化工原理課程設(shè)計(jì)---用水冷卻煤油產(chǎn)品的列管式換熱器的設(shè)計(jì)DesignofaTube-and-ShellHeatExchangerforCoolingKerosenewithWaterI.DesignTaskandConditions1.Coolkerosenefrom140℃to40℃atapressureof1bar.2.Usewaterasthecoolingmedium,withapressureof3barandaflowrateof10t/h.II.DesignContent1.Reasonableparameterselectionandstructuraldesign:-Heattransferarea-Tubedesign,includingtotalnumberoftubes,numberofpasses,andoveralltuberesistance-Shelldiameter-Structuraldesign,includingfluidwallthickness-Determinationofmaininletandoutletpipediametersforhotandcoldfluids2.Heattransfercalculationandpressuredropcalculation:designandverificationcalculations.III.DesignResults1.Designspecificationdocument2.A4designdrawings,includingequipmentdimensiondrawings.Chapter1Introduction1.1Overview1.2Heatexchangerdesignbasis1.3Heatexchangerselection1.3.1Fixedtubesheetheatexchanger1.3.2Floatingheadheatexchanger1.3.3U型管式換熱器U型管式換熱器是一種常用的換熱器類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于清洗和維護(hù)。該換熱器通常采用U型管作為傳熱元件，熱量通過(guò)管壁傳導(dǎo)到管內(nèi)的流體中。U型管式換熱器適用于高粘度液體和易結(jié)垢介質(zhì)的傳熱。1.3.4填料式換熱器填料式換熱器是一種高效的傳熱設(shè)備，其內(nèi)部填充有不同形狀和材料的填料。填料式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高，能夠處理高濃度的腐蝕性液體和高溫高壓的氣體。填料式換熱器通常采用板式或球形填料，填料的形狀和材料的選擇取決于傳熱介質(zhì)的特性和工藝要求。第二章確定設(shè)計(jì)方案2.1換熱器類(lèi)型的選型在確定換熱器類(lèi)型時(shí)，需要考慮傳熱介質(zhì)的物性參數(shù)、工藝要求和設(shè)備的使用壽命等因素。根據(jù)傳熱介質(zhì)的特性和工藝要求，可以選擇不同類(lèi)型的換熱器，如管殼式、板式、螺旋板式等。同時(shí)，還需要考慮設(shè)備的使用壽命和維護(hù)成本等因素，以選擇最合適的換熱器類(lèi)型。2.1.1換熱器內(nèi)冷熱流體通道的選擇在選擇換熱器內(nèi)冷熱流體通道時(shí)，需要考慮傳熱介質(zhì)的物性參數(shù)和工藝要求。通常情況下，選擇流通阻力小、傳熱效率高的通道結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還需要考慮流體的流量和壓力等因素，以確保換熱器的正常運(yùn)行。2.1.2換熱管的選擇在選擇換熱管時(shí)，需要考慮傳熱介質(zhì)的物性參數(shù)、工藝要求和設(shè)備的使用壽命等因素。通常情況下，選擇材質(zhì)優(yōu)良、耐腐蝕性好的管材，并根據(jù)傳熱介質(zhì)的特性選擇合適的管徑和壁厚。同時(shí)，還需要考慮管道的布局和維護(hù)成本等因素，以選擇最合適的換熱管。第三章確定物性參數(shù)在確定物性參數(shù)時(shí)，需要考慮傳熱介質(zhì)的熱物性參數(shù)、流體的物理性質(zhì)和工藝要求等因素。根據(jù)傳熱介質(zhì)的特性和工藝要求，可以選擇不同的物性參數(shù)，如熱導(dǎo)率、比熱容、密度等。同時(shí)，還需要考慮流體的物理性質(zhì)和工藝要求，以確保換熱器的正常運(yùn)行。第四章估算傳熱面積在估算傳熱面積時(shí)，需要考慮傳熱介質(zhì)的物性參數(shù)、流體的物理性質(zhì)和工藝要求等因素。根據(jù)傳熱介質(zhì)的特性和工藝要求，可以選擇不同的傳熱面積，如管道長(zhǎng)度、管道直徑等。同時(shí)，還需要考慮流體的物理性質(zhì)和工藝要求，以確保換熱器的正常運(yùn)行。4.1熱流量熱流量是指通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量。在熱交換器的設(shè)計(jì)中，需要考慮熱流量的大小，以確保熱交換器可以滿(mǎn)足工藝要求。通常，熱流量的單位是瓦特（W）或千瓦（kW）。