1、化工原理課程設(shè)計(jì) 1、2、3、4、四、五、1、2、3、4、5、設(shè)計(jì)題目:設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器操作條件:煤油：入口溫度140C，出口溫度40C。冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度 35 Co允許壓強(qiáng)降：不大于1X l05Pa。每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。設(shè)備型式:管殼式換熱器處理能力:114000噸/年煤油設(shè)計(jì)要求:選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。設(shè)備簡(jiǎn)圖（要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）。對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問題的討論。第1章設(shè)計(jì)概述1、1熱量傳遞的概念與意義1（205） 1、1、1傳熱的概念所謂的傳熱（又稱熱傳遞）就是間

2、壁兩側(cè)兩種流體之間的熱量傳遞問題。由熱力學(xué)第二定律可知，凡是有溫差存在時(shí)，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(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。1、1、2傳熱的意義化工生產(chǎn)中的很多過(guò)程和單元操作，都需要進(jìn)行加熱和冷卻，如：化學(xué)反 應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)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(shè)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(wú)論是在能源，宇航，化工，動(dòng) 力，冶金，機(jī)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(shè)備的保溫，生產(chǎn)過(guò)程中熱能的合理利用以

3、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(guò)程普遍的存在于化工生產(chǎn)中, 且具有極其重要的作用。歸納起來(lái)化工生產(chǎn)中對(duì)傳熱過(guò)程的要求經(jīng)常有以下兩種 情況：強(qiáng)化傳熱過(guò)程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱。削弱傳熱過(guò)程，如設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。1、2換熱器的概念與意義2 1、2、1換熱器的概念在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交設(shè)備，簡(jiǎn)稱為換熱器。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。1、2、2換熱器的意義熱交換設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中為實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的一種工藝設(shè)備。在化 工、煉油、動(dòng)力、原子能等眾多的工業(yè)部門和行業(yè)中，廣泛使用

4、加熱器、冷卻冷凝器及其他熱交換設(shè)備來(lái)滿足一定的工藝生產(chǎn)條件；由這些設(shè)備構(gòu)成的換熱系統(tǒng) 的狀況，對(duì)整個(gè)化工過(guò)程的正常進(jìn)行及整個(gè)化工系統(tǒng)的投資與操作費(fèi)用關(guān)系重 大。在一般化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的10%-20% ;在石油煉廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的 35%-40%。因此，在能源日趨緊張的今天，合理設(shè)置及使用換熱器尤其重要。此外，隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高,因而對(duì)換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍。由此可見，換熱器在我們的生活中占據(jù)著一定的意義。1、3換熱器的分類及特點(diǎn)2隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同

5、，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(diǎn)，性能各異。在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)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(guò)熱器等。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(yīng)用最廣泛，按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器（板翅式、管翅式等）1、3、1各換熱器的分類和特點(diǎn)化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì) 1、3、2常見間壁式換熱器的分類和特點(diǎn)1(271,278)1、管式換熱器1)蛇管式換熱器可分為兩類，沉浸式蛇管

6、換熱器和噴淋式換熱器。前者換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于防腐蝕，能承受高壓。主要缺點(diǎn)是由于容器的體積較蛇管 的體積大得多，故管外流體的必較小，因而總傳熱系數(shù)K值也較小。而后者便于 檢修和清洗、傳熱效果也較好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是噴淋不易均勻。二者的結(jié)構(gòu)如下圖:W.-. :畑;圖1為常見的幾種蛇管的形狀，圖2為噴淋式換熱器。丨-T- .-I r-jr圖1蛇管的形狀I(lǐng)BlI水圖2噴淋式換熱器2)套管式換熱器管套管換熱器系用管件將兩種尺寸不同的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度為4-6m，若管子

7、太長(zhǎng)，管中間會(huì)向下彎曲，是環(huán)形中的流體分布不均勻。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，能耐高溫；傳熱面積可 根據(jù)需要而增減；適當(dāng)?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(yán)格的逆流，有利于傳熱。缺點(diǎn)為管間接頭較多，易發(fā)生泄露；單位長(zhǎng)度傳熱面積較小。_ A Artv -圖3套管式換熱器3）管殼式換熱器管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備。列管式換熱 器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要有以下幾種:（1）固定管板式換熱器這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)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

8、進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。 同時(shí) 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(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以 致管子扭彎或是管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50C以 上時(shí)，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在 殼壁與管壁溫差低于60-70 C和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況下。一般殼程壓強(qiáng)超過(guò) 0.6 MPa時(shí)，補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償作用，就要考慮其他結(jié)構(gòu)。其結(jié)果如下圖所示:、I11dfc=c537TIt I

