅片m-1，與光管相比，給熱系數(shù)可提高1~12倍。內(nèi)螺旋翅片管(NL管)是美國(guó)新開(kāi)發(fā)的一種高效強(qiáng)化管內(nèi)相變傳熱元件，用于沸騰傳熱。內(nèi)波紋螺紋管在湍流時(shí)可使對(duì)流傳熱系數(shù)增加一倍多。多頭內(nèi)螺紋管(ISF管)也是一種高效強(qiáng)化傳熱管，具有較好的強(qiáng)化管內(nèi)沸騰傳熱的性能，傳熱膜系數(shù)為光管的1.6~2.2倍，在相同的傳熱面積下，能夠完成相當(dāng)于光管158%~190%的傳熱負(fù)荷。ISF管的強(qiáng)化傳熱作用主要是內(nèi)表面和二次流的增加所致?？捎糜诟墒秸舭l(fā)器，與目前制冷行業(yè)通用的星形內(nèi)肋管蒸發(fā)器相比，質(zhì)量可以減輕近50%。截面管也是近年來(lái)國(guó)外研究開(kāi)發(fā)的強(qiáng)化傳熱元件，實(shí)驗(yàn)證明，此類(lèi)管件與光圓管相比，具有顯著的強(qiáng)化傳熱效果（2）．提高總傳熱系數(shù)

K提高總傳熱系數(shù)K是當(dāng)今傳熱強(qiáng)化研究的重點(diǎn)。傳熱設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，熱傳遞表面常有污垢積存，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻，導(dǎo)致傳熱速率降低，估計(jì)其總傳熱系數(shù)下降的幅度在29%以上，由此引起設(shè)備壽命周期費(fèi)用顯著增大，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于過(guò)去對(duì)污垢形成的機(jī)理研究甚少，垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)很難準(zhǔn)確估計(jì)，但在估算總傳熱系數(shù)K時(shí)又必須考慮垢層熱阻，設(shè)計(jì)人員通常采用垢層熱阻的經(jīng)驗(yàn)值作為估算K值的依據(jù)，有時(shí)為使換熱器勝任工藝條件，往往還加上一個(gè)安全系數(shù)，因而在設(shè)計(jì)計(jì)算后選用的傳熱面積中有較大部分用來(lái)應(yīng)付污垢，使實(shí)際應(yīng)用的換熱器比其清潔無(wú)垢時(shí)所需傳熱面積增加較多，不僅導(dǎo)致設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用顯著增大，而且因流體速度與無(wú)垢情形相比大為降低，使熱傳遞表面更易結(jié)垢，容易形成降低傳熱效率的惡性循環(huán)。針對(duì)污垢這一嚴(yán)重影響傳熱效率的問(wèn)題，科技人員從防止結(jié)垢和及時(shí)清除垢層兩方面著手，進(jìn)行了一系列卓有成效的研究，提出了許多有效的處理措施。據(jù)文獻(xiàn)介紹，美國(guó)傳熱研究有限公司(HTRI)和管式換熱器制造商協(xié)會(huì)(TEMA)曾組成一個(gè)聯(lián)合委員會(huì)，改寫(xiě)TEMA規(guī)定的冷卻水污垢標(biāo)準(zhǔn)。在介質(zhì)中加入阻垢劑類(lèi)微量物質(zhì)，可以保證設(shè)備在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)高效運(yùn)行，同時(shí)減小垢下腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。對(duì)換熱管進(jìn)行表面處理可以防止或減緩結(jié)垢，在嚴(yán)重結(jié)垢和壁溫恒定條件下進(jìn)行的光管、內(nèi)翅片管和螺旋槽管的抗垢性能比較研究表明，在相同操作條件下內(nèi)翅片管和螺旋槽管的傳熱系數(shù)仍比光管高10%～90%，其中螺旋槽管的污垢熱阻比光管低19%～50%。清除污垢的方法有機(jī)械方法、化學(xué)方法和物理方法。利用美國(guó)DIALOG系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)有關(guān)傳熱表面清洗的1314件世界專(zhuān)利進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，機(jī)械方法占污垢清除方法的大部分，化學(xué)方法約占24%，物理方法只占2%左右。用得較多的機(jī)械方法有往復(fù)式機(jī)械法、旋轉(zhuǎn)式機(jī)械法、振動(dòng)清洗、噴丸清洗、射流清洗、固體顆粒流態(tài)化清洗等除垢方法:常用的化學(xué)方法有堿洗、酸洗、氨洗、專(zhuān)用溶劑清洗、燃燒除垢等；變形除垢法等物理方法則用得較少。對(duì)于具體的傳熱設(shè)備、應(yīng)根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)、污垢種類(lèi)、流體性質(zhì)、使用條件等因素來(lái)選擇合適的除垢方法。湘潭大學(xué)俞秀民教授等根據(jù)熱傳遞表面污垢與傳熱流體邊界層不僅緊密毗鄰，而且兩者均是主要熱阻的特點(diǎn)，提出了將強(qiáng)化對(duì)流傳熱與減免污垢結(jié)合起來(lái)，利用傳熱流體的自身動(dòng)力實(shí)現(xiàn)傳熱表面在線自動(dòng)防垢除垢和強(qiáng)化傳熱邊界層中滯流內(nèi)層之熱傳遞過(guò)程相結(jié)合的技術(shù)開(kāi)發(fā)新思路，并據(jù)此研究出液固流態(tài)化法、扭孔帶轉(zhuǎn)動(dòng)法、螺旋彈簧振動(dòng)法等自潔高效傳熱技術(shù)，己在湖南大乘資氮集團(tuán)有限公司、南京化學(xué)工業(yè)公司化肥廠、湖南農(nóng)藥廠等多家工業(yè)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，取得了顯著的效果。國(guó)內(nèi)在這方面也有所嘗試。青島石化廠常減壓裝置和天津石化廠常減壓裝置換熱系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)紐帶擾流子內(nèi)插件換熱器，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)提高2~3倍，而壓降增加不大。上海石化總廠乙烯廠常減壓蒸餾裝置換熱器采用國(guó)產(chǎn)交叉鋸齒形帶內(nèi)插件，在壓降不增加情況下，總傳熱系數(shù)較光管提高了50%。減小對(duì)流傳熱的熱阻常通過(guò)加大流速或人工紊流的方法，增強(qiáng)流體湍動(dòng)程度，減小傳熱邊界層中滯流內(nèi)層的厚度，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)，減小對(duì)流傳熱的熱阻。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多行之有效的方法，增加列管式換熱器的管程數(shù)和殼程中擋板數(shù)；改進(jìn)管子排列方式；優(yōu)化介質(zhì)流速；設(shè)法造成壓力的脈動(dòng)；將板式換熱器的板面壓制成凹凸不平的波面;利用擾動(dòng)促進(jìn)物;采用擴(kuò)面強(qiáng)化傳熱管一如螺旋槽紋管、橫槽紋管、螺紋管等；采用高效組合傳熱系統(tǒng)一如熱管、熱虹吸管等；提供熱傳遞的激勵(lì)以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)強(qiáng)化一如使用附加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波或機(jī)械動(dòng)力等來(lái)擾動(dòng)和破壞邊界層;在某些高粘度流體中加入減粘劑，或在介質(zhì)中加入與其互不相溶的表面活性物質(zhì)等。最近，國(guó)外又開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)之為Hitran