4.2平均傳熱溫差平均傳熱溫差是指熱交換器中兩種流體之間的平均溫度差。在熱交換器的設(shè)計(jì)中，需要考慮平均傳熱溫差的大小，以確保熱交換器可以滿(mǎn)足工藝要求。通常，平均傳熱溫差的單位是攝氏度（℃）或華氏度（℉）。4.3冷卻水用量冷卻水用量是指在熱交換器中用于冷卻流體的水的流量。在熱交換器的設(shè)計(jì)中，需要考慮冷卻水用量的大小，以確保熱交換器可以滿(mǎn)足工藝要求。通常，冷卻水用量的單位是立方米每小時(shí)（m3/h）或加侖每分鐘（GPM）。4.4總傳熱系數(shù)K總傳熱系數(shù)K是指熱交換器中傳熱的效率。在熱交換器的設(shè)計(jì)中，需要考慮總傳熱系數(shù)K的大小，以確保熱交換器可以滿(mǎn)足工藝要求。通常，總傳熱系數(shù)K的單位是瓦特每平方米每攝氏度（W/m2℃）或BTU每小時(shí)每平方英尺每華氏度（BTU/h·ft2·℉）。4.4.1管程傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)是指在熱交換器中傳熱的效率與管道直徑、管道壁厚、管道材料等因素相關(guān)的系數(shù)。在熱交換器的設(shè)計(jì)中，需要考慮管程傳熱系數(shù)的大小，以確保熱交換器可以滿(mǎn)足工藝要求。通常，管程傳熱系數(shù)的單位是瓦特每平方米每攝氏度（W/m2℃）或BTU每小時(shí)每平方英尺每華氏度（BTU/h·ft2·℉）。4.5傳熱面積傳熱面積是指在熱交換器中用于傳遞熱量的表面積。在熱交換器的設(shè)計(jì)中，需要考慮傳熱面積的大小，以確保熱交換器可以滿(mǎn)足工藝要求。通常，傳熱面積的單位是平方米（m2）或平方英尺（ft2）。5.工藝結(jié)構(gòu)尺寸5.1管徑和管內(nèi)流速管徑和管內(nèi)流速是熱交換器設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。在確定管徑和管內(nèi)流速時(shí)，需要考慮熱交換器的傳熱效率、壓降、流體的物理性質(zhì)等因素。通常，管徑的單位是毫米（mm）或英寸（in），管內(nèi)流速的單位是米每秒（m/s）或英尺每秒（ft/s）。5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，管程數(shù)和傳熱管數(shù)是非常重要的參數(shù)。管程數(shù)的選擇應(yīng)該考慮到流體的物理性質(zhì)和流量，以及換熱器的尺寸和成本。傳熱管數(shù)的選擇應(yīng)該考慮到傳熱面積和流體的傳熱系數(shù)，以及管束的直徑和長(zhǎng)度。在選擇管程數(shù)和傳熱管數(shù)時(shí)，需要平衡熱傳遞效率和成本因素。5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差是換熱器設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行中，平均傳熱溫差會(huì)受到一些因素的影響，如流體的溫度分布、管束的布置方式等。因此，需要對(duì)平均傳熱溫差進(jìn)行校正，以保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。此外，殼程數(shù)也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它可以影響換熱器的流體分布和傳熱效率。5.4傳熱管排列和分程方法傳熱管的排列方式和分程方法也是換熱器設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。傳熱管的排列方式可以影響流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱效率。分程方法可以提高傳熱效率和控制流體的溫度分布。在選擇傳熱管排列和分程方法時(shí)，需要考慮到流體的物理性質(zhì)和操作條件，以及換熱器的尺寸和成本。5.5殼體內(nèi)徑殼體內(nèi)徑是換熱器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的參數(shù)，它可以影響流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱效率。殼體內(nèi)徑的選擇應(yīng)該考慮到流體的物理性質(zhì)和操作條件，以及換熱器的尺寸和成本。在選擇殼體內(nèi)徑時(shí)，需要平衡流體的流動(dòng)阻力和傳熱效率。5.6折流板折流板是換熱器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的組件，它可以改善流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱效率。折流板的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到流體的物理性質(zhì)和操作條件，以及換熱器的尺寸和成本。在選擇折流板時(shí)，需要平衡流體的流動(dòng)阻力和傳熱效率。5.7接管接管是換熱器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的組件，它可以連接流體的進(jìn)出口和管束。