9、j . IT幵HlilIId 卜折流板；2-管束；3-売體;4封矢5-無(wú)管;6-管極圖4固定管板式換熱器浮頭式換熱器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(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)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(diǎn)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(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí),不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)高。其結(jié)構(gòu)如下:*7J浮頭式換8籍板* 2殼|板3 浮頭圖5浮頭式換熱器填料函式換熱器這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)也比浮頭式低廉

10、。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，殼程中不應(yīng)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:Bj1i II 圖6填料函式換熱器U型管換熱器這類換熱器只有一個(gè)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(diǎn)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:O內(nèi)導(dǎo)流筒于 口n中問擋板U型管ILL圖7U形管換熱器2、板式換熱器夾套式換熱器套式換熱器主要應(yīng)用于反應(yīng)過(guò)程的加熱或冷卻。在用蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，蒸汽由上部接進(jìn)入夾套，冷凝水則有下部接管流出。作為冷卻氣時(shí)，冷卻介質(zhì)由夾套 下部的接管進(jìn)入，而由上部接管流出。這種換熱器的傳熱系數(shù)較低，傳熱面又受化工原理課程設(shè)計(jì) 圖8夾套

11、式換熱器容器的限制，因此適用于傳熱量不太大的場(chǎng)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(qiáng)制對(duì)流；為了彌補(bǔ)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:mnoMiHiwj隠fl圖9板式換熱器示意圖板式換熱器板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備所提供的傳熱面積大； 總傳熱系數(shù)高，如對(duì)低粘度液體的傳熱，K值可高達(dá)7000 W/(m2 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(diǎn)是：處理量不太大； 操作壓強(qiáng)較低，一般低于1500kPa,最高也不超過(guò)2000kPa；因受墊片耐熱性能的限制，操作溫度不能過(guò)高，一般對(duì)合成橡膠墊圈不超過(guò)130oC,

12、壓縮石棉墊圈低于250oCo螺旋板式換熱器螺旋板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：總傳熱系數(shù)高；不易堵塞和結(jié)垢；能利用低溫?zé)嵩?和精密控制溫度；結(jié)構(gòu)緊湊。其缺點(diǎn)是：操作壓強(qiáng)和溫度不宜太高，目前最高操 作壓強(qiáng)為2000kPa,，溫度約在400oC以下；不易檢修，因整個(gè)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:熱流體冷流體e熱涼體I拔S體冷涼體Q冷凝液Ca)冷流體冷流體(b) K型螺雄板式換遜:器(d) G型蝎雄板武換遜:器9氣體 Cd)(G工型螺旋板式換熱器 n型螺旋形換熱器圖10螺旋板式換熱器3、翅片式換熱器翅片管換熱器翅片式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在管子表面上裝有徑向或軸向翅片。翅片的種類很多

13、，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(duì)流傳熱系數(shù)相差較大的場(chǎng)合，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于空氣冷卻器長(zhǎng)，地翅片適用于兩流體的對(duì)流傳熱系數(shù)不太大的場(chǎng)合， 如對(duì)粘度較大液體 的加熱或冷卻等。2）板翅式換熱器板翅式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)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(yīng)性強(qiáng)，操作范圍廣。主要缺點(diǎn)是：由于設(shè)備流到很小，故易堵塞，而 且增大了壓強(qiáng)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(yīng)較潔 凈或預(yù)先進(jìn)行精制；由于隔板和翅片都有薄鋁片制成，故要求介質(zhì)對(duì)鋁不發(fā)生腐蝕。4、熱管換熱器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

14、由熱管束、殼體和隔板構(gòu)成，冷熱流體被隔板隔開。當(dāng)熱源對(duì)熱管一端供熱時(shí)，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(dòng)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(guò)程如此反復(fù)循環(huán)，熱量不斷的從熱端傳至冷端。熱管傳熱 的特點(diǎn)是通過(guò)沸騰和氣化、蒸汽流動(dòng)和蒸汽冷凝三步進(jìn)行。由于沸騰及冷凝的對(duì) 流傳熱系數(shù)很大，而蒸汽的流動(dòng)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(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、工作可靠、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，它可用于氣-氣、氣-液和液-液間的換熱過(guò)程。其結(jié)構(gòu)如下圖:圖11熱管換熱器iI It IUUnt I冷卻圖12

