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河南理工大學(xué)課程設(shè)計 管殼式換熱器設(shè)計 學(xué) 院：機械與動力工程學(xué)院 專 業(yè)：熱能與動力工程專業(yè) 班 級：11-02班 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 小組成員： 目錄 第一章 設(shè)計任務(wù)書 2 第二章 管殼式換熱器簡介 3 第三章 設(shè)計方法及設(shè)計步驟 5 第四章 工藝計算 6 4.1 物性參數(shù)的確定 6 4.2核算換熱器傳熱面積 7 4.2.1傳熱量及平均溫差 7 4.2.2估算傳熱面積 9 第五章 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)計算 11 5.1換熱管計算及排布方式 11 5.2殼體內(nèi)徑的估算 13 5.3進(jìn)出口連接管直徑的計算 14 5.4折流板 14 第六章 換熱系數(shù)的計算 20 6.1管程換熱系數(shù) 20 6.2 殼程換熱系數(shù) 20 第七章 需用傳熱面積 23 第八章 流動阻力計算 25 8.1 管程阻力計算 25 8.2 殼程阻力計算 26 總結(jié) 29 第一章 設(shè)計任務(wù)書 煤油冷卻的管殼式換熱器設(shè)計：設(shè)計用冷卻水將煤油由140℃冷卻冷卻到40℃的管殼式換熱器，其處理能力為10t/h，且允許壓強降不大于100kPa。 設(shè)計任務(wù)及操作條件 1、設(shè)備形式：管殼式換熱器 2、操作條件 （1）煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃ （2）冷卻水介質(zhì)：入口溫度26℃，出口溫度40℃ 第二章 管殼式換熱器簡介 管殼式換熱器是在石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器。縱然各種板式換熱器的競爭力不斷上升，管殼式換熱器依然在換熱器市場中占主導(dǎo)地位。目前各國為提高這類換熱器性能進(jìn)行的研究主要是強化傳熱，提高對苛刻的工藝條件和各類腐蝕介質(zhì)適應(yīng)性材料的開發(fā)以及向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展所作的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。 強化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強化傳熱的重點，主要是通過強化管程傳熱和殼程傳熱兩個方面得以實現(xiàn)。目前，管殼式換熱器強化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴展表面；用添加內(nèi)物的方法以增加流體本身的繞流；將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并增加其抗污垢能力；改變管束支撐形式以獲得良好的流動分布，充分利用傳熱面積。 管殼式熱交換器（又稱列管式熱交換器）是在一個圓筒形殼體內(nèi)設(shè)置許多平行管子（稱這些平行的管子為管束），讓兩種流體分別從管內(nèi)空間（或稱管程）和管外空間（或稱殼程）流過進(jìn)行熱量交換。 在傳熱面比較大的管殼式熱交換器中，管子根數(shù)很多，從而殼體直徑比較大，以致它的殼程流通截面大。這是如果流體的容積流量比較小，使得流速很低，因而換熱系數(shù)不高。為了提高流體的流速，可在管外空間裝設(shè)與管束平行的縱向隔板或與管束垂直的折流板，使管外流體在殼體內(nèi)曲折流動多次。因裝置縱向隔板而使流體來回流動的次數(shù)，稱為程數(shù)，所以裝了縱向隔板，就使熱交換器的管外空間成為多程。