接管的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到流體的物理性質(zhì)和操作條件，以及換熱器的尺寸和成本。在選擇接管時(shí)，需要考慮到流體的流量和壓力損失。6.1熱量核算熱量核算是換熱器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它可以確定換熱器的熱傳遞效率和熱負(fù)荷。熱量核算應(yīng)該考慮到流體的物理性質(zhì)和操作條件，以及換熱器的尺寸和成本。在進(jìn)行熱量核算時(shí)，需要確定流體的熱力學(xué)性質(zhì)和流量，以及傳熱系數(shù)和傳熱面積。6.1熱傳遞系數(shù)6.1.1殼程傳熱系數(shù)殼程傳熱系數(shù)是指換熱器殼體內(nèi)外流體之間的傳熱系數(shù)。該參數(shù)的大小直接影響換熱器的傳熱效率。在實(shí)際應(yīng)用中，殼程傳熱系數(shù)通常是通過(guò)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)來(lái)計(jì)算的。6.1.2管程傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)是指管內(nèi)流體與管壁之間的傳熱系數(shù)。該參數(shù)的大小取決于管壁的材料、管徑、流體的流速等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，管程傳熱系數(shù)通常是通過(guò)管程對(duì)流給熱系數(shù)來(lái)計(jì)算的。6.1.3總傳熱系數(shù)K總傳熱系數(shù)K是指換熱器內(nèi)外流體之間的總傳熱系數(shù)。它是殼程傳熱系數(shù)和管程傳熱系數(shù)的綜合體現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，總傳熱系數(shù)K是通過(guò)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)、管程對(duì)流給熱系數(shù)以及換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力來(lái)計(jì)算的。6.2流動(dòng)阻力6.2.1管程流動(dòng)阻力管程流動(dòng)阻力是指管內(nèi)流體在管壁內(nèi)部摩擦所產(chǎn)生的阻力。該參數(shù)的大小取決于管徑、流速、管壁材料等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，管程流動(dòng)阻力通常是通過(guò)雷諾數(shù)公式來(lái)計(jì)算的。6.2.2殼程流動(dòng)阻力殼程流動(dòng)阻力是指殼體內(nèi)外流體之間的流動(dòng)阻力。該參數(shù)的大小取決于殼體的直徑、長(zhǎng)度、流體的流速等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，殼程流動(dòng)阻力通常是通過(guò)殼體的雷諾數(shù)來(lái)計(jì)算的。7.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.1殼體直徑、長(zhǎng)度、厚度設(shè)計(jì)換熱器的殼體直徑、長(zhǎng)度、厚度是設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要因素。這些參數(shù)的大小直接影響換熱器的傳熱效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮流體的流速、殼體的材料、殼體的強(qiáng)度等因素來(lái)確定最優(yōu)的殼體直徑、長(zhǎng)度、厚度。本文旨在介紹換熱器的設(shè)計(jì)和選型，包括封頭尺寸設(shè)計(jì)、法蘭和連接材料的選擇、流體進(jìn)出口接管直徑的計(jì)算、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)和支座選用等方面。本章將從概述開(kāi)始介紹本文的主要內(nèi)容。第七章設(shè)計(jì)要點(diǎn)7.2換熱器封頭尺寸設(shè)計(jì)換熱器封頭尺寸的設(shè)計(jì)是非常重要的，它直接影響到換熱器的安全性和性能。在設(shè)計(jì)封頭尺寸時(shí)，需要考慮到內(nèi)部壓力、溫度、介質(zhì)等因素，以確保封頭能夠承受相應(yīng)的壓力和溫度。同時(shí)，還需要考慮到封頭的制造工藝和成本等因素。7.3法蘭及各連接材料的選擇在選擇法蘭和連接材料時(shí)，需要考慮到介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)、溫度、壓力等因素。同時(shí)，還需要考慮到法蘭的結(jié)構(gòu)和墊片的材質(zhì)等因素，以確保連接的可靠性和密封性。