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1、 化工原理課程設(shè)計(jì) 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 1.1 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一正丁醇冷卻器 1.2 設(shè)計(jì)條件 ⑴、處理能力：12721 kg/h ⑵、設(shè)備類(lèi)型：列管式換熱器（非定型式） ⑶、操作條件： 流體 名稱 入口溫度℃ 出口溫度℃ 物料 純正丁醇 90 50 冷卻介質(zhì) 自來(lái)水 20 30 允許壓力降：0.1MPa熱損失：按傳熱量的10%計(jì)算 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ⑴、前言 ⑵、確定設(shè)計(jì)方案（設(shè)備選型、換熱器材質(zhì)） ⑶、確定物性數(shù)據(jù)（冷卻循環(huán)水的出口溫度、純正丁醇和水在物性溫度下的物理性質(zhì)） ⑷、工藝設(shè)計(jì) 初占換熱面積、確定

2、換熱器基本尺寸（包括管徑、管長(zhǎng)、程數(shù)、每程管數(shù)、管子數(shù)排列、壁厚、換熱器直徑、流體進(jìn)出管管徑等計(jì)算） ⑸、換熱器計(jì)算 ①核算總傳熱系數(shù)（傳熱面積） ②換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力校核（計(jì)算壓降） ⑹、機(jī)械結(jié)構(gòu)的選用 ①管板選用、管子在管板上的固定、管板與殼體連接結(jié)構(gòu) ②封頭類(lèi)型選用 ③溫差補(bǔ)償裝置的選用 ④管法蘭選用 ⑤管、殼程接管 ⑺、換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表 ⑻、結(jié)束語(yǔ)（包括對(duì)設(shè)計(jì)的自我評(píng)述及有關(guān)問(wèn)題的分析討論） ⑼、換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸（4#圖紙） ⑽、參考資料目錄 開(kāi)始時(shí)期 2013 年 6 月 19 日 結(jié)束時(shí)期 2013 年 6 月

3、22 日 學(xué)生：牛俊健 班級(jí)：1020473 學(xué)號(hào)：06 指導(dǎo)老師：馮偉 2 流程圖和工藝流程圖 冷卻水出口管（溫度：30℃） 純正丁醇入口管（溫度：90℃） 冷卻水入口管（溫度：20℃） 純正丁醇出口管（溫度：50℃） 3 設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 確定設(shè)計(jì)方案 3.1.1 確定設(shè)備類(lèi)型 兩流體的溫度變化：①熱流體的入口溫度T1=90℃，出口溫度T2=50℃ ； 力體定性溫度T=

4、(90+50)/2=70℃。 ②冷流體的入口溫度t1=20℃，出口溫度t2=30℃； 冷流體定性溫度t=(20+30)/2=25℃。 冷熱流體的最大溫差ΔTmax=70-25=45℃，因此，選用列管式換熱器。 3.1.2 確定殼程流體與管程流體 流體經(jīng)過(guò)管程和殼程的選擇原則： ①不清潔或易結(jié)垢的流體，應(yīng)走容易清洗的管道，可走管程。 ②腐蝕性流體應(yīng)走管程。 ③壓力高的流體應(yīng)走管程。 ④有毒流體應(yīng)走管程。 ⑤被冷卻的流體應(yīng)走管程。 ⑥飽和蒸汽應(yīng)走殼程。 ⑦黏度大的流體或流量小的流體應(yīng)走殼程。 兩種流體的物理性質(zhì)如下表： 物性 流體 定性溫度 T ℃ 密度ρ

5、㎏m3 比熱容cp kJ㎏℃ 黏度μ Pas 導(dǎo)熱系數(shù)λ Wm℃ 純正丁醇 70 776.4 2.649 983.510-6 0.146 水 25 995.7 4.178 880.710-6 0.618 綜上所述，純正丁醇走殼程，水走管程；且采用逆流。 3.2 初算換熱面積 3.2.1 熱流量 （10%的熱損失） 若換熱器無(wú)相變化，且流體的比熱容可取平均溫度下的比熱容，則 Q=qm,hcp,hT1-T20.9=qm,ccp,ct2-t1 式中 Q——換熱器的熱負(fù)荷，W; qm,c、qm,h——分別為冷、熱流體的質(zhì)量流量，㎏/

6、s； cp,c、cp,h——分別為冷、熱流體的平均比熱容，kJ/（㎏℃）； t1、t2——冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃ T1、T2——熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃ 有效傳熱量 Q=qm,hcp,hT1-T290%=127212.64990-5090%=337.5kw 3.2.2 冷卻水用量 qm,c=Qcp,ct2-t1=337.51034.17810330-20=29088（kgh) 3.2.3 平均傳熱溫差 ①平均溫差 先算出逆流的對(duì)數(shù)平均溫差，再乘以考慮流動(dòng)方向的校正因子φΔt，即 Δtm=φΔtΔtm逆 Δtm逆=Δt2-Δt