而當(dāng)裝設(shè)折流板時，則不論流體往復(fù)交錯流動多少次，其管外空間仍以單程對待。 管殼式熱交換器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，選材范圍廣，處理能力大，還能適應(yīng)高溫高壓的要求。雖然它面臨著各種新型熱交換器的挑戰(zhàn)，但由于它的高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性，至今仍然居于優(yōu)勢地位。 由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過50℃時，需采取適當(dāng)補償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管式換熱器、雙重管式換熱器及填料函式換熱器。 第三章 設(shè)計方法及設(shè)計步驟 在設(shè)計換熱器時，如果只作簡單估算，或盲目加大傳熱面積的安全系數(shù)就會造成浪費。只有進(jìn)行比較詳細(xì)的計算，才能使投入運行的熱交換器，在安全和經(jīng)濟方面得到可靠保證。 換熱器一般的設(shè)計方法及設(shè)計步驟如下： （1） 根據(jù)設(shè)計任務(wù)搜集有關(guān)的原始資料，并選定熱交換器類型等。 （2） 確定定性溫度，并查取物性數(shù)據(jù)。 （3） 由熱平衡計算熱負(fù)荷及熱流體或冷流體的流量。 （4） 選擇殼體和管子的材料。 （5） 選定流動方式，確定流體的流動空間。 （6） 求出平均溫差。 （7） 初選傳熱系數(shù)K0，并初計算傳熱面積F。 （8） 設(shè)計換熱器的結(jié)構(gòu)包括：選取管徑和管程流體流速；確定每程管數(shù)、管長、總管數(shù)；確定管子排列方式、管間距、殼體內(nèi)徑和連接管直徑等；確定殼側(cè)程數(shù)及折流板的數(shù)目、間距、尺寸等殼程結(jié)構(gòu)尺寸；初確定傳熱面積。 （9） 管程換熱器計算及阻力計算。當(dāng)換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于初選傳熱系數(shù)且壓降小于允許壓降時，才能進(jìn)行下一步計算。 （10） 殼程換熱計算。根據(jù)采用結(jié)構(gòu)，假定壁溫和計算換熱系數(shù)。 （11） 校核傳熱系數(shù)和傳熱面積。根據(jù)管、殼程換熱系數(shù)及污垢熱阻、壁面熱阻等，算出傳熱系數(shù)K及傳熱面積F。 （12） 核算壁溫。要求與假定的壁溫相符。 （13）計算殼程阻力，使之小于允許壓降。 第四章 工藝計算 在換熱器設(shè)計中，根據(jù)所選換熱器類型和所給已知條件，計算出煤油的流速和水的流速等，然后計算出傳熱面積。工藝設(shè)計中包括了物性數(shù)據(jù)的確定、傳熱量及平均溫差、初選傳熱系數(shù)、估算傳熱面積其具體運算如下所述。 4.1 物性參數(shù)的確定 表3-1 水和煤油的操作參數(shù) 冷卻水 煤油 進(jìn)口溫度 （℃） 出口溫度 （℃） 進(jìn)口溫度 （℃） 出口溫度 （℃) 26 40 180 40 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可以取流體進(jìn)出口溫度的平均值。 煤油的定性溫度為： （1） 水的定性溫度： （2） 由定性溫度條件下查物性表得出水與煤油的物性參數(shù)，如比熱、密度、黏度導(dǎo)熱系數(shù)。所查結(jié)果見表2-2： 表3-2 水與煤油的物性參數(shù) 名稱 定性溫度 比熱 密度 黏度 導(dǎo)熱系數(shù) 水 33 4.174 994.7 0.0007422 0.6623 煤油 110 2.432 758.32 0.0005125 0.1026 4.2核算換熱器傳熱面積 選擇熱水走殼程，冷水走管程。這是因為：被冷卻的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力。 