7.4流體進(jìn)、出口接管直徑的計(jì)算流體進(jìn)出口接管直徑的計(jì)算是換熱器設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。在計(jì)算時(shí)，需要考慮到流體的流量、速度、壓力損失等因素，以確保流體能夠順暢地進(jìn)出換熱器，同時(shí)盡可能減小壓力損失。7.5開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)是換熱器設(shè)計(jì)中需要注意的一個(gè)方面。在設(shè)計(jì)開(kāi)孔時(shí)，需要考慮到開(kāi)孔的位置、大小、形狀等因素，以及對(duì)開(kāi)孔部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以確保換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。7.6支座選用支座的選用也是換熱器設(shè)計(jì)中需要注意的一個(gè)方面。在選用支座時(shí)，需要考慮到換熱器的重量、形狀、工作環(huán)境等因素，以確保支座能夠承受相應(yīng)的載荷并保證換熱器的穩(wěn)定性。第八章總結(jié)本文從換熱器的設(shè)計(jì)和選型等多個(gè)方面進(jìn)行了介紹和分析。通過(guò)對(duì)各方面的論述，我們可以更好地理解和掌握換熱器的設(shè)計(jì)和選型方法，為實(shí)際應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。在填料函式換熱器中，填料的選擇和排列方式對(duì)傳熱效果有著很大的影響。這種換熱器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高，適用于高黏度流體的傳熱。缺點(diǎn)是清洗困難，且填料易受損壞，需要經(jīng)常更換。因此，在選擇填料函式換熱器時(shí)，需要考慮到流體的黏度、結(jié)垢和腐蝕情況等因素。2.換熱器設(shè)計(jì)依據(jù)在換熱器設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)工藝要求選擇適合的換熱器類(lèi)型，并計(jì)算所需傳熱面積和確定換熱管的結(jié)構(gòu)尺寸。此外，還需要參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)，如《浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)》、《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》等。3.換熱器選型在化工生產(chǎn)中，對(duì)于不同的條件下進(jìn)行熱交換的要求也是多種多樣的。因此，在選擇換熱器時(shí)需要考慮到材料、壓強(qiáng)、溫度、溫度差、壓強(qiáng)降、流動(dòng)狀態(tài)、傳熱效果、結(jié)垢腐蝕情況、檢修和操作等因素。3.1固定管板式換熱器固定管板式換熱器操作簡(jiǎn)單、便宜，但是管外側(cè)清洗困難，多用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢或污垢容易化學(xué)處理的場(chǎng)合。當(dāng)殼壁與殼壁溫度相差較大時(shí)，需要有溫差補(bǔ)償裝置，以免產(chǎn)生溫差應(yīng)力導(dǎo)致?lián)Q熱器損壞。3.2浮頭式換熱器浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)前兩側(cè)傳熱介質(zhì)溫差較大時(shí)，不會(huì)因膨脹產(chǎn)生溫差壓力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。3.3U型管式換熱器U型管式換熱器只有一個(gè)管板，管程至少為兩程，管束可以取出，管外側(cè)清洗方便，但是U型管的更換及管內(nèi)清洗困難。3.4填料函式換熱器填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高，適用于高黏度流體的傳熱。缺點(diǎn)是清洗困難，且填料易受損壞，需要經(jīng)常更換。在選擇填料函式換熱器時(shí)需要考慮到流體的黏度、結(jié)垢和腐蝕情況等因素。根據(jù)水冷卻氨氣不易結(jié)垢的特點(diǎn)，我們選擇帶有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器作為合適的選型。填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，其管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。這種結(jié)構(gòu)的管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，耗材少，造價(jià)也比浮頭式的低。同時(shí)，管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。