Matri

Elements的花環(huán)式插入物，它是一種金屬絲制翅片管子插入件，能增強(qiáng)湍流，改善傳熱性能，它是英國(guó)Cal

Garin

Ltd公司的產(chǎn)品，并取得了專(zhuān)利權(quán)。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類(lèi)型。

由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱(chēng)為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱(chēng)為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。流體每通過(guò)管束一次稱(chēng)為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次稱(chēng)為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過(guò)部分管子，因而在管束中往返多次，這稱(chēng)為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱(chēng)為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。

由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過(guò)50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，列管式換熱器可分為以下幾種主要類(lèi)型：

1）列管式換熱器

管束兩端的管板與殼體聯(lián)成一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但只適用于冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機(jī)械清洗時(shí)的換熱操作。當(dāng)溫度差稍大而殼程壓力又不太高時(shí)，可在殼體上安裝有彈性的補(bǔ)償圈，以減小熱應(yīng)力。

2）浮頭式換熱器

管束一端的管板可自由浮動(dòng)，完全消除了熱應(yīng)力;且整個(gè)管束可從殼體中抽出,便于機(jī)械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應(yīng)用較廣，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)較高。

3）列管式換熱器

每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區(qū)，借助于管箱內(nèi)的隔板分成進(jìn)出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，但管程不易清洗?；どa(chǎn)中強(qiáng)腐蝕性流體的換熱，需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金屬材料制作管殼式換熱器。這類(lèi)換熱器的換熱性能較差，只用于壓力低、振動(dòng)小、溫度較低的場(chǎng)合。

進(jìn)行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：①不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便；②腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時(shí)受腐蝕；③壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；④飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無(wú)關(guān),且冷凝液容易排出；⑤若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時(shí)，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應(yīng)力。

