制藥工程課程設(shè)計(jì)

1、中國(guó)藥科大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)管殼式換熱器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 孫國(guó)良 學(xué)生學(xué)號(hào) 1343114 學(xué)科專業(yè) 制藥工程 院部名稱 工學(xué)院 設(shè)計(jì)時(shí)間 2016.05.15至2016.06.14 二零一六 年 六 月目錄引 言3一、 傳熱原理及用途3二、 換熱器的分類與特點(diǎn)3三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性3四、 設(shè)計(jì)的普遍標(biāo)準(zhǔn)與要求4設(shè)計(jì)任務(wù)4設(shè)計(jì)步驟與基本原則5一、設(shè)計(jì)步驟5二、列管式換熱器種類選取5三、管程與殼程的選取5三、流體流速的選擇5四、管程結(jié)構(gòu)的選擇6五、管程和管殼數(shù)的確定7六、 折流擋板7七、 其他主要部件7設(shè)計(jì)方案的確定8一、 設(shè)計(jì)方案的確定81.選擇換熱器類型82.選定流體流動(dòng)空間及流速8流程草圖及

2、說(shuō)明8設(shè)計(jì)計(jì)算8一、物性數(shù)據(jù)的確定8二、計(jì)算逆流的平均溫度差9三、初選總傳熱系數(shù)K9標(biāo)準(zhǔn)化的管殼式換熱器設(shè)計(jì)方案10一、換熱器初步選型10二、換熱器核算10非標(biāo)準(zhǔn)化管殼式換熱器的設(shè)計(jì)方案14一、工藝結(jié)構(gòu)尺寸14二、 換熱器核算16其他零部件的設(shè)計(jì)20一、壁厚的確定20二、 封頭的確定21換熱器裝配圖21設(shè)計(jì)評(píng)述21一、 設(shè)計(jì)總結(jié)21二、 設(shè)計(jì)感想21參考資料22致謝22第 22 頁(yè) 共 22 頁(yè)中國(guó)藥科大學(xué)引 言1、 傳熱原理及用途換熱器是一種在兩種或兩種以上不同溫度的流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的設(shè)備，其功能是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過(guò)程

3、工藝條件的需要，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。在換熱器中要實(shí)現(xiàn)熱交換至少要有兩種不同溫度的流體，一種流體溫度高，放熱；另一種流體溫度低，吸熱。根據(jù)具體的換熱要求，換熱器中有時(shí)也會(huì)有兩種以上流體參與換熱，但其基本原理與兩種流體是一致的。 自然界存在三種基本傳熱方式，即熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱、及熱輻射。在管殼式換熱器中，實(shí)現(xiàn)高、低溫流體的熱量交換至少包括三個(gè)基本步驟，即對(duì)流傳熱熱傳導(dǎo)對(duì)流傳熱。若傳熱壁面兩側(cè)存在污垢層，還應(yīng)加上通過(guò)兩壁面污垢層的熱傳導(dǎo)過(guò)程。目前，換熱器已成為化工、石油、動(dòng)力、食品等行業(yè)中廣泛使用的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)

4、器和再沸器等，應(yīng)用廣泛。2、 換熱器的分類與特點(diǎn)1.按用途劃分按照其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。加熱器是把流體加熱到必要的溫度而使用的熱交換器，被加熱的流體沒(méi)有相變化；冷卻器是用于把流體冷卻到必要的溫度的熱交換器；冷凝器是用于冷卻凝結(jié)性氣體，并使其凝結(jié)液化的熱交換器，若使氣體全部冷凝，則稱為全凝器，否則稱為分凝器；再沸器是用于再加熱裝置中冷凝了的液體使其蒸發(fā)的熱交換器；深冷器是用于把流體冷卻到0以下的很低溫度的熱交換器；過(guò)熱器是將流體（一般是氣體）加熱到過(guò)熱狀態(tài)的熱交換器。2. 按熱量交換原理和方式劃分按照冷、熱流體熱量交換的原理和方式不同，換熱器可