由煤油的每小時產(chǎn)量(一天24小時連續(xù)運行）可以計算出煤油流量： （3） 式中M表示煤油的年產(chǎn)量；M1表示煤油流量；t表示時間。 煤油的普朗特常數(shù)： （4） 式中Pr1表示煤油的普朗特常數(shù)；μ1表示煤油的黏度；cp1表示煤油的比熱；λ1表示煤油的導(dǎo)熱系數(shù)。 水的普朗特常數(shù)： （5） 式中Pr2表示煤油的普朗特常數(shù)；μ2表示煤油的黏度；cp2表示煤油的比熱；λ2表示煤油的導(dǎo)熱系數(shù)。 4.2.1傳熱量及平均溫差 一般情況下，工程上常用熱損失系數(shù)ηc來估算損失的熱量。ηc通常取0.02～0.03。ηL取用0.98。 由上面的計算結(jié)果和已知條件代入下式可以得出煤油的傳熱量： （6） 式中Q表示傳熱量；M1表示煤油流量；ηL熱負(fù)荷修正系數(shù)。 由以上的計算結(jié)果及已知條件，可以計算出冷卻水量： （7） 式中M2代表冷卻水量；cp2代表水的比熱； 計算兩種流體的平均傳熱溫差時按單殼程，兩管程計算。按逆流設(shè)計換熱器： 煤油 180℃ 40℃ 水 40℃ 26℃ 從而， (8) 溫差修正系數(shù)Ψ取決于兩個無量綱參數(shù)P及R： （9） （10） 式（9）中，參數(shù)R具有兩種流體熱容量之比的物理意義。式（10）中參數(shù)P的分母表示換熱器中水理論上所能達(dá)到的最大升溫，因而P的值代表該換熱器中水的實際升溫與理論上所能達(dá)到的最大升溫之比。所以，R的值可以大于1或小于1，但P的值比小于1。 （11） 式中Ψ表示溫度修正系數(shù)。 （12） 式中Δt1m,c表示有效平均溫差。 4.2.2估算傳熱面積 根據(jù)題意，初選傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)的選擇依據(jù)經(jīng)驗數(shù)值表3-3 表3-3 傳熱系數(shù)的選擇依據(jù)經(jīng)驗數(shù)值表 熱交換器型式 熱交換流體 傳熱系數(shù) 備注 內(nèi)側(cè) 外側(cè) 管殼式（光管) 氣 氣 高壓氣 氣 高壓氣 清水 清水 高粘度液體 高溫液體 低粘度液體 氣 高壓氣 氣 清水 清水 清水 水蒸氣冷凝 清水 氣體 清水 10～35 170～160 170～450 20～70 200～700 1000～2000 2000～4000 100～300 30 200～450 常壓 20～30Mpa 20～30Mpa 常壓 20～30Mpa 液體層流 液體層流 根據(jù)表3-3初選傳熱系數(shù)K0=240W/(m2.℃) 由以上的計算結(jié)果及已知條件可以估算出傳熱面積： （13） 式中表示估算的傳熱面積；K0表示初選傳熱系數(shù)；Δtm表示有效平均溫差；Q表示傳熱量。由于85.1412㎡面積過大，所以需要兩臺換熱器，才能符合工業(yè)設(shè)計要求。實際的傳熱面積要考慮一定的裕度，此換熱器考慮的裕度為10%。則一臺換熱器面積為51㎡。 第五章 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)計算 5.1換熱管計算及排布方式 管子構(gòu)成換熱器的傳熱面，它的材料應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度和流體腐蝕性、流體對材料的脆化作用及毒性等決定，可選用碳鋼、合金鋼、銅、石墨等。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較??；同時，對于相同的殼徑，，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面的金屬秏量更少。所喲，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用較小直徑的管子。