化工原理課程設(shè)計(jì) 非標(biāo)準(zhǔn)系列管殼式氣體冷卻器的設(shè)計(jì).doc

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化工原理課程設(shè)計(jì) 作 者： 王書忍 學(xué) 號： 201006853 學(xué) 院： 化學(xué)與生物工程學(xué)院 專 業(yè)： 應(yīng)用化學(xué) 題 目： 非標(biāo)準(zhǔn)系列管殼式氣體冷卻器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 陶彩虹老師 　 1 1 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、設(shè)計(jì)題目：非標(biāo)準(zhǔn)系列管殼式氣體冷卻器的設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)條件 1.生產(chǎn)能力：混合氣體流量為6000/h，混合氣的相對分子質(zhì)量為17. 2.混合氣進(jìn)口溫度為144.5℃，出口溫度為57℃，冷卻水入口溫度30℃，出口溫度36℃。 3．已知混合氣及冷卻水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： 密度 （Kg/） 粘度 （mPa.s） 比熱容 （KJ/Kg.） 導(dǎo)熱系數(shù) (W/(m.)) 混合氣 0．925 0.0155 1.9 0.058 冷卻水 994.7 0.757 4.174 0.622 4.兩流體均無相變。 三、設(shè)計(jì)步驟及要求 1.確定設(shè)計(jì)方案 （1）選擇列管式換熱器的類型 （2）選擇冷卻劑的類型和進(jìn)出口溫度 （3）查閱介質(zhì)的物性參數(shù) （4）選擇冷熱流體流動的空間及流速 2.初步估算換熱器的傳熱面積 3.初選換熱器規(guī)格 4.校核 （1）核算換熱器的傳熱面積，要求設(shè)計(jì)裕度不小于10%，不大于20%。 （2）核算管程和殼程的流體阻力損失。 如果不符合上述要求重新進(jìn)行以上計(jì)算 5.附屬結(jié)構(gòu)如封頭、管箱、分程隔板、緩沖板、拉桿和定距管、人孔或手孔、法蘭、補(bǔ)強(qiáng)圈等的選型 四、設(shè)計(jì)成果 1.設(shè)計(jì)說明書（A4紙） （1）內(nèi)容包括封面、任務(wù)書、目錄、正文、參考文獻(xiàn)、附錄 （2）格式必須嚴(yán)格按照蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的格式打印。 2.換熱器工藝條件圖（2號圖紙）（手繪） 五、時(shí)間安排 （1）第19周～第20周，于7月17號下午3點(diǎn)本人親自到指定地點(diǎn)交設(shè)計(jì)成果. 六、設(shè)計(jì)考核 （1）設(shè)計(jì)是否獨(dú)立完成； （2）設(shè)計(jì)說明書的編寫是否規(guī)范 （3）工藝計(jì)算與圖紙正確與否以及是否符合規(guī)范 （4）答辯 七、參考資料 1.《化工原理課程設(shè)計(jì)》 賈紹義 柴誠敬 天津科學(xué)技術(shù)出版社 2.《換熱器設(shè)計(jì)手冊》 化學(xué)工業(yè)出版社 3.《化工原理》 夏清 天津科學(xué)技術(shù)出版社 目錄 1.摘要 1 2.文獻(xiàn)綜述 2 2.1熱量傳遞的概念與意義 2 2.1.1熱量傳遞的概念 2 2.1.2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 2 2.1.3.傳熱的基本方式 2 2.2換熱器簡介 3 2.2.1固定管板式換熱器 3 2.2.2浮頭式換熱器 3 2.2.3 U形管式換熱器 4 2.3 列管式換熱器設(shè)計(jì)一般要求 5 2.4 流體流徑的選擇 6 2.5管殼式換熱器 6 2.5.1工作原理 6 2.5.2主要技術(shù)特性 7 3.工藝計(jì)算 8 3.1 確定設(shè)計(jì)方案 8 3.1.1確定流體的定性溫度 8 3.1.2選擇列管式換熱器的形式 8 3.1.3確定流體在換熱器中的流動途徑 8 3.2設(shè)計(jì)參數(shù) 8 3.3計(jì)算總傳熱系數(shù) 8 3.3.1.熱流量 9 3.3.2冷卻水用量 9 3.3.3計(jì)算傳熱面積 9 3.3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 9 3.3.5傳熱計(jì)算 10 3.3.6換熱器內(nèi)流體的流動阻力 12 4.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 15 5.參考文獻(xiàn) 16 6.附錄 17 6.1英文字母 17 6.2 希臘字母 17 6.3下標(biāo) 17 1.摘要 熱量傳遞不僅是化工、能源、宇航、冶金、機(jī)械、石油、動力、食品、國防等各工業(yè)部門重要的單元操作之一，它還在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等其他部門中廣泛涉及。作為該單元操作的設(shè)備——換熱器在化工、煉油裝置中所占的比例，在建設(shè)費(fèi)用方面達(dá)20%-50%之多。因此，無論從能源的利用，還是從工廠的效益來看，合理地選擇和設(shè)計(jì)換熱器，都具有重要的意義。