7、1lnΔt2Δt1 式中 Δtm逆——按逆流計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫度差，℃； φΔt——溫度差校正系數(shù)，量綱為1 其中，Δt2=T1-t2，=T2-t1。 Δtm逆=Δt2-Δt1lnΔt2Δt1=90-40-50-20ln90-4050-20=43.28℃ φΔt值可根據(jù) P=冷流體的溫升兩流體的最初溫度差=t2-t1T1-t1=40-2090-20=0.142 R=熱流體的溫升冷流體的溫升=T1-T2t2-t1=90-5030-20=4 經(jīng)溫度差校正系數(shù)圖可得 φΔt=0.96，所以， Δtm=0.9643.28=41.55℃ ②初

8、算傳熱面積 設(shè)傳熱系數(shù) K=450 W/(m2℃), 則傳熱面積 A=QKΔtm=337.510345043.28=17.33(m2) 3.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 3.3.1 管徑與管內(nèi)流速 選用?25mm2.0mm較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u(mài)1=0.5m/s。 3.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) qm管=π4di2u1ρ1n 式中 qm管——管內(nèi)的流量，㎏/s； di——管子內(nèi)徑，m； ρ1——水的密度，㎏m3 Ns=qm cπ4di2u1ρc=8.08995.7π40.00040.5

9、≈52 又因?yàn)橛? A=nπdil 式中 L ——在設(shè)定的條件下所需的管長(zhǎng)，m。 所以 L=ANsπdi=17.3352π0.025=5（m） 采用3m長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)管，則管層數(shù) m=Ll=53≈2 因此，所以至少需要522根管子。 3.3.3 管子的排列方式及殼層數(shù) 由于平均傳熱溫差校正系數(shù) φΔt=0.96>0.8，同時(shí)殼層流體流量較大，故取單殼層合適。 采用正三角形排列，如圖 取管心距Pt=1.25do，則 Pt=1.2525=31.25≈32（mm） 隔板中心到離其最近的一排管中心距離Z計(jì)算如下： Z=Pt2+6=

10、322+6=22 各程相鄰管的管心距為44mm. 3.3.4 殼體直徑 ①殼體內(nèi)徑 D=1.05PtNη 式中 η——管板利用率 正三角形排列、二管層，可取η=0.75，則 D=1.05321040.75=394.7（mm）≈400（mm） ②殼體壁厚 δ=1.1pD2σφ-p+C 式中 p ——?dú)んw承受的內(nèi)壓，p=0.101+0.02=0.121MPa； σ——?dú)んw所用鋼材A3鋼的許用應(yīng)力，σ=108MPa； φ ——焊縫系數(shù)，φ=0.85，量綱為1； C

11、——腐蝕余量，C=3+0.5=3.5mm。 δ=1.1pD2σφ-p+C=1.10.121MPa400mm2108MPa0.85-0.121MPa+3.5=3.79(mm) 采用標(biāo)準(zhǔn)壁厚δ=8mm 3.3.5 折流板 ①折流板圓缺高度 采用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=0.25400=100mm ②板間距 取折流板間距B=0.3D0.3D

12、管 接管內(nèi)液體流速u(mài)1=1.0ms，則管程流體進(jìn)出口接管內(nèi)徑為: D1=4qm,hρ水πu1=4(127213600776.4)3.14=0.076（m）=80（mm） 殼程流體進(jìn)出口接管 接管內(nèi)液體流速u(mài)2=0.75ms，則殼程流體進(jìn)出口接管內(nèi)徑為: D1=4qm,cρ水πu2=4(29088/3600995.7)3.140.75=0.117（m）=120（mm） 3.3.7 管法蘭 標(biāo)準(zhǔn)管法蘭號(hào)：HG20592 ;密封面形式：平面。 3.3.8 放空管 放空管選取?50mm2.5mm的無(wú)縫鋼管。 3.3.9 排污管 排污管選取?70mm3mm的無(wú)縫鋼管，

13、接管管長(zhǎng)均選取200mm。 3.3.10 支座 選用鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：JB/T4712，鞍座：BΙ325-F(S) 3.3.11 管箱 管箱的公稱直徑DN?400mm為平蓋管箱；500mm?DN?800mm為平蓋管箱和封頭管箱，推薦使用封頭管箱；DN≥900mm，選擇封頭管箱。故采取平蓋管箱。 3.3.12 封頭 因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)為浮頭式，所以封頭尺寸應(yīng)該增加100mm，封頭為DN500mm8mm，直邊高度為25mm，曲邊高度125mm。如圖所示，材料選用A3鋼。 3.4 換熱器核算 3.4.1 K值的核算 ①管程傳熱系數(shù) αi=0.023λidiRei0.8Pr