5、分為3大類：（1） 混合式換熱器：冷、熱流體直接接觸和混合進(jìn)行換熱。這類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，常做成塔狀。（2） 蓄熱式換熱器：冷熱流體交替通過(guò)格子磚或填料等蓄熱體以實(shí)現(xiàn)換熱。這類換熱器由于少量流體相互摻和，易造成流體間的“污染”。（3） 間壁式換熱器：冷熱流體通過(guò)隔開(kāi)它們的固體壁面進(jìn)行換熱，這是工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的一類換熱器。按照傳熱面的形狀及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可將其分為：1 管式換熱器，如管殼式、套管式、螺旋管式、熱管式等；2 板面式換熱器，如板式、螺旋板式等；3 擴(kuò)展表面式換熱器，如板翅式、管翅式等。3、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性 換熱器是制藥生產(chǎn)、化工、石油、動(dòng)力、食品等行業(yè)中廣泛使用的通用設(shè)備，

6、在生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用，一個(gè)合適的換熱器可以更好的達(dá)到生產(chǎn)要求。在化工廠的建設(shè)中，換熱器約占工程總投資的11%；通常換熱器約占煉油及化工設(shè)備總投資的40%。再者，在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高其換熱效率，可以減少能源的消耗；用換熱器來(lái)回收工業(yè)余熱，也可以顯著的提高流程整體的熱效率。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量量不斷增加，能源緊張已成為一個(gè)全球性問(wèn)題，為緩解生產(chǎn)和人民生活的方方面面。因此，換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理研究，在節(jié)省投資、降低能耗等方面發(fā)揮著日益重要的作用4、 設(shè)計(jì)的普遍標(biāo)準(zhǔn)與要求1、設(shè)計(jì)的普遍標(biāo)準(zhǔn) 工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)政策性很強(qiáng)的工作，要求設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵循國(guó)家

7、的有關(guān)方針政策和法律法規(guī)以及有關(guān)的行業(yè)規(guī)范，特別是國(guó)家的工業(yè)經(jīng)濟(jì)法規(guī)、環(huán)境保護(hù)法規(guī)和安全法規(guī)。此外，由于設(shè)計(jì)本身是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)于同一個(gè)問(wèn)題，常會(huì)有多種不同的解決方案，設(shè)計(jì)者常常要在相互矛盾的選項(xiàng)中進(jìn)行判斷和選擇，作出科學(xué)合理的決策，為此一般應(yīng)遵循如下一些普遍標(biāo)準(zhǔn)：技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性；過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性；過(guò)程的安全性；清潔生產(chǎn)；過(guò)程的可操作性和可控制性；盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)系列。 2、設(shè)計(jì)的基本要求 、查閱文獻(xiàn)資料，了解換熱設(shè)備的相關(guān)知識(shí)，熟悉換熱器設(shè)計(jì)的方法和步驟； 、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定的生產(chǎn)任務(wù)和操作條件，進(jìn)行換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算； 、根據(jù)換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 、

8、以換熱器工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，繪制換熱器裝配圖；、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行書(shū)面總結(jié)，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)當(dāng)用簡(jiǎn)潔的文字和清晰的圖表表達(dá)設(shè)計(jì)思想、計(jì)算過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)計(jì)任務(wù)以某工段C9產(chǎn)品冷卻器設(shè)計(jì)為例。該冷卻器利用公用工程冷卻水使C9產(chǎn)品降溫，達(dá)到工藝要求。其設(shè)計(jì)條件如表1所列。表1 冷卻器設(shè)計(jì)條件參數(shù)熱流體冷流體介質(zhì)C9產(chǎn)品公用工程冷卻水進(jìn)出溫度/ 188/5030/40壓力/ MPa0.690.45物料質(zhì)量流量/ (kg·h-1)8500設(shè)計(jì)步驟與基本原則一、設(shè)計(jì)步驟根據(jù)任務(wù)書(shū)給定的冷熱流體的溫度，選擇設(shè)計(jì)列管式換熱器中的浮頭式換熱器；再依據(jù)冷熱流體

9、的性質(zhì)，判斷其是否易結(jié)垢，來(lái)選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，由于冷卻水易結(jié)垢，若流速太低會(huì)加快污垢增長(zhǎng)的速度，使換熱器的熱流量下降，總體考慮，冷卻水走管程，C9產(chǎn)品走殼程。從手冊(cè)中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，黏度。計(jì)算出總傳熱系數(shù)，再計(jì)算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，確定傳熱管數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)傳熱管長(zhǎng)，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。隨后校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。確定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設(shè)計(jì)步驟，計(jì)算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，確定板間距，折流板數(shù)等，再設(shè)計(jì)殼程和管程的內(nèi)徑。分別對(duì)換熱器的熱量，管程對(duì)流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進(jìn)行核算，再算出面積裕度。最后，對(duì)傳熱流體的流