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源利用，開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益增強(qiáng)，換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理等方面的研究也日益活躍。 在諸多類型的換熱器中以間壁式的應(yīng)用最為普遍。此類換熱器中，以管殼式應(yīng)用最廣。本設(shè)計(jì)的任務(wù)就是完成一個(gè)滿足生產(chǎn)要求的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)或選型。 管殼式換熱器設(shè)計(jì)或選型的核心是計(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。由總傳熱速率方程可知，要計(jì)算換熱器的傳熱面積，得確定總傳熱系數(shù)和平均溫度差。由于總傳熱系數(shù)與換熱器的類型、尺寸、流體流道等諸多因素有關(guān)，而平均溫度差與兩流體的流向、輔助物料終溫的選擇等有關(guān)，因此管殼式換熱器設(shè)計(jì)或選型需考慮許多問題，通過多次試算和比較才能設(shè)計(jì)出適宜的換熱器。 換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算有兩種類型，即設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，包括計(jì)算換熱面積和造型兩方面。設(shè)計(jì)計(jì)算的目的是根據(jù)給定的工作條件及熱負(fù)荷，選擇一種適當(dāng)?shù)膿Q熱器類型，確定所需的換熱面積，進(jìn)而確定換熱器的具體尺寸。校核計(jì)算的目的則是對已有的換熱器校核它是否滿足預(yù)定要求，這是屬于換熱器性能計(jì)算問題。無論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是校核計(jì)算，所需的數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)三大類。其中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的選擇在換熱器設(shè)計(jì)中最為重要。對于列管式換熱器的設(shè)計(jì)包括殼體形式、管程數(shù)、管子類型、管長、管子排列形式、折流板形式、冷熱流體流動通道等方面的選擇。工藝數(shù)據(jù)包括冷熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、進(jìn)口壓力、允許壓力降及污垢系數(shù)。物性數(shù)據(jù)包括冷熱流體在進(jìn)出口溫度或定性溫度下的的密度、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等。 本設(shè)計(jì)針對乙醇冷凝的問題選擇一個(gè)滿足工藝要求的標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器。通過對蘭州地區(qū)水資源情況、常年氣溫情況、水價(jià)、水質(zhì)等綜合考慮，最后確定冷卻水的用量、進(jìn)出口溫差等。并根據(jù)工藝過程所規(guī)定的條件，如傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)以及在該參數(shù)下的物性進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)計(jì)算，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的選型及校核。 2.文獻(xiàn)綜述 2.1熱量傳遞的概念與意義 2.1.1熱量傳遞的概念 熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。 2.1.2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：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。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用?？傊瑹o論是在能源，宇航，化工，動力，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。 應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴(kuò)展。 2.1.3.傳熱的基本方式 根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式： （1）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 （2）熱對流（簡稱對流） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動的強(qiáng)制對流。此外，流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。 （3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。 2.2換熱器簡介 換熱器就是用于存在溫度差的流體間的熱交換設(shè)備，換熱器中至少有兩種流體，溫度較高則放出熱量，反之則吸收熱量。換熱器依據(jù)傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法一般分為間壁式、混合式、蓄熱式三類。