當(dāng)管壁兩側(cè)傳熱分系數(shù)相差很大時(shí)（如粘度小的液體與氣體間的換熱），應(yīng)設(shè)法減小傳熱分系數(shù)低的一側(cè)的熱阻。如果管外傳熱分系數(shù)小，可采用外螺紋管（低翅片管），以增大管外一側(cè)的傳熱面積和流體湍動(dòng)，減小熱阻。如果管內(nèi)傳熱分系數(shù)小，可在管內(nèi)設(shè)置麻花鐵，螺旋圈等添加物，以增強(qiáng)管內(nèi)擾動(dòng)，強(qiáng)化換熱，當(dāng)然這時(shí)流體的流動(dòng)阻力也將增大?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)PAGE30-二．確定設(shè)計(jì)方案TC"確定設(shè)計(jì)方案"\fC1.選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度110℃出口溫度60℃；冷流體進(jìn)口溫度29℃，出口溫度為39℃，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2.管程安排從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。三．確定物性數(shù)據(jù)TC"確定物性數(shù)據(jù)"\fC定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為:T==85℃式（3.1）管程流體的定性溫度為:t=℃式（3.2）根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)混合氣體來(lái)說(shuō)，最可靠的無(wú)形數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)值。若不具備此條件，則應(yīng)分別查取混合無(wú)辜組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，然后按照相應(yīng)的加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據(jù)?；旌蜌怏w在85℃密度：定壓比熱容：=3.297kj/kg?℃熱導(dǎo)率：=0.0279w/m?℃粘度：=1.5×10-5Pa?s 循環(huán)水在34℃下的物性數(shù)據(jù)密度： =994.3㎏/m3定壓比熱容： =4.174kj/kg?K熱導(dǎo)率：=0.624w/m?K粘度： =0.742×10-3Pa?s四．估算傳熱面積TC"估算傳熱面積"\fC1.熱流量TC"熱流量"\fCQ1=式(4.1.1)由式(4.1.1)得：Q1=223600×3.297×(110-60)=3.82×107kj/h=10250kw2.平均傳熱溫差TC"平均傳熱溫差"\fC先按照純逆流計(jì)算：式（4.2.1）由式（4.2.1）得：=3.傳熱面積TC"傳熱面積"\fC由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=320W/(㎡k)則估算的傳熱面積為:Ap==式（4.3.1）4冷卻水用量：m==式（4.3.2）五．工藝結(jié)構(gòu)尺寸TC"工藝結(jié)構(gòu)尺寸"\fC1．管徑和管內(nèi)流速TC"管徑和管內(nèi)流速"\fC選用Φ25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u(mài)1=1.3m/s。2．管程數(shù)和傳熱管數(shù)TC"管程數(shù)和傳熱管數(shù)"\fC可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Ns=式（5.2.1）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：L=式（5.2.2）按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為：Np=式（5.2.3）傳熱管總根數(shù)：Nt=606×2=1212式（5.2.4）3.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù)TC"平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)"\fC平均溫差校正系數(shù)：R=式（5.3.1）P=式（5.3.2）按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)【1】圖5-1a圖5-1b圖5-1c圖5-1d由上圖得：平均傳熱溫差：K式（5.3.1）由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法TC"傳熱管排列和分程方法"\fC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。見(jiàn)參考文獻(xiàn)【1】圖5.2取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.25≈32㎜隔板中心到離其最.近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22㎜各程相鄰管的管心距為44㎜。管數(shù)的分程方法，每程各有傳熱管606根，其前后管程中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按參考文獻(xiàn)【1】：圖5-35．殼體內(nèi)徑TC"殼體內(nèi)徑"\fC采用多管程結(jié)構(gòu)，進(jìn)行殼體內(nèi)徑估算。取管板利用率η=0.75，則殼體內(nèi)徑為：D=1.05t式（5.5.1）按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=1400mm。筒體直徑校核計(jì)算：殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達(dá)式為：式（5.5.2）因?yàn)楣茏影凑切闻帕校菏剑?.5.3）取e=1.2=1.225=30mm。=32（39-1）+230=1276mm按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸進(jìn)行圓整：=1400mm6．折流擋板TC"折流板"\fC采用圓缺形折流擋板，折流擋板圓缺高度為殼體內(nèi)經(jīng)的25%，則切去的圓缺高度為：h=0.251400=350mm，故可取h=350mm取折流板間距B=0.3D，則B=0.31400=420mm，可取B為450mm。折流板數(shù)目折流擋板圓缺水平裝配，見(jiàn)參考文獻(xiàn)【1】下圖5-4：圖5-47．其他附件TC"其他附件"\fC拉桿數(shù)量與直徑選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm，故其拉桿直徑為Ф16拉桿數(shù)量8，其中長(zhǎng)度5950mm的六根，5500mm的兩根。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。8．接管TC"接管"\fC表5-1管程接管流速/（m/s）表5-2殼程接管最大允許流速/（m/s）殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u(mài)2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后去管內(nèi)徑為360mm六．換熱器核算TC"換熱器核算"\fC1.