10、動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算，如果在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)就能完成任務(wù)。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)好的換熱器類型選擇合適的相關(guān)零部件即可。二、列管式換熱器種類選取根據(jù)固定管板式的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。U形管式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，兩流體溫度變化情況如下：熱流體進(jìn)口溫度188，出口溫度52；冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度40；溫差較大。我們?cè)O(shè)計(jì)的換熱器中流體有冷卻水易結(jié)垢，再根據(jù)可以完全消除熱應(yīng)力原則我們選用浮頭式換熱器

11、。三、管程與殼程的選取 根據(jù)以下原則：1) .不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。2) .腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，且管子也便于清洗和檢修。3) .壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。4) .飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大5) .被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。6) .需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。7) .粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間 又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，在低Re

12、(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)，且冷卻水易結(jié)垢，污垢會(huì)影響傳熱效率，所以選擇冷卻水走管程，C9產(chǎn)品走殼程。三、流體流速的選擇當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)，增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積，使換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，降低制造成本。但是流速過(guò)大也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，如壓降增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。此外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)，而管子太長(zhǎng)不易清洗，一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)

13、準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑逃謺?huì)使平均溫度差下降。因此需要選擇適當(dāng)?shù)牧魉俜秶?，已達(dá)到較好的傳熱效果。同時(shí)也要考慮流體本身的特性，如易燃易爆液體或氣體應(yīng)控制其流速不能過(guò)大等。 換熱器常見(jiàn)流體及不同黏度液體的流速范圍如下表：表2-換熱器中常見(jiàn)流體的流速范圍流速流體循環(huán)水新鮮水一般液體易結(jié)垢液體低黏度油高粘度油氣體管程流速m/s1.0 2.00.8 1.50.5 3>1.00.8 1.80.5 1.55 30殼程流速m/s0.5 1.50.5 1.50.2 1.5>0.50.4 1.00.3 0.82 15表3-不同黏度液體的流速（以普通鋼壁為例）液體黏度（）最大流速 u（m/s）> 1500

14、0.61500 5000.75500 1001.1100 351.535 11.8< 1 2.4四、管程結(jié)構(gòu)的選擇 選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過(guò)前面介紹的流速范圍。常用的列管式換熱管規(guī)格有19mm×2mm、25×2.5mm及25×2mm。在選擇管徑規(guī)格時(shí)，通常選用外徑為19mm的管子；在這里，冷卻水易結(jié)垢，為了方便清洗，選擇 25×2.5mm管子。管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為46

15、(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等，等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有:管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，即對(duì)流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣摺９茏釉诠馨迳吓帕械拈g距 (指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.31.5)d，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.2

16、5d換熱管管心距通常按表4選取。表4-換熱管管心距換熱管外徑/mm19253238換熱管管心距/mm25324048分程隔板槽兩側(cè)相鄰管的管心距/mm38445260五、管程和管殼數(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，增加動(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(wèn)題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。6、 折流擋板 安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體

17、的速度，使湍動(dòng)程度加劇，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的1040，一般取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)B為外殼內(nèi)徑D的(0.21)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的B值為:固定管板式的有150、300和600mm三種，板間距過(guò)小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過(guò)大，流體就難于垂直地流過(guò)管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。這次設(shè)計(jì)選用圓缺形擋板。換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑。初步設(shè)計(jì)時(shí)，可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截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。7、 其他主要部件1. 緩沖板與

18、導(dǎo)流筒 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。2. 拉桿和定距管 折流板用拉桿和定距管連接在一起。拉桿的數(shù)量取決于殼體的直徑，從4根到10根，直徑10 12mm。定距管直徑一般與換熱管相同。又是也可將折流板與拉桿焊在一起而不用定距管。3. 旁流擋板與假管 當(dāng)管束與殼體之間的間隙較大時(shí)，會(huì)形成旁流，影響傳熱，其間應(yīng)設(shè)置旁流擋板，或稱密封條。當(dāng)管束中間由于管程分程隔板而引起較大的空隙時(shí)，可裝一些假管，以減少旁流。假管是一些