但是，填料函嚴(yán)密度不高，殼程介質(zhì)可能通過(guò)填料函外漏，因此不適用于易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是利用冷水冷卻煤油。煤油作為熱流體，其入口溫度為140°C，出口溫度為40°C；水作為冷流體，入口溫度為25°C，出口溫度為35°C?？紤]到冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的關(guān)閉溫度和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。在選擇換熱器類(lèi)型時(shí)，需要遵循經(jīng)濟(jì)、傳熱效果優(yōu)、方便清洗、符合實(shí)際需要等原則。不同的換熱器適用于不同的場(chǎng)合，而列管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造容易、處理能力大、適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性大。尤其在高壓、高溫和大型裝置中使用更為普遍。因此，我們選擇間壁式換熱器中的列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇上，一般原則是：(1)不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因?yàn)楣軆?nèi)清洗方便。(2)腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。(3)壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。(4)飽和蒸汽宜走殼程，因?yàn)轱柡驼羝容^清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無(wú)關(guān)，而且冷凝液容易排出。(5)流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜，因?yàn)樵跉こ蘎e>100即可達(dá)到湍流。但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這類(lèi)流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。(6)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。因?yàn)檠h(huán)冷卻水容易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，油品走殼程。最后，在選擇換熱管時(shí)，應(yīng)考慮管材的耐腐蝕性、耐壓性、導(dǎo)熱性、成本等因素。根據(jù)實(shí)際情況，我們可以選擇不銹鋼、銅、鈦等材料制作換熱管。為了提高傳熱效率和減少金屬耗量，我們選擇了較小直徑的管子，這可以提高流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，同時(shí)增大單位體積設(shè)備中的傳熱面積，使設(shè)備更加緊湊。但是，小管子容易結(jié)垢，清洗難度較大，因此適用于較為清潔的流體。對(duì)于粘度較大或易結(jié)垢的流體，我們則選擇大管徑的管子。在本項(xiàng)目中，我們選擇了φ25×2.5碳鋼管作為換熱管的規(guī)格，并將管內(nèi)流速設(shè)為ui=0.5m/s。為了確定物性參數(shù)，我們需要先確定定性溫度。本項(xiàng)目中，流體進(jìn)口溫度的平均值為（140+40）/2=90°C，因此定性溫度為90°C。殼程冷卻水的定性溫度為30°C。根據(jù)定性溫度，我們查閱了殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)于油來(lái)說(shuō)，其在90°C下的密度為825㎏/m3，定壓比熱容為2.22kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.140W/(m·K)，粘度為0.000715Pa·s。對(duì)于循環(huán)冷卻水來(lái)說(shuō)，其在30°C下的密度為995.7㎏/m3，定壓比熱容為4.174kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.618W/(m·K)，粘度為0.000801Pa·s。接下來(lái)，我們需要估算傳熱面積。首先計(jì)算熱流量，公式為Q=mcΔt，其中m為質(zhì)量流率，c為定壓比熱容，Δt為溫差。本項(xiàng)目中，熱流量為10000×2.22×(140-40)=2.2×10(kJ/h)=616.7（kW）。然后計(jì)算平均傳熱溫差。根據(jù)公式Δt/m=Δt1-Δt2，計(jì)算得到Δt/m=(140-40)-(35-25)=39°C。根據(jù)對(duì)數(shù)平均溫差公式，計(jì)算得到Δt1-Δt2/ln(Δt1/Δt2)=(140-40)/(ln(35/25))。