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣。它又可分為管式換熱器、板式換熱器、翅片式換熱器、熱管換熱器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管殼式等）換熱器應(yīng)用最普遍。列管式和板式，各有優(yōu)點(diǎn)，列管式是一種傳統(tǒng)的換熱器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源等設(shè)備;板式則以其高效、緊湊的特點(diǎn)大量應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中。 2.2.1固定管板式換熱器 一般適用于殼體與管束間的溫度差低于50℃，殼程壓力小于6kgf/cm2的情況。這種換熱器具有結(jié)構(gòu)比較簡單、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)；但其缺點(diǎn)是因管束不能抽出而使殼程清洗困難，因此要求殼程的流體應(yīng)是較清潔且不易結(jié)垢的物料。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管較多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，常會使管子與管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄露。為此常在外殼上焊一膨脹節(jié)，但它僅能減小而不能完全消除由于溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，且在多程換熱器中，這種方法不能照顧到管子的相對移動。由此可見，這種換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。 2.2.2浮頭式換熱器 其優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時(shí)，管束連同浮頭就可在殼體內(nèi)自由伸縮，而與殼體無關(guān)，從而解決熱補(bǔ)償問題。另外，由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修，所以浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，金屬消耗量多，造價(jià)較高。 2.2.3 U形管式換熱器 這種型式換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，重量輕，適用于高溫和高壓的情況。其主要缺點(diǎn)是管程清洗比較困難，且因管子有一定彎曲半徑，管板利用率較低，管程不易清洗，因此管程流體必須清潔。列管式換熱器的設(shè)計(jì)資料較完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。目前我國列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按“鋼制管殼式（即列管式）換熱器”（GB151）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì)、流動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。不僅在設(shè)計(jì)一臺新的換熱器時(shí)需要進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)，而且對于已生產(chǎn)出來的，甚至已投產(chǎn)使用的換熱器在檢驗(yàn)它是否滿足使用要求時(shí)，均需進(jìn)行這方面的工作。 列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容： （1）根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案； （2）初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； （3）核算換熱器的傳熱面積和流動阻力； （4）確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。 表1——換熱器結(jié)構(gòu)分類 類　 型 特　 點(diǎn) 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般≤50℃），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場合 釜式 殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場合和固定床反應(yīng)器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫?zé)崮? 平板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場合 2.3 列管式換熱器設(shè)計(jì)一般要求 列管式換熱器的設(shè)計(jì)資料較完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。