15、熱管示意圖第二章設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2、列管間壁式換熱器的分類【見1、3、2】2、間壁式管殼式的列管換熱器2、管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選型【見 1、3、2 1、3)11(278,284)管殼式換熱器設(shè)計(jì)和選型的核心是計(jì)算換熱器的傳熱面積，進(jìn)而確定換熱器的其他尺寸或選擇換熱器的型號(hào)。2、3、1管殼式換熱器的型號(hào)與系列標(biāo)準(zhǔn) 1)管殼式換熱器的基本參數(shù)和型號(hào)：(1)基本參數(shù) 管殼式換熱器的基本參數(shù)包括以下幾項(xiàng): 公稱換熱面積側(cè)；公稱直徑DM ；公稱壓力PN ；換熱器管長(zhǎng)度L ； 換熱管規(guī)格；管程數(shù) Np。(2)型號(hào)表示方法 管殼式換熱器的型號(hào)由五部分組成：Z XXXX X -XX -XXX72y 5號(hào),其中：1

16、 熱器代號(hào)，G代表固定管板式，F(xiàn)代表浮頭式;2稱直徑DN , mm;3程數(shù)：inww； 4稱壓力PN, MPa； 5 稱換熱面積SN, m2。例如800mm、PM 0.6MPa的單管程、換熱面積為110m2的固定管板式換熱器的型號(hào)為:G800 1-0.6-110 2）管殼式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)為了便于對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行選型， 有關(guān)單位制訂了系列標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，供設(shè)計(jì)時(shí)選用。2、3、2管殼式換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題 1）流體流徑的選擇選擇流程的一般原則:不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)清洗比較方便。腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼和管子同時(shí)受腐蝕，而

17、且管子便于清洗和檢修。壓強(qiáng)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。飽和蒸汽宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較干凈，它對(duì)清潔無(wú)要求。有毒氣體宜走管內(nèi)，使泄漏機(jī)會(huì)減少。被冷卻的流體走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強(qiáng)冷卻效果。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(dòng)時(shí),由于流速和流向的不斷改變，在R e（Re 100）低值下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若兩流體的溫度差較大，對(duì)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(yīng)力。2）流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)。減少污垢在管子上沉積

18、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(dòng)阻力增大，動(dòng)力消耗就增多，所以適宜的流速要通過(guò)經(jīng)濟(jì) 衡算才能確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表1、表2及表3列出一些工業(yè)上常用的流速范圍。表1管殼式換熱器中常用到的流速范圍流體的種類一般流體易結(jié)垢液體氣體流速/ (m/s)管程0.5 3 1530殼程0.2 1.5 0.5315表2 管殼式換熱器中易燃、易爆液體的安全允許速度液體名稱乙醚、二氧化硫、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允許速度/ (m/s)123 15001500500500100100 35351 1最大流速/(m/s)0.60.751.11.51.82.4流體

19、兩端溫度的確定若換熱器中冷、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(duì)加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)出口溫度需由設(shè)計(jì)者確定。設(shè)計(jì)中，冷卻水兩端溫差可取5C 10C。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。管子的規(guī)格和排列方式換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。 因此，對(duì)于潔凈的流體 管徑可取小些。但對(duì)于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取大些，以免堵塞。考慮 到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過(guò)多。目前我國(guó)試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采 用為25mm 2.5mm和為19mm 2mn兩種規(guī)格的管子。管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理

20、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(zhǎng)度。實(shí)際所取管長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)出廠的 鋼管長(zhǎng)度合理截用。我過(guò)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度多為6m 9m故系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)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(zhǎng)和管徑應(yīng)相適應(yīng),一般取L/D為46 (直徑小的換熱器可取大些)。ooOOOO000O660000.00g）直列tb）正三角形錯(cuò)列匚）正方形錯(cuò)列圖13管子的排列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

21、外清洗方便，對(duì)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)。5）管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低,因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過(guò)多,導(dǎo)致管程流體阻力加大，增大動(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題。管殼式換熱器的系 列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大 致相等。管程數(shù)Np可按下式計(jì)算;Np=Uiu式中:u管程內(nèi)流體的適宜速度，m/s;；m/s。u1管程內(nèi)流體的實(shí)