14、in=0.023λididiuiρiμi0.8cpiμiλin 式中 αi——管程流體對(duì)流傳熱系數(shù)，Wm2℃； λi——管程流體的熱導(dǎo)率，Wm℃； di——管內(nèi)徑，m； ui——管程流體的流速，ms μi——管程流體的黏度，Pas； ρi——管程流體的密度，㎏m3； cpi——管程流體的比熱容，kJ㎏℃； Rei——管程流體的雷諾數(shù)； Pri——管程流體的普朗特?cái)?shù)。 當(dāng)流體被

15、加熱時(shí)，n=0.4, 被冷卻時(shí) n=0.3。 ui=qm,cπ4di2ρiNm=29088(3600995.7)π40.0004522=0.994ms Rei=diuiρiμi=0.030.994995.7800.710-6=24722 Pri=cpiμiλ=4.178800.710-30.618=5.4 管程流體被加熱，取n=0.4； 因?yàn)镽ei>10000，且0.7

16、 式中 αo——?dú)こ塘黧w對(duì)流傳熱系數(shù)，Wm2℃； λo——?dú)こ塘黧w的熱導(dǎo)率，Wm℃； de——傳熱當(dāng)量直徑，m； do——管外徑，m； uo——?dú)こ塘黧w的流速，ms μo——?dú)こ塘黧w的黏度，Pas； ρo——?dú)こ塘黧w的密度，㎏m3； cpo——?dú)こ塘黧w的比熱容，kJ㎏℃； Reo——?dú)こ塘黧w的雷諾數(shù)； Pro——?dú)こ塘黧w的普朗特?cái)?shù)；

17、 So——?dú)こ塘魍ń孛娣e，m2。 管子采用正三角形排列，傳熱當(dāng)量直徑為 de=432Pt2-π4do2πdo=4320.0322-π40.0252π2510-3=0.04m So=0.150.41-2510-33210-3=0.013125m2 所以殼程流速為 uo=12721(3600776.4)0.013125=0.34ms 殼程流體的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)分別為 Reo=0.020.49776.4983.510-6=5368 Pro=2.21037.1510-40.141=11.16 因?yàn)?000

18、 K實(shí)=11αi+Rdi+bdiλdm+Rdodido+diαodo 式中 K實(shí)——實(shí)際的總傳熱系數(shù)，Wm℃； Rdi、Rdo——分別為管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻，m2℃W； di、do、dm——分別為管內(nèi)徑、管外徑、平均直徑，m； b——換熱器的管壁厚度，m； λ——管壁材料的熱導(dǎo)率，Wm℃。 查表可得：Rdi=1.719710-4m2℃W；Rdo=2.119710-4m2℃W； λ=45Wm℃。 已知管壁厚度b=0.002m，所以平均壁厚 dm=di+do2=0.021+0.0252=0

19、.023m 實(shí)際總傳熱系數(shù) K實(shí)=467Wm℃ 因?yàn)镵-K實(shí)=450-467=17<50，所以假設(shè)的K值合格。 3.4.2 傳熱面積的核算 計(jì)算的傳熱面積 A計(jì)=QK實(shí)Δtm=337.510346741.55=17.39m2 實(shí)際的傳熱面積 A實(shí)=πdil標(biāo)-0.042N=24.49m2 A實(shí)A計(jì)=24.4917.39=1.4 1.1

20、分別是直管及回彎管中因摩擦阻力而引起的壓降，Pa； Ft——結(jié)垢校正因數(shù)，對(duì)于?25mm2mm管子取1.4； k——摩擦系數(shù)，由k–Re雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖可得k=0.041； NS——串聯(lián)的殼程數(shù)。 其中NS=1，Np=2，l標(biāo)=3m，di=0.02m，ρi=995.7㎏m3，ui=0.994m/s，則 Δp1=3099（Pa） Δp2=1475（Pa） Δpi=12807.2（Pa） 因?yàn)棣i<0.1 MPa，所以管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 ②殼程阻力 Δpo=Δp1‘+Δp2’Ft

21、‘NS Δp1‘=Ff0ncNB+1ρouo22 Δp2’=NB3.5-2hDρouo22 式中 Δpo——?dú)こ炭傋枇σ鸬膲航?，Pa； Δp1‘——流體橫向流過(guò)管束的壓降，Pa； Δp2’——流體通過(guò)折流板缺口處的壓降，Pa； Ft‘——?dú)こ探Y(jié)垢校正系數(shù)，液體取1.15； F——管子排列方法對(duì)壓降的校正系數(shù)，三角形排列F=0.5; f0——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng)Reo>500時(shí)，f0=5.0Reo-0.228。其中 Ns=1，NB=19，nc=1.1N=1.1104，ρo=776.4㎏m3，uo=0.34.。 所以 Δp1‘=3521（Pa） Δp2’=2258（Pa） Δpo=5508（Pa）<10000Pa 所以殼程流體的阻力在允許范圍之內(nèi)。 經(jīng)以上核算，證實(shí)該換熱器合格。 13