目前我國列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按“鋼制管殼式（即列管式）換熱器”（GB151）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì)、流動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。不僅在設(shè)計(jì)一臺新的換熱器時(shí)需要進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)，而且對于已生產(chǎn)出來的，甚至已投產(chǎn)使用的換熱器在檢驗(yàn)它是否滿足使用要求時(shí)，均需進(jìn)行這方面的工作。 2.4 流體流徑的選擇 哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，可以根據(jù)以下方法選擇（固定管板式換熱器） 1、不潔凈和易結(jié)垢的流體易走管內(nèi)，以便于清洗管子。 2、腐蝕性的流體易走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 3、壓強(qiáng)高的流體易走管內(nèi)，以免殼體受壓。 4、飽和蒸汽易走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 5、可利用外殼向外散熱的作用，以增強(qiáng)冷卻效果。 6、需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體易走管內(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，易走管內(nèi)，因流體在有折流擋板的殼程流動時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。 在選擇流體流徑時(shí)，上述各點(diǎn)常不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾。 2.5管殼式換熱器 管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。 2.5.1工作原理 管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。 2.5.2主要技術(shù)特性 一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性： 1、耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用； 2、制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟； 3、選材廣泛，適用范圍大。 2.5.3管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn) (1) 換熱效率高,熱損失小 在最好的工況條件下, 換熱系數(shù)可以達(dá)到6000W/ m2K, 在一般的工況條件下, 換熱系數(shù)也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管殼式換熱器的3～5倍。設(shè)備本身不存在旁路,所有通過設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進(jìn)行充分的換熱。完成同一項(xiàng)換熱過程, 板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/ 3～1/ 4。 (2) 占地面積小重量輕 除設(shè)備本身體積外, 不需要預(yù)留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0. 6～0. 8mm。同樣的換熱效果, 板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。 (3) 污垢系數(shù)低 流體在板片間劇烈翻騰形成湍流, 優(yōu)秀的板片設(shè)計(jì)避免了死區(qū)的存在, 使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。 (4) 檢修、清洗方便 換熱板片通過夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當(dāng)檢修、清洗時(shí), 僅需松開夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。 (5) 產(chǎn)品適用面廣 設(shè)備最高耐溫可達(dá)180 ℃, 耐壓2. 0MPa , 特別適應(yīng)各種工藝過程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面, 在低品位熱能回收方面, 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。各類材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對腐蝕性的要求.當(dāng)然板式換熱器也存在一定的缺點(diǎn), 比如工作壓力和工作溫度不是很高, 限制了其在較為復(fù)雜工況中的使用。同時(shí)由于板片通道較小,也不適宜用于雜質(zhì)較多,顆粒較大的介質(zhì)。 3.工藝計(jì)算 3.1 確定設(shè)計(jì)方案 3.1.1確定流體的定性溫度 冷卻劑為自來水，取入口溫度為30℃，出口溫度為36℃. 混合氣：入口溫度為144.5℃（g），出口溫度為57℃（g）. 水的定性溫度：tm=（30+36）/2=33℃. 