接下來(lái)，我們需要計(jì)算冷卻水用量。根據(jù)公式Q=mcΔt，計(jì)算得到冷卻水用量為Q=2.22×106/(4.174×(35-25))=53186(kg/h)。最后，我們需要計(jì)算總傳熱系數(shù)K。首先計(jì)算管程傳熱系數(shù)，公式為Re=diuiρi/ηi，其中Re為雷諾數(shù)，di為管子內(nèi)徑，ui為流速，ρi為流體密度，ηi為流體粘度。本項(xiàng)目中，Re=0.02×0.5×995.7/0.000801=12431，因此采用下式計(jì)算hi：hi=0.023diuiρiηi^(-0.2)cp^(0.4)ηi^(0.6)/λ^(0.8)其中，cp為定壓比熱容，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。本文介紹了一個(gè)換熱器的設(shè)計(jì)過(guò)程。首先計(jì)算了殼程的傳熱系數(shù)，考慮了管壁的導(dǎo)熱系數(shù)、殼程的傳熱系數(shù)和污垢熱阻。然后計(jì)算了傳熱面積，并考慮了15%的面積裕度。接著，根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定了單程傳熱管數(shù)，并按單管程計(jì)算所需換熱管的長(zhǎng)度。由于傳熱管過(guò)長(zhǎng)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)為6m，設(shè)計(jì)了2個(gè)管程，總共220根傳熱管。最后計(jì)算了平均傳熱溫差校正系數(shù)和平均傳熱溫差。5.4傳熱管排列和分程方法為了達(dá)到更好的傳熱效果，我們采用了組合排列的方式，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列。取管心距t=1.25do，則t=1.25×25≈32mm。橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù)nic=1.1N=1.1220≈16.32≈16(根)。5.5殼體內(nèi)徑我們采用了多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率ηa=0.7，則殼體內(nèi)徑D=t(nic-1)+2b'=32×(16-1)+2×25=530mm。為了方便，我們圓整取D=600mm。5.6折流板我們采用了弓形折流板，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=0.25×600=150mm，取h=150mm。折流板間距取B=0.3D，則B=0.3×600=180mm，取B=200mm。折流板數(shù)NB=傳熱管長(zhǎng)6000-1÷B=29（塊）。折流板圓缺水平面安裝。5.7接管殼程流體（煤油）進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑d=10/(4V/πu)=10/(4×6000/(3600×825))=0.051(m)，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm。管程流體（循環(huán)水）進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑d=10/(4V/πu)=10/(4×53186/(3600×995.7))=0.112(m)，取標(biāo)準(zhǔn)管徑為125mm。第六章?lián)Q熱器核算6.1熱量核算6.1.1殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)于圓缺形折流板，我們采用克恩公式計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)：λ=0.36o(d/e)α(ρo/cpo)1/3(μo/λo)0.55(μo/μw)0.14當(dāng)量直徑由正三角形排列得：de=d/π(3/2-2t/do+4/d0)殼程流通截面積為：2S=πd0(0.032-0.025)則殼程對(duì)流傳熱系數(shù)為：1.殼程傳熱系數(shù)計(jì)算：根據(jù)公式K=Q/(SΔT)，可以計(jì)算出傳熱系數(shù)K。其中Q是熱量，S是傳熱面積，ΔT是溫度差。對(duì)于本文所研究的殼程，其傳熱系數(shù)可以用公式h=K×de/R來(lái)計(jì)算。根據(jù)實(shí)際參數(shù)，可以得到殼程傳熱系數(shù)為405W/m2·°C。2.管程傳熱系數(shù)計(jì)算：根據(jù)公式Nu=0.023×Re0.8×Pr0.4，可以計(jì)算出管程的傳熱系數(shù)。其中Re是雷諾數(shù)，Pr是普蘭德數(shù)。對(duì)于本文所研究的管程，其傳熱系數(shù)可以用公式h=Nu×λ/di來(lái)計(jì)算。根據(jù)實(shí)際參數(shù)，可以得到管程傳熱系數(shù)為2334W/m2·°C。3.換熱器總傳熱系數(shù)計(jì)算：根據(jù)公式1/K=1/ho+Rsi+Rso+1/hi，可以計(jì)算出換熱器的總傳熱系數(shù)K。