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)選用較大直徑管子。 表4-1 換熱管的規(guī)格及排列方式 /mm 換熱管外徑壁厚 排列形式 管心距 碳素鋼，低合金鋼 不銹耐酸鋼 252.5 252 正三角形 32 192 192 25 在此，選用252.5的碳鋼管，采用無縫焊接工藝。 管程內(nèi)水流速可以在表4-2選用： 表4-2熱交換器內(nèi)常用流速范圍 m/s 流體 流體 管程 殼程 循環(huán)水 新鮮水 低粘度油 高粘度油 氣體 1.0～2.0 0.8～1.5 0.8～1.8 0.5～1.5 5～30 0.5～1.5 0.5～1.5 0.4～1.0 0.3～0.8 2～15 管程內(nèi)水的流速選用ω2=1m/s。 由以上計算結(jié)果可以算出管程所需流通截面: (14) 式中At表示管程流通面積；M2表示冷卻水量；ρ2表示水的密度；ω2表示管程內(nèi)水流速。 根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和管程所需流通截面積，可以單程管數(shù)： （15) 式中At表示管程所需流通面積；di表示傳熱管的內(nèi)徑。 管子在管板上的排列方式最常見的如圖4.1（a）、（b）、（c）、（d）所示四種，即正三角形排列（排列角為30度）、轉(zhuǎn)角三角形（排列角為60度）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為45度）、正方形排列（排列角為90度）。當(dāng)管程為多程時，則需要采取組合排列。 設(shè)計的換熱器的管程為2，則應(yīng)采取組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。 （a） （b） （c） （d） 圖4.1 管子的排列方式 根據(jù)表4-1選取正三角形排列為管子的排列方式。 表4-3換熱管中心距 換熱管外徑 19 20 22 25 30 32 35 25 26 28 32 38 40 44 38 40 42 44 50 52 56 選取管中心距s=32㎜，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距LE=44㎜。 由管中心距可以計算出平行于流向的管距以及垂直于流向的管距。 平行于流向的管距： （16） 垂直于流向的管距： （17） 由管子布置圖可知每程管子數(shù)為57根；由管子布置圖可以計算出管束中心至最外層管中心距為0.161m。 管束外緣直徑： （18） 傳熱管的總根數(shù)： （19） 因換熱器是按單殼程，兩管程設(shè)計的，所以按兩管程計算，所需傳熱管的長度是： （20） 式中d0表示管內(nèi)徑，d0=0.025m；Zt=2表示兩管程。按標(biāo)準(zhǔn)管長6m。 5.2殼體內(nèi)徑的估算 殼體內(nèi)徑可以用下述公式粗估： （21） （22） （23） 當(dāng)管子按正三角形排列時，可以按上述公式計算： （24） 式中Ds表示殼體內(nèi)徑；nt表示傳熱管根數(shù)；s表示管中心距；d0傳熱管外徑。 計算得到的內(nèi)徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，按照鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)可確定：殼體內(nèi)徑=0.5m。 目前所采用的換熱管長度與殼體直徑比，一般在4～25㎜之間： （25） 式中表示傳熱管長度；Ds表示殼體內(nèi)徑。 所以換熱器的殼體內(nèi)徑和管子長度符合設(shè)計要求。 5.3進(jìn)出口連接管直徑的計算 確定連接管直徑的基本公式仍可用連續(xù)性方程，經(jīng)簡化可以用以下公式： （26） 將（26）式結(jié)果圓整到最接近的標(biāo)準(zhǔn)管徑，取1505。 5.4折流板 流動外，還有支撐管束、防止管束振動和彎曲的作用。