混合氣的定性溫度：Tm=（144.5+57）/2=100.75℃. 兩流體的溫度差：Tm - tm=100.75-33=67.75℃. 3.1.2選擇列管式換熱器的形式 兩流體的溫差較大，故選用板管式換熱器. 3.1.3確定流體在換熱器中的流動途徑 由于氣體的壓強(qiáng)高，則混合氣走管程，冷卻水走殼程。. 3.2設(shè)計(jì)參數(shù) 確定物性參數(shù) 混合氣的定性溫度：T=(57+144.5)/2=100.75 ℃ ???? 密度????????? ρi＝0.925kg/m3 定壓比熱容??? Cpi＝1.9kJ/kg℃ 熱導(dǎo)率??????? λi＝0.058W/m℃ 粘度????????? μi＝0.0155mPa﹒s 水的定性溫度：t=(36+30)/2=33℃ 密度????????? ρo＝994.7kg/m3? 定壓比熱容??? Cpo＝4.174kJ/kg℃ 熱導(dǎo)率??????? λo＝0.622W/ m℃ 粘度???????? μi＝0.757m Pa﹒s 3.3計(jì)算總傳熱系數(shù) 3.3.1.熱流量 Q=WhCp h(T1-T2)=6000×0.925×1.9×(144.5-57) kJ/h=256302.1W 平均傳熱溫差 △tm1=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)=(108.5-27)/㏑(108.5/27) 式中：△t1 =T1-t2=108.5℃ ,△t2 =T2-t1=27℃ 求得△tm=58.59℃ 3.3.2冷卻水用量 W0=Q/△t Cp o＝36842.66(kg/h) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程，奇數(shù)管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表，可得 ψ△t=0.0.98 平均傳熱溫差 △tm=ψ△t △tm1=0.98×58.59=57.42℃ 3.3.3計(jì)算傳熱面積 求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得混合氣和水之間的傳熱系數(shù)取K值為125W/(㎡.℃)計(jì)算 由Q=KS`△tm 得 設(shè)實(shí)際的面積S=1.2 S,=42m2 3.3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 在決定管數(shù)和管長時(shí)，首先要選定管內(nèi)流速ui，按書中表6-1冷卻水走管程的流速為5—30m/s，取流速為ui=27m/s，設(shè)所需單管程數(shù)為ns，選用￠ 25mmX2.5mm傳熱管（碳鋼）的內(nèi)徑為0.020m，從管內(nèi)體積流量 計(jì)算求得： 管長 則取3m 管程 所以 此換熱器是的總管數(shù) 根） ( 197 197 1 = ′ = n 管子采用正三角形排列，相鄰兩管中心距 t =1.25 d0 =0.03125m, 橫過管束中心線的管數(shù) b, =1.2×d0=0.03m 殼體內(nèi)徑D 折流板間距 B=0.5D = 265mm 折流板數(shù) NB =3÷0.25-1=11（塊） 殼程流體進(jìn)出口接管，取u=1.0m/s 3.3.5傳熱計(jì)算 （1）管程給熱系數(shù)。 32094.5 0000155 . 0 925 . 0 89 . 26 02 . 0 Re = ′ ′ = = m r i i u d 計(jì)算： 普蘭特準(zhǔn)數(shù) c m w d i ° = ′ ′ = ′ = 2 3 . 0 8 . 0 3 . 0 8 . 0 i / 3 . 219 508 . 0 32094 02 . 0 058 . 0 023 . 0 Pr Re 023 . 0 l a 管程傳熱系數(shù) （2）殼程傳熱系數(shù)， 流體通過管間的最大截面積 A=BD(1-d0/h)=0.265×0.53×0.2=0.026m2 流體的流速 u0=V0/A0=0.0103÷0.026=0.4m/s 水利半徑 雷諾準(zhǔn)數(shù) 9460.8 000757 . 0 7 . 994 40 . 0 02 . 0 Re 0 = ′ ′ = = m r u d e 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 ()≈1.05 即 取Rsi=1.8×10-4 W/(㎡.℃); Rs0=3.4×10-4W/(㎡.℃) 總傳熱系數(shù)K＇ K＇= 9 . 3451 1 10 4 . 3 20 25 10 8 . 1 8 . 213 02 . 0 025 . 0 1 4 4 + ′ + ′ ′ + ′ - - =152W/(㎡.℃) 在1.15到1.25之間，滿足要求。 傳熱面積S 2 5 . 29 13 . 57 0 . 152 1 . 256302 m t K Q S m = ′ = D = 該換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp Sp=πd0L(n-nc)=3.14×0.0265×(3-0.06)×(197-16)=41.8m2 ° ° = - = - = / 40 . 29 8 . 41 5 . 29 8 . 41 p p S S S 裕度 與換熱器列出的面積S=29.5㎡比較，有29.40%的裕度。 3.3.6換熱器內(nèi)流體的流動阻力 （1）管程流動阻力 管程流通面積 2 2 2 062 . 0 197 02 . 0 4 14 . 3 4 m N n d A p i i = ′ ′ = ′ = p 管程流體流速 s m A V u i i i / 89 . 