其中ho和hi分別是殼程和管程的傳熱系數(shù)，Rsi和Rso分別是殼程進(jìn)出口處的熱阻，di是管程內(nèi)徑。根據(jù)實(shí)際參數(shù)，可以得到換熱器的總傳熱系數(shù)為236.5W/m2·°C。4.換熱器傳熱面積計(jì)算：根據(jù)公式S=Q/(KΔT)，可以計(jì)算出換熱器的傳熱面積S。其中Q是熱量，K是總傳熱系數(shù)，ΔT是溫度差。根據(jù)實(shí)際參數(shù)，可以得到換熱器的傳熱面積為81.50m2。此外，根據(jù)實(shí)際參數(shù)，還可以計(jì)算出換熱器的面積裕度為9.85%。本文主要介紹了換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力的計(jì)算，以及如何判斷管程阻力和殼程阻力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。首先，文章介紹了管程流動(dòng)阻力的計(jì)算方法。根據(jù)公式，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，得出了管程阻力在允許的范圍之內(nèi)。其次，文章介紹了殼程流動(dòng)阻力的計(jì)算方法。由于Esso法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性較好，因此本文采用了Esso法。根據(jù)公式，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，得出了殼程阻力在允許的范圍之內(nèi)。最后，文章總結(jié)了本文的主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)了管程阻力和殼程阻力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的重要性。經(jīng)過(guò)計(jì)算和參考化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（天津大學(xué)出版社）的附錄，殼體直徑為600mm，長(zhǎng)度為6m，厚度為5mm。換熱器封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料為碳素鋼Q235-C，厚度為5mm。法蘭結(jié)構(gòu)的選擇需要考慮操作條件，根據(jù)給定的壓力和溫度，選定適合的法蘭和連接材料。7.1殼體直徑、長(zhǎng)度、厚度設(shè)計(jì)根據(jù)計(jì)算，殼體直徑為D=600mm，長(zhǎng)度為l=6m，操作壓力為Pc=.3Mpa。根據(jù)查表數(shù)據(jù)，得到殼體厚度δ=.644mm?？紤]腐蝕余量和鋼板厚度負(fù)偏差，設(shè)計(jì)厚度為δd=2.644mm，取名義厚度δn=5mm。因?yàn)樘妓劁撘?guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于3mm，故取名義厚度為5mm合適。7.2換熱器封頭尺寸設(shè)計(jì)綜合考慮，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料為碳素鋼Q235-C，厚度為5mm。根據(jù)計(jì)算，橢圓頭短半徑hi=150mm。7.3法蘭及各連接材料的選擇根據(jù)給定的操作條件，壓力為Pc=.3Mpa，溫度為t=140℃，選定適合的法蘭和連接材料。根據(jù)數(shù)據(jù)《JB_4700~4707壓力容器法蘭》，可得以下信息：-法蘭類(lèi)型：松式法蘭-法蘭材料：Q235-壓緊面：凹凸面根據(jù)數(shù)據(jù)，選擇耐油墊作為墊片形式，墊片壓緊面形狀為凹凸形壓緊面，材料為橡膠石棉板。按照《GB150-1998鋼制壓力容器》計(jì)算，墊片系數(shù)為m=2.75，比壓力為y=25.5Mpa，墊片接觸寬度為N=20mm。墊片基本密封寬度為b0=N/2=10mm，有效密封寬度為b=2.53b0=8mm。墊片壓緊力作用中心圓計(jì)算直徑為Dg=700-2b=684mm。預(yù)緊時(shí)需要的壓緊力為Fa=πDgby=438143N，操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力為Fp=2πDgbmPc=28350N。在流體進(jìn)出口接管直徑的計(jì)算中，殼程流體（煤油）進(jìn)出口接管的標(biāo)準(zhǔn)管徑為80mm，管程流體（循環(huán)水）進(jìn)出口接管的標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm。在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方面，已知?dú)んw的名義厚度為6mm，接管名義厚度為nt=4mm。根據(jù)已知條件，殼體的計(jì)算厚度為σ=2.644mm，接管的計(jì)算厚度為δ=0.23mm。開(kāi)孔直徑為d=96mm，有效補(bǔ)強(qiáng)厚度為B=1