它的裝設(shè)不如縱向隔板那樣困難，而且裝設(shè)后可使流體橫向流過管束，故此獲得普遍應(yīng)用。 折流板的常用形式有：弓形折流板、盤環(huán)形折流板兩種，弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。在弓形折流板中，流體流動中的死角較小，結(jié)構(gòu)也簡單，因而用的最多。而盤環(huán)形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便清洗，一般在壓力較高和物料比較清洗場合。 在此，換熱器設(shè)計中，折流板形式選弓形。 弓形折流板的缺口和板間距的大小是影響傳熱效果和壓降的兩個重要因素。弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫過管束時的流速接近，缺口大小是按切去的弓形弦高占?xì)んw內(nèi)徑百分?jǐn)?shù)確定的。缺口弦高一般為殼體內(nèi)徑的20%～45%。 為了防振并能夠承受拆換管子時的扭拉作用，折流板須有一定厚度，該值在GB-1999中具體規(guī)定見表4-4 表4-4 折流板和支持板的最小厚度 ㎜ 公稱直徑 換熱管無支撐跨距 ≤300 >300～600 >600～900 折流板或支撐板最小厚度 <400 400～≤700 3 4 4 5 5 6 折流板厚度取6㎜。 折流板的材料應(yīng)比管子軟，較硬會磨損管子，導(dǎo)致管子破裂。若材料過軟，則使管子磨損折流板，將相鄰管子間部分磨損，形成穿有數(shù)根管子的大孔，使這些管子失去了這一位置的折流板支撐，引起自振頻率降低，從而使管子易振進(jìn)而損壞。故此，材料取用14Cr1MoR。 折流板缺口弦高度： （27） 由折流板缺口弦高度和殼體內(nèi)徑可以計算出折流板的圓心角：折六班圓心角=120度。 表4-5 折流板間距 /mm 公稱直徑 管長 折流板間距 ≤500 ≤3000 100 200 300 450 600 4500～6000 — 600～800 1500～6000 150 200 300 450 600 折流板數(shù)目： （28） 式中Nb表示折流板數(shù)目。 折流板上的管孔數(shù)為112個，由國家標(biāo)準(zhǔn)可知，折流板上管孔直徑dH=0.0254m，折流板直徑Db=0.4955m。由管子排布圖可知：通過折流板上的管子數(shù)為99根，這流管缺口處管子數(shù)為18根。 弓形折流板的缺口高度應(yīng)保證流體在缺口處的流通截面積與流體在兩折流板間錯流的流通面積接近，以免因流動速度變化引起壓降。當(dāng)選好殼程流體流速后，就可以確定保證流速所需的流通截面積。 由上面的計算出的已知結(jié)果可以由下面的方程式求得折流板的缺口面積： （29） 式中Awg表示折流板缺口面積；Ds表示殼體外徑；θ表示折流板圓心角。 錯流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)： （30） 式中Fc表示錯流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分比；Ds表示殼體外徑；DL表示殼體內(nèi)徑；h表示缺口弦高度。 缺口處管子所占面積： （31） 式中d0表示傳熱管外徑；nt表示傳熱管的總管子根數(shù)；Fc表示錯流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)。 流體在缺口處流通面積： （32） 式中Ab表示流體在缺口處流通面積；Awg表示折流板缺口面積；Awt表示缺口處管子所占面積。 流體在兩折流板間錯流流通截面積： (33) 式中Ac表示兩折流板間錯流流通截面積；Ds表示殼體內(nèi)徑；DL表示管束外圓直徑；d0表示傳熱管外徑；s表示管中心距。 殼程流通截面積： （34） 式中As表示殼程流通面積；Ab表示流體在缺口處流通面積；Ac表示流體在兩折流板間錯流流通面積。 殼程接管直徑： （35） 式中D1表示殼程接管直徑；As表示殼程流通面積。 