22、際速度，當(dāng) A.8時(shí)可采用多殼程，也可將幾個(gè)相同的換熱器串聯(lián)使用。當(dāng)殼方流體太低時(shí)，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(gè)換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。6）折流擋板安裝折流擋板的目的是為了提高殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。為達(dá)到較好的傳 熱效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。 對(duì)于圓缺形擋板，切去弓形的高度約為外殼內(nèi)徑的1040% （一般2025%）,過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離（板間距）h 一般取換熱器外徑D的0.2 1倍。固定管板式換熱器h有150mm 300mm 6

23、00mn三種。浮頭式換熱器 h 有 150mm 200mm 300mm 480mm 600mn五種。板間距過(guò)小，不便于制造和檢修，流動(dòng)阻力大。板間距過(guò)大，不能使流體垂直地流過(guò)管束，從而使管外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)下降。擋板切去的弓形高度及板間距對(duì)流體流動(dòng)的影響如圖8所示。Ca) 缺口高度過(guò)小，板間距過(guò)大 （C）缺口鬲度対小，攝間距討大（C）正常圖14擋板缺口高度及擋板間距的影響7）外殼直徑的確定換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大與（對(duì)浮頭式換熱器而言）管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)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(dāng)管數(shù)機(jī)多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，做圖太麻煩，一般在初步設(shè)計(jì)中，可

24、先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通面積， 于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)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(dāng)增減一些管子。另外，初步設(shè)計(jì)中，可用下式估算殼體內(nèi)徑:1D=t（ nc-1）+2b式中：D殼體內(nèi)徑,m;t管中心距,m;nc位于管束中心線上的管數(shù)。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）d o管子按正方形排列時(shí) i.19管子按三角形排列時(shí)nc =1.1Jnn換熱器的總管數(shù)。計(jì)算得到的殼徑應(yīng)按換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。標(biāo)準(zhǔn)尺寸見表4。殼體外徑/mm523400， 500， 6

25、00，700800， 900， 10001100, 1200最小壁厚/mm8101214表4殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸8）主要附件(1)圭寸頭：圭寸頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體（一半小于400mm,圓形用語(yǔ)大直徑的殼體。(2)沖擋板：為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料口裝設(shè)緩沖擋板。導(dǎo)流筒：殼程流體的進(jìn)出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間,為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒。放氣孔、排液孔：換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以除去不凝性氣體和冷凝液等。(5)接管：換熱器中流體進(jìn)出口的接管直徑按下式計(jì)算，即:式中：Vs流體的體積流量，rf /S ;接管中流體的流速，m/s

26、。流速u的經(jīng)驗(yàn)值為:對(duì)液體 u=1.52m/s;對(duì)蒸汽u=2050m/s對(duì)氣體u=（1520）p/ P （p為壓強(qiáng)，P為密度）9）材料選用換熱器材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。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(jià)格相對(duì)較高。10）流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算（1）管程阻力：管程阻力可按一般摩擦力公式求的。對(duì)與多程換熱器，其阻力等于個(gè)程直管阻力，回彎阻力及進(jìn)出阻力之和。一般進(jìn)出阻力不算，故 管程總阻力的計(jì)算式為:送牛=（邙1 +如2）Ft NsNp式中：ip1, ip2 分別為直管及回彎管中流動(dòng)阻力引

27、起的壓強(qiáng)降。Ft結(jié)垢校正因數(shù)，對(duì)管徑為 25X2.5mm管子取1.4。對(duì)19X 2mm管子取1.5。Np管程數(shù);Ns串聯(lián)的殼程數(shù)，即串聯(lián)的換熱器數(shù)。代r L PU.回彎管阻力（2）殼程流動(dòng)阻力：現(xiàn)已提出的計(jì)算公式多，但由于流體流動(dòng)復(fù)雜，使所得結(jié)果相差很多，下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)的公式，即:Z 邙0 =3P, p21 )FsNs邙1 m式中殼程總阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa;直管阻力：.心流體橫向通過(guò)管束的壓強(qiáng)降，Pa;心P2 1-流體通過(guò)折流板缺口處的壓強(qiáng)降，Pa;Fs殼程結(jié)垢校正系數(shù)，液體取1.15，氣體取1.0;化工原理課程設(shè)計(jì)3、 P11 =Ff。nJNB +1)也其中223 J3對(duì)本設(shè)計(jì)