19、不穿過(guò)管板的管子，他們的一端或兩段都是封閉的，沒(méi)有流體通過(guò)，不起換熱作用。設(shè)計(jì)方案的確定1、 設(shè)計(jì)方案的確定 1.選擇換熱器類型 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，兩流體溫度變化情況如下：熱流體進(jìn)口溫度188，出口溫度52；冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度40；因考慮冷、熱流體溫度差較大，初步確定選用浮頭式換熱器。 2.選定流體流動(dòng)空間及流速由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，若流速太快會(huì)加速污垢增長(zhǎng)速度，式換熱器的熱流量下降，總體考慮，冷卻水走管程，C9產(chǎn)品走殼程。同時(shí)選用25mm×2.5mm的較高級(jí)冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速。流程草圖及說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)換熱器流程草圖如下：其中，循環(huán)冷卻水走管程，其進(jìn)口溫度為30，出口溫度為40；C

20、9產(chǎn)品走殼程，其進(jìn)口溫度為188，出口溫度為50；從整體上分析兩流體處于逆流狀態(tài)。設(shè)計(jì)計(jì)算一、物性數(shù)據(jù)的確定 1.定性溫度可取流體進(jìn)口溫度的平均值，則殼程流體的定性溫度為：管程流體的定性溫度為2.根據(jù)定性溫度，由Aspen Exchanger Design and Rating 中自帶的物性數(shù)據(jù)庫(kù)可查得操作條件下管程即殼程的物性數(shù)據(jù)如表4所示。 表4 管程與殼程的定性溫度及相關(guān)物性數(shù)據(jù)參數(shù)殼程管程定性溫度()11935密度（kg/m³）931.7994.3比定壓熱容kJ/(kg·）1.374.174熱導(dǎo)率W/(m·)0.2080.624黏度（mPa·s）

21、0.850.742 3.換熱器的熱負(fù)荷 換熱器的熱負(fù)荷可根據(jù)熱流體的流量及溫度變化情況計(jì)算： 4.冷流體質(zhì)量流量： 二、計(jì)算逆流的平均溫度差設(shè)C9產(chǎn)品冷卻器殼程物料進(jìn)出口溫度分別為,管程冷卻水進(jìn)出口溫度分別為，則逆流的平均溫度差為三、初選總傳熱系數(shù)K 根據(jù)物系、操作條件及傳熱手冊(cè)，初步假設(shè)傳熱系數(shù)K=350 W/()。 5.估計(jì)總傳熱面積 總傳熱方程為，則 考慮非標(biāo)準(zhǔn)換熱器設(shè)計(jì)需要留有裕度，則 標(biāo)準(zhǔn)化的管殼式換熱器設(shè)計(jì)方案一、換熱器初步選型換熱器形式的確定有兩種，一種將換熱器作為標(biāo)準(zhǔn)化的管殼式換熱器進(jìn)行選型，另一種是自行設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)化的換熱器。這里將換熱器做為標(biāo)準(zhǔn)化換熱器通過(guò)選型完成設(shè)計(jì)任務(wù)。根

22、據(jù)殼程及管程流體溫度的變化和傳熱面積，并考慮一定的裕度，在浮頭式換熱器系列中選擇型號(hào)為BES 500-0.6-28.3-3/25-1 I 的內(nèi)導(dǎo)流浮頭式換熱器，根據(jù)JB/T 4714-92，該換熱器的基本參數(shù)如下：外殼直徑500mm管/殼程設(shè)計(jì)壓力0.6MPa公稱傳熱面積28.3m²管子尺寸25mm×2.5mm管子數(shù)206管長(zhǎng)3m管心距32mm管程數(shù)2管子排列方式正三角形管程流通面積0.0215m² 采用雙弓折流板，圓缺高度為殼徑的25%,折流板間距0.3m。二、換熱器核算 1.傳熱能力的核算 （1）.殼程流體傳熱系數(shù) 根據(jù)克恩公式有其中當(dāng)量直徑由于正三角形排列，