將（37）式結(jié)果圓整到最接近的標(biāo)準(zhǔn)管徑，取2036。 由管子布置圖，可以知道錯流區(qū)一排管束：Nc=12根。 每一缺口內(nèi)的有效錯流管排數(shù)： （36） 式中Ncw表示每一缺口內(nèi)的有效錯流管排數(shù)；h表示缺口弦高度；sp表示平行于流向的管距。 在<1-2>管殼式換熱器設(shè)計中，可使旁通流道數(shù)為1，取旁通擋板數(shù)為3對。 錯流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)： （37） 式中Fbp表示錯流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)；Ds表示殼體內(nèi)徑；DL表示管束外圓直徑；NE表示旁流通道數(shù)；Ac表示流體在兩折流板間錯流流通截面積。 一塊折流板上管子和管孔間泄面積： （38） 式中Atb表示一塊折流板上管子和管孔間泄面積；d0表示傳熱管外徑；dH表示折流板管孔直徑；Fc表示錯流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)；nt表示傳熱管總根數(shù)。 折流板外緣與殼體內(nèi)壁間泄面積： （39） 式中Asb表示折流板外緣與殼體內(nèi)壁間泄面積；Ds表示殼體外徑；Db表示折流板直徑；h表示缺口弦高度。 第六章 換熱系數(shù)的計算 6.1管程換熱系數(shù) 管程的雷諾數(shù)： （40） 式中Re2表示管程的雷諾數(shù)；ω2表示管程內(nèi)水流速；ρ2表示水的密度；μ2表示水的黏度；di表示傳熱管的內(nèi)徑。 管程換熱系數(shù)： （41） 式中α2表示管程換熱系數(shù)；λ2表示水的導(dǎo)熱系數(shù)；di表示傳熱管內(nèi)徑；Re2表示管程的雷諾數(shù)；Pr2表示水的普朗特數(shù)。 6.2 殼程換熱系數(shù) 殼程雷諾數(shù)： （42） 式中Re1表示殼程雷諾數(shù)；M1表示煤油流量；d0表示傳熱管的外徑；Ac表示流體在兩折流板間錯流流通截面積。 假定殼程流體全部錯流流過管束，在此理想管束中純錯流時的柯爾本傳熱因子，可由《熱交換器原理與設(shè)計》圖2.28查出：理想管束傳熱因子js=0.007。 折流板缺口校正因子jc可由《熱交換器原理與設(shè)計》圖2.29查出：折流板缺口校正因子jc=10.25。 (43) (44) 式中Asb表示折流板外緣與殼體內(nèi)壁間泄面積；Atb表示一塊折流板上管子與管孔間泄面積；Ac表示流體在兩折流板之間錯流流通面積。 折流板泄露影響的校正因子是等式（43）和（44）的函數(shù)，可由《熱交換器原理與設(shè)計》圖2.30查取折流板泄露影響的校正因子jl=0.87。 管束旁通影響的校正因子jb，它是Fbp和Nss/Nc（Nss為每一錯流區(qū)內(nèi)旁路擋板對數(shù)，Nc為錯流區(qū)內(nèi)管排數(shù)）的函數(shù)，可由可由《熱交換器原理與設(shè)計》圖2.31查取jb=0.94。 殼程傳熱因子： （45） 式中j0表示殼程傳熱因子；jb表示管束旁通影響的校正因子；jl折流板泄露影響的校正因子；jc表示折流板缺口校正因子；js表示理想管束傳熱因子。 殼程質(zhì)量流速： （46） 式中Gs表示殼程質(zhì)量流速；M1表示煤油流量；As表示殼程流通截面積。 假定殼側(cè)壁面溫度tw=55℃。壁溫下的煤油黏度μw1，查物性表μw1=0.001203 Kg/(㎡＊s)。 殼側(cè)換熱系數(shù)： （47） 式中α1表示殼側(cè)換熱系數(shù)；j0表示殼程傳熱因子；Gs表示殼程質(zhì)量流速；cp表示定性溫度下的煤油比熱；Pr表示定性溫度下的煤油普朗特常數(shù)；μ表示定性溫度下的煤油黏度；μw1表示定性壁溫下煤油的黏度。 