28、的評(píng)述及有關(guān)問題的討論。2管殼式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：(284,285)-令牛F管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)。對(duì)正三角形排列F=0.5F=0.3正方形斜轉(zhuǎn)45度排列 F=0.4 ;正方形直列f。=5.0Reo228,(Re。fo殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)Re 500時(shí)uo按殼程最大流動(dòng)截面積 A計(jì)算的流速，m/s;Ao=h(D-nod。);NB折流板數(shù);n折流板間距，m一般來(lái)說(shuō)，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為0.11atm,氣體的為0.010.1atm。設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間予以平衡，使即 能滿足工藝又經(jīng)濟(jì)合理。第三章操作要求3、1操作要求1.選定管殼式換熱器的種類和工藝

29、流程。2.管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸設(shè)計(jì)。3.設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。4.設(shè)備簡(jiǎn)圖(要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸)。5.3、2、1試算并初選設(shè)備規(guī)格1)確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。2)根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷。化工原理課程設(shè)計(jì) 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(jì)算定性溫度, 并確定在定性溫度下流體物性。4）計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則決定殼程數(shù)。5)依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況選定總傳熱系數(shù)K值。6)3、2、2計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降由總傳熱速率方程Q=K/tm,初步算出傳熱面積S,并確定換熱器的基本尺寸(如d

30、、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降，檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓強(qiáng)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(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。3、2、3核算總傳熱系數(shù)計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻RSi和RSo,再計(jì)算總傳熱系數(shù)K。比較K的初設(shè)値和計(jì)算值，若 K7K=1.15 1.25，貝U初選的換熱器合適，否則需另設(shè) K値，重復(fù)以上計(jì)算步驟。第四章 物性參數(shù)及其選定4、1定性溫度冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為：35r，根據(jù)前面的原則選定出口溫度為:則有:煤油的定

31、性溫度：T =水的定性溫度：t -35 + 45 =40 r2根據(jù)4化學(xué)工程手冊(cè).化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù).化學(xué)工業(yè)出版社 分別查得在此條件下煤油和水的物性為:表5物性參數(shù)物密度kg/m3比熱容kJ /（kg 衛(wèi)C）粘度/Pa s導(dǎo)熱系數(shù)W/(mC)流體煤油8102.30.91 X 10-30.13水9944.1870.656 X 10-30.6384、2參數(shù)K的選定由于在定性溫度下，高溫物體煤油（有機(jī)物）的黏度為0.91 X 10-3,介于（0.5 1）x 10-3 Pas,低溫物體水，故總傳熱系數(shù)范圍為 280710W/ （簾 K）（355）。第五章工藝計(jì)算5、1試算和初選換熱器的規(guī)格 5、1、1流體

32、流動(dòng)途徑:采用逆流，因?yàn)槟媪鲿r(shí)的傳熱推動(dòng)力優(yōu)于并流和其他流動(dòng)形式。5、1、2管程安排:本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)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。5、1、3傳熱量Q:114000 X 103330 X 24 X 3600=3. 998kg / s冷卻水流量9196131 = 3 = 21. 96 kg/s = 79069 kg/h Cp ct2 -t J 4. 187 X 103 x（45 - 35）5、1、4兩流體的平均溫度差:暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算。逆流時(shí)平均溫度差為At m（140 -45）-（40 - 35） 巾 宀= ； =

33、30. 6 C,（140 -45）In（40 - 35）而:95 二 0. 095140 - 35古=3=1045-35查圖419 (a) 2得:叫=0. 8，符合要求，所以傳熱溫差的校正值為:=0. 95 x 30.6 = 29C5、1、5初選換熱器規(guī)格根據(jù)冷熱流體在換熱器中有無(wú)相變及其物性等，假設(shè)傳熱系數(shù)為K =300w/(m2 P)，于是可求所需傳熱面積S為:S 二=竺竺=105.7m2 Kit m300 X 29由于Tm -tm = 90 - 40 = 50oC，因此需考慮熱補(bǔ)償。兩流體溫度變化情況：熱流體煤油入口溫度140C，出口溫度40C ;冷流體水入口溫度35C，出 口溫度 45

34、C。t=(t i+t2)/2,t 冷=(35+45)/2=40 E ,t 熱=(140+40)/2=90 C, t 熱一t 冷選用浮頭式換熱器。據(jù)此，由換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)(參見附錄)=90-40=50C ,溫差較大，但是允許的壓強(qiáng)降不大于 0.1MPa,壓力偏低，故可以 2中選定F700W-4.0-105型換熱器，有關(guān)參數(shù)見表:表6 換熱器的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)表殼徑/ mm700管子尺寸/ m 25X 2.5公稱壓強(qiáng)/MPa4.0管長(zhǎng)/m4.5公稱面積/rf105.0管子總數(shù)304管程數(shù)6管子排列方法正方形斜轉(zhuǎn)45實(shí)際傳熱面積 S. = n兀 d L = 304 X 3. 14 x 0. 025(4.