23、則殼程流通面積，由于D=500mm,B=0.33D=165mm,則殼程流速雷諾數(shù)普朗特?cái)?shù)黏度校正 所以， （2）.管程流體傳熱系數(shù) 根據(jù)迪特斯-貝爾特公式有其中，管程流通面積管程流速雷諾數(shù)普朗特?cái)?shù)所以 （3）.污垢熱阻和管壁熱阻查閱化工工藝物性手冊(cè)得： 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 0.000344 m²·/W 管外側(cè)污垢熱阻 0.000200 m²·/W 管壁導(dǎo)熱系數(shù) 50 m²·/W （4）.總傳熱系數(shù) （5）.傳熱面積裕度換熱所需傳熱面積實(shí)際傳熱面積 則裕度所以該換熱器能完成任務(wù) 2.壁溫核算由于管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫降低，降低了

24、殼體與傳熱管壁之間的溫度差，但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管壁溫度差會(huì)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。所以，傳熱管平均壁溫殼體因有良好的保溫層，可近似取殼程流體的平均溫度，即t=105.2。所以， ，溫差較大，且任務(wù)要求中殼程流體壓力較高，因此，選用浮頭式換熱器是可行的 3.換熱器的阻力損失 （1）.管程阻力損失其中，對(duì)25mm×2.5mm的管子有由Re=13740.61，傳熱管相對(duì)粗糙取 ，查莫迪摩擦系數(shù)圖得 管程流速 ，管程流體密度 則則， 因此，管程流體阻力損失在允許范圍之內(nèi)。 （2）.殼程阻力損失流體流經(jīng)管束的阻力其中，

25、F=0.5，則，流體流過(guò)擋板缺口的阻力因此殼程總阻力因此，殼程流體阻力損失也在允許范圍之內(nèi)初選的標(biāo)準(zhǔn)化換熱器能滿足工藝要求。非標(biāo)準(zhǔn)化管殼式換熱器的設(shè)計(jì)方案一、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （1）.管徑和管內(nèi)流速 已選定，管徑為25mm×2.5mm，管內(nèi)流速為。 （2）.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計(jì)算所需換熱管的長(zhǎng)度L 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)本任務(wù)的實(shí)際情況，取傳熱管長(zhǎng)L=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為 傳熱管總根數(shù) （3）.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 首先計(jì)算P和R的參數(shù)： 按公式獲取并求取 單殼程雙管程屬于1-2折流，現(xiàn)用1-2折流的公式計(jì)算溫差校正系數(shù)

26、和傳熱平均溫差。由于溫度校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流量亦較大，故取單殼程較合適。 （4）.傳熱管排列和分程方法采用組合排列，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，則隔板中心到其最近一排管中心的距離C：按凈空不小于6mm的原則確定，亦可按下式來(lái)求?。?分程隔板兩側(cè)相鄰排管之間的管心距 管中心距t與分隔板槽兩側(cè)相鄰管排中心距的計(jì)算結(jié)果與表4給出的數(shù)據(jù)完全一致，證明可用。 （5).殼體內(nèi)徑 采用兩管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑圓整取D=400mm。 (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，取h=100mm。 取折流板

27、間距為B=0.33D=0.33×400=132mm，則折流板數(shù) 折流板圓缺水平面安裝。 （7）.其他附件 拉桿直徑為12mm，其數(shù)量不少于4根。殼程入口應(yīng)設(shè)置防沖擋板。 （8）.接管1 殼程流體（C9產(chǎn)品）進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)流體流速為4m/s,則接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑為2 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2.5m/s,則接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑為2、 換熱器核算 （1）.傳熱能力核算1 殼程對(duì)流給熱系數(shù) 對(duì)于圓缺形折流板，可采用克恩公式當(dāng)量直徑由正三角形排列得由于D=400mm,B=132mm，殼程流通截面積殼程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特常數(shù)分別為2 管程給熱系數(shù) 根據(jù)迪特斯

28、-貝爾特公式有 管程流通面積管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為故，管程給熱系3 污垢熱阻與管壁熱阻查閱化工工藝物性手冊(cè)得： 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 0.000344 m²·/W 管外側(cè)污垢熱阻 0.000200 m²·/W 管壁導(dǎo)熱系數(shù) 碳鋼的熱導(dǎo)率：45 m²·/W4 總傳熱系數(shù) 所以5 傳熱面積理論傳熱面積該換熱器的實(shí)際換熱面積 面積裕度為 換熱面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。（2） 核算壁溫因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁壁溫按下式計(jì)算：取兩側(cè)污垢與熱阻為零計(jì)算壁溫，得傳熱管平均壁溫:殼體平均壁溫，近似取殼程流體的平均溫度，即105