熱流量核算TC"熱流量核算"\fC（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)TC"（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)"\fC用克恩法計(jì)算，見(jiàn)參考文獻(xiàn)【1】式（6.1.1）當(dāng)量直徑見(jiàn)參考文獻(xiàn)【1】=式（6.1.2）殼程流通截面積：式（6.1.3）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：式（6.1.4）式（6.1.5）普朗特?cái)?shù)：式（6.1.6）粘度校正： （2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)TC"（2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)"\fC：式（6.1.7）管程流體流通截面積：管程流體流速： 雷諾數(shù)： 普朗特?cái)?shù)：（3）.污垢熱阻和管壁熱阻：TC"（3）污垢熱阻和管壁熱阻"\fC參考文獻(xiàn)【1】表6-1各種水污垢熱阻的大致數(shù)值范圍管外側(cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻管壁熱阻按參考文獻(xiàn)【1】圖6-1一些材料熱導(dǎo)率范圍查得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·K)。所以：（4）傳熱系數(shù)TC"（4）傳熱系數(shù)"\fC有： 式（6.1.8）（5）.傳熱面積裕度TC"（5）傳熱面積裕度"\fC：計(jì)算傳熱面積Ac：式（6.1.9）該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：式（6.1.10）該換熱器的面積裕度為：式（6.1.11）傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.壁溫計(jì)算因?yàn)楣鼙诤鼙。冶跓嶙韬苄?，故管壁溫度可按式?jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確?？煽浚⊙h(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為15℃，出口溫度為39℃計(jì)算傳熱管壁溫。另外，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。但在操作初期，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)該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。于是有：式（6.2.1）式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計(jì)算為：0.4×39+0.6×15=24.6℃(110+60)/2=85℃5858w/㎡·K935.7w/㎡·K傳熱管平均壁溫：℃殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為℃。該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。3．換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力TC"換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力"\fC（1）管程流體阻力：TC"（1）管程流體阻力"\fC 式（6.3.1）,,式（6.3.2）由Re=34841，傳熱管對(duì)粗糙度0.01，查莫狄圖見(jiàn)參考文獻(xiàn)【1】圖6-2摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系得，流速=1.3m/s,,所以：式（6.3.3）式（6.3.4）管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2）.殼程阻力：TC"（2）殼程阻力"\fC按式計(jì)算：式（6.3.5）,流體流經(jīng)管束的阻力： 式（6.3.6）F=0.5式（6.3.7）0.5×0.2419×39×(14+1)×=79600.2Pa流體流過(guò)折流板缺口的阻力：,式（6.3.8）B=0.45mD=1.4mPa總阻力：79600.2+45000=125000由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。（3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果TC"（3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果"\fC見(jiàn)下表：表6-2換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)管程殼程流率884160223600進(jìn)/出口溫度/℃29/39110/60壓力/MPa0.46.9物性定性溫度/℃3485密度/（kg/m3）994.390定壓比熱容/[kj/（kg?K）]4.1743.297粘度/（Pa?s）0.742×1.5×熱導(dǎo)率（W/m?K）0.6240.0279普朗特?cái)?shù)4.961.773設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/㎜1400臺(tái)數(shù)1管徑/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管長(zhǎng)/㎜7000管子排列正三角形排列管數(shù)目/根1212折流板數(shù)/個(gè)14傳熱面積/㎡666折流板間距/㎜450管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.35.0表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/（㎡?K）]5858915.5污垢熱阻/（㎡?K/W）0.00060.0004阻力/MPa0.042850.125熱流量/KW10250傳熱溫差/K48.3傳熱系數(shù)/[W/（㎡?K）]400裕度/%25.2%

七．參考文獻(xiàn)TC"七．參考文獻(xiàn)"\fC：【1】.譚天恩，竇梅，周明華等.《化工原理》（第三版上冊(cè)）化學(xué)工業(yè)出版社出版，2006【2】.GB4557.1—84機(jī)械制圖圖紙幅面及格式【3】.GB150——1998.《鋼制壓力容器》【4】.化工部六院編，《化工設(shè)備技術(shù)圖樣要求》，化學(xué)工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)中心站，1991年?！?】.鄭津洋，董其伍，桑芝富等.《過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)》（第三版）化學(xué)工業(yè)出版社，2010【6】.匡國(guó)柱.《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》化學(xué)工業(yè)出版社,2002基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專(zhuān)用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門(mén)機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究HYPERL