35、5 - 1) = 105. 0m2若選擇該型號(hào)的換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為丄=29叫 302W/(m2C)Stm 1029.05、2核算壓強(qiáng)降 5、2、1管程壓強(qiáng)降:=仲 +AP2 FtNpNs其中，F(xiàn) =1.4， Np = 2， Ns=1管程流通面積Np十 O.02甞.0159m2管程流速:Ui管內(nèi)雷諾數(shù)RediUi取管壁粗糙度Vs79069A 3600 x 994x 0.01590. 02 X 1.39 X 9940. 727 X 10-mm，d0.120冊(cè)）.天津：天津大學(xué)出版社，2005）2圖1-27,所以ARLdi2PUiAP22P Ui2管程壓強(qiáng)降:=1.39m/ s=380

36、18（湍流）0. 005，查（夏清等.化工原理（上由Z - Re關(guān)系圖中查得：入=0.032 ;=0. 032 X0. 02八嚴(yán)4392Z AR = (6914 + 2893)% 1.4 X 6 X 1符合工藝要求;5、2、2殼程壓強(qiáng)降:=朗，+ 唱 FsNs其中，F(xiàn)t =1.15 ,Ns =1，心 P = Ffr nc(NB+1)管子為正方形斜轉(zhuǎn)45勺排列，F(xiàn) =0.4nc =1. 19亦=1.19(304 俺 20X 994 八.392 = 6914Pa2893Pa410 Pa 5000. 91 X 10-（湍流）殼程流體摩擦因數(shù)所以、 22hu0=29汽2L.5_2215、0.7丿810

37、X(0. 165 )22=983PaZ APo = (2038 + 983)X 1.15x2 =6949Pa 100000Pa_0-2280 2285. 0Re0= 5. 0 咒 3672-= 0. 7720 X (29 + 1810 X 0. 165= 2038 Pa計(jì)算表明，管程和殼程的壓強(qiáng)降都能滿足設(shè)計(jì)的要求。5、3核算總傳熱系數(shù)5、3、1管程對(duì)流傳熱系數(shù)%Re = 38018 湍流)4.86CpA 4.187 X 103 X 0.727 X 10,0.626OgARe0.8 * Pri0-40小需“ 38018)0.8(4.86)0.46250W/(m2C)5、3、2殼程對(duì)流傳熱系數(shù)5

38、由式4.0U0A 810 X 0.023 - 0.21 m / S * *化工原理課程設(shè)計(jì)302 de-dj 4(0.0322 -4L 0252)兀 X 0. 025=0. 027mO.。27.21 咒 810= 50480.91 X 10Pr1Cp卩2.100.910 16.10.13殼程中的煤油被冷卻，取()014 =0.95。所以013a。= 0. 36 X(5047)0.55( 16. 1)1/3 x 0. 95 = 452W/( m t)0. 0275、3、3污垢熱阻管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為=2.0 x10*m2 C/W，Rs。=1.7X10丄m2C/W5、3、4總傳熱系數(shù)K.管壁

39、熱阻可忽略時(shí)，則總傳熱系數(shù) K。為K0 =Sdi1 0. 0250.025+ 0. 00017 + 0. 0002 X + 4520. 026250 咒 0. 02=353W/(m2 fC)由前面的計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為302W/(m2 fc),在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的Ke為353w/(m2 S)，故所選擇的換熱器是合適的。安全系數(shù)為：3502.100% 5.9%(滿足要求，即在范圍之內(nèi)：10%-25% ;化工原理課程設(shè)計(jì) （則：Ke/ K=353/302=1.169,而實(shí)際范圍應(yīng)為1.151.25，符合）。第六章設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表表7設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表參數(shù)管程（冷卻水）殼程（煤油）流量 /(kg/s)21.963.998進(jìn)/出口溫度/r35 45100 40壓強(qiáng)降MPa0.1物 性定性溫度/r40100密度 / (kg/m3)994810定壓比熱容/kJ/ (kg?C )4.1872.3黏度/ (Pa?s)0.727 X 10 20.91 X 10導(dǎo)熱系數(shù)/ （W/n?C ）0.63380.13形式浮頭式殼程數(shù)6殼體內(nèi)徑/ mm700臺(tái)數(shù)1管徑/ m 25 X 2.5管心距/mm32管長(zhǎng)/ m4500管子排列正