29、.2殼體平均溫度與傳熱管平均壁溫之差：105.2-42.4=62.8該溫差較大，故需設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程流體壓力較高，因此，選用浮頭式換熱器是可行的。（3） 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力1 管程流動(dòng)阻力取換熱管粗糙度為0.01mm,則/d=0.005，而所以，2 殼程流動(dòng)阻力流體流經(jīng)管束的阻力式中：F為管子排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形錯(cuò)列F=0.4 流體流經(jīng)管殼式換熱器是由于流動(dòng)阻力而產(chǎn)生一定的壓力降，所以換熱器的設(shè)計(jì)必須滿足工藝要求的壓力將。一般合理的壓力降的范圍見(jiàn)表5表5 合理壓力降的選取操作情況減壓操作低壓操作中壓操作較高壓操作操

30、作壓力/Pa（絕）合理壓力降/Pa0.1p0.5p參考上表可看出該換熱器的壓降在合理的范圍之內(nèi)，故設(shè)計(jì)的換熱器合適。 其他零部件的設(shè)計(jì)一、壁厚的確定殼體、管程殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼。管殼式換熱器的殼體通常是由管材或板材卷制而成的。當(dāng)直徑小于400mm時(shí)，通常采用管材和管箱殼體。當(dāng)直徑不小于400mm時(shí)，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應(yīng)與封頭、連接法蘭的系列匹配，以便于法蘭和封頭的選型。一般情況下，當(dāng)直徑小于1000mm時(shí)，其直徑相差100mm為一個(gè)系列：當(dāng)直徑大于1000mm時(shí)，直徑相差200mm為一個(gè)系列，若采用旋壓封頭，其直徑系列的間隔時(shí)間可取100mm。常用碳素鋼

31、或低合金鋼圈圓筒的最小壁厚見(jiàn)表6。表6 碳素鋼或低合金鋼圓筒的最小厚度公稱直徑（mm）400-700800-10001000-15001600-20002100-2600浮頭式（mm）810121416U型管式（mm）810121416固定管板式（mm）68101214 由之前的計(jì)算可知，殼體和管箱殼體外徑為500mm。選用Q235-A碳素鋼板材制殼體和管箱殼體，在90時(shí) 。下面確定其壁厚。取工作壓力等于設(shè)計(jì)壓力，則，焊接接頭系數(shù)=0.85。計(jì)算壁厚：設(shè)計(jì)壁厚：由于不知道C9產(chǎn)品的腐蝕性，取腐蝕裕度C=1mm，則 名義壁厚：，可取名義壁厚為3mm考慮到安全系數(shù)，以及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等措施，故按表6取殼

32、體和箱管殼體壁厚為8mm。2、 封頭的確定 橢圓形封頭是由長(zhǎng)短半軸分別為a、b的半橢圓和高度為的段圓筒（通稱為直邊）兩部分構(gòu)成。直邊的作用是保證封頭的制造質(zhì)量，避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受到邊緣應(yīng)力的作用。 受內(nèi)牙（凹面受壓）的橢圓形封頭的計(jì)算壁厚為：而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1.00，故 表7 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度 單位：mm封頭材料碳素鋼普通鋼復(fù)合鋼板不銹鋼封頭壁厚4-810-18203-910-1820直邊高度254050254050 考慮到安全原因及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由表7，更具以上殼體和管箱殼體的尺寸結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇的封頭厚度為8mm，直邊高度25mm。換熱器裝配圖標(biāo)準(zhǔn)浮頭式換熱器裝配圖在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下，使用CAD制圖可得。由于圖片過(guò)大，在word中顯示不清晰，故以附件展示，見(jiàn)文件夾中附件文件。設(shè)計(jì)評(píng)述1、 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過(guò)獨(dú)立完成此次課程設(shè)計(jì)，對(duì)化工原理和機(jī)械設(shè)備有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，提高了自身查閱文獻(xiàn)，分析數(shù)據(jù)的能力。在設(shè)備裝配圖的繪制過(guò)程中也逐漸做到熟練使用CAD繪圖軟件。完成此次涉及