26 062 . 0 667 . 1 = = = 由Re=32094.5 傳熱管相對粗糙度， 查莫狄圖得摩擦系數(shù) c m W o i / 035 . 0 = l , 結(jié)構(gòu)校正因數(shù)： 管程流動阻力 上式中：， Np=1,1.4，， 所以 Pa p 7 . 1755 2 89 . 26 925 . 0 02 . 0 3 034 . 0 2 1 = ′ ′ ′ = D 滿足要求 （2）殼程流動阻力 取折流板間距B=0.265m 計(jì)算截面積 流體流速 s m u / 31 . 0 0330 . 0 0103 . 0 0 = = 雷諾準(zhǔn)數(shù) 8410 10 757 . 0 7 . 994 31 . 0 02 . 0 Re 3 0 0 = ′ ′ ′ = = - m r u d e Re0＞500 摩擦系數(shù) 殼程阻力損失 流經(jīng)管束的阻力 ，NB =11,u0=0.32m/s F=0.5 故， Pa P 2937 2 31 . 0 7 . 994 ) 1 11 ( 16 64 . 0 5 . 0 2 ' 1 = ′ ′ + ′ ′ ′ = D 流體流經(jīng)折流板口的阻力 上式中：B=0.265m,D=0.53m 故， 總阻力損失 Pa P 5530 15 . 1 ) 1872 2937 ( 0 = ′ + = D ? 總的阻力損失大于5245Pa小于設(shè)計(jì)壓力30KPa，壓力降合適。 4.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 參數(shù) 管程 殼程 操作條件 物料名稱 混合氣 冷卻水 流量（kg/h） 5550 36842.66 操作溫度（進(jìn)/出）(℃) 144.5/57 30/36 操作壓力（Mpa） 0.01 0.01 物性參數(shù) 定性溫度(℃) 100.75 33 密度（kg/m3） 0.925 994.5 黏度 (mPa·s) 0.0155 0.757 比熱容(kJ/kg·℃) 1.9 4.17 導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·℃)） 0.058 0.622 主要工藝性能參數(shù) 流速 （m/s） 26.89 0.4 對流傳熱系數(shù)（W/(m2·℃)） 219.3 3451.9 污垢熱阻（(m2·℃)/ W） 0.00018 0.00034 阻力損失（Mpa） 3862.6 5530 熱負(fù)荷（W） 156302.1 總傳熱系數(shù)（W/(m2·℃)） 152 傳熱面積（m2） 29.5 設(shè)計(jì)裕度（%） 29.4℅ 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 換熱器型式 管板式 材質(zhì) 碳鋼 碳鋼 程數(shù) 1 1 管子規(guī)格 Φ25×2.5mm 殼體內(nèi)徑 520mm 管長（mm） 3000 折流擋板型式 上下 管心距（mm） 30 折流擋板數(shù)目（塊） 16 管子排列方式 正三角形 折流擋板間距（mm） 265 管子數(shù)目（根） 197 5.參考文獻(xiàn) [1] 賈紹義,柴誠敬主編.化工原理課程設(shè)計(jì)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2002:47—51． [2] 柴誠敬主編.化工原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2005:209—271. [3] 申迎華,郝曉剛主編.化工原理課程設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:86—89. [4] 劉光啟,馬連湘,劉杰主編.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊:有機(jī)卷［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:599－ 600． [5] 周濤主編.化工原理.北京：科學(xué)出版社，2010.6. 6.附錄 6.1英文字母 17 ——污垢熱阻 ——平均傳熱溫差 W——質(zhì)量流量 ——定壓比熱容 (KJ/Kg·℃) T——熱流體溫度 t——冷流體溫度 P , R——因數(shù) S ——傳熱面積 Q——傳熱速率 W A——傳熱面積 n——管數(shù) ——結(jié)構(gòu)校正系數(shù) ——?dú)こ虊簭?qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù) F——管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正系數(shù) ——串聯(lián)的殼程數(shù) N——程數(shù) d——管徑 m ——體積流量 u——流速 ——傳熱系數(shù) F——校正系數(shù) B——擋板間距 m h——折流板圓缺高度 m K——總傳熱系數(shù) (W/m2·K) L——長度 m P——壓強(qiáng) Pa ——當(dāng)量長度 m D——換熱器內(nèi)徑 mm Re——雷諾準(zhǔn)數(shù) Pr——普朗特準(zhǔn)數(shù) 6.2 希臘字母 ——對流傳熱系數(shù) (W/m2·K) ——導(dǎo)熱系數(shù) (W/m2·K) ——粘度 Pa·s ——密度 6.3下標(biāo) ——熱流體 ——冷流體 ——管內(nèi) ——管外 s——污垢 t——傳熱 ——溫度