第七章 需用傳熱面積 表6-1 水的污垢熱阻經(jīng)驗數(shù)據(jù) m2*℃/W 水的種類 加熱流體溫度≤115℃ 加熱流體溫度116～205℃ 水溫≤52℃ 水溫≥53℃ 水速≤1m/s 水速>1m/s 水速≤1m/s 水速>1m/s 干凈的軟水 自來水 井水 0.00017 0.00017 0.00017 0.00017 0.00017 0.00017 0.00034 0.00034 0.00034 0.00034 0.00034 0.00034 表6-2 煤油油品及溶液的污垢熱阻經(jīng)驗數(shù)據(jù) ㎡＊℃/W 種類 污垢熱阻 粗煤油 成品煤油 0.00043 0.00017～0.00026 換熱器設(shè)計中使用的冷卻水為自來水。由表6-1可知冷卻水的污垢熱阻rs2=0.00017㎡＊℃/W。由表6-2，可選成品煤油的污垢熱阻rs1=0.00025㎡＊℃/W。 校正傳熱系數(shù)： （48） 式中K表示校正傳熱系數(shù)；α1表示殼側(cè)換熱系數(shù)；rs1表示成品煤油污垢熱阻；rs2表示冷卻水污垢熱阻；d0表示傳熱管外徑；di表示傳熱管內(nèi)徑。 由以上計算結(jié)果，可以計算出傳熱面積： （49） 式中Q表示傳熱量；K表示校正傳熱系數(shù)；Δtm表示有效平均溫差。 （50） 由等式（50）可知換熱器設(shè)計面積符合設(shè)計要求。 檢驗殼側(cè)壁溫： （51） 式中tw1表示檢驗殼側(cè)壁溫；tm1表示煤油定性溫度；K表示校正傳熱系數(shù)；α1表示殼側(cè)換熱系數(shù)；rs1表示成品煤油污垢熱阻；Δtm表示有效平均溫差。 第八章 流動阻力計算 換熱器內(nèi)流動阻力引起的壓降，是衡量運行經(jīng)濟效益的一個重要指標(biāo)。如果壓降大，消耗的功率多，就需要配備功率較大的動力設(shè)備來補償因壓力降低所消耗的能量。 由流體力學(xué)可知，產(chǎn)生流動阻力的原因與影響因素可歸納為：流體具有黏性，流動時存在著內(nèi)摩擦，是產(chǎn)生流動阻力的根源；固定的管壁或其他形狀的固體壁面，促使流動的流體內(nèi)部發(fā)生相對運動，為流動阻力的產(chǎn)生提供了條件。所以流動阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì)、流動狀況及壁面的形狀等因素有關(guān)。 換熱器中的流動阻力可分為兩部分，即流體與壁面間的摩擦阻力；流體在流動過程中，由于方向改變或速度突然改變所產(chǎn)生的局部阻力。 管殼式換熱器的管程阻力和殼程阻力必須分別計算，由于阻力單位可表示為壓力的單位，故一般用壓降ΔP表示。管殼式換熱器允許的壓降如表2-10所示。 表7-1 管殼式換熱器允許的壓降范圍 換熱器的操作壓力（Pa） 允許的壓降（Pa） P<105(絕對壓力） ΔP=0.1P P=0～105（表壓） ΔP=0.5P P>105（表壓） ΔP<5104 8.1 管程阻力計算 管殼式換熱器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)出口連接阻力等三部分組成，因而 （52） 式中ΔPt表示管程總阻力；ΔPi表示沿程阻力；ΔPr表示回彎阻力；ΔPN表示進(jìn)出口連接管阻力。 沿程阻力： (53) 式中fi表示管內(nèi)摩擦因子；L表示管程總長；di表示傳熱管內(nèi)徑；ρ2表示水的密度；ω2表示管程內(nèi)水流速度；μ2表示冷卻水黏度；μw2表示壁溫下的水黏度。 回彎阻力： （54） 式中ρ2表示水的密度；ω2表示管程內(nèi)水流速度；Zt表示傳熱管的總根數(shù)。 進(jìn)出口連接管阻力： （55） 式中ρ2表示水的密度；ω2表示管程內(nèi)水流速度。 管程總阻力： （56） 8.2 殼程阻力計算 對于相同的雷諾數(shù)，殼程摩擦系數(shù)大于管程摩擦系數(shù)，因為流過管束的流動有加速、方向變化等。但殼程的壓降不一定大，因壓降與流速、水力直徑、折流板數(shù)、流體密度等有關(guān)，因此在相同的雷諾數(shù)時殼程壓降有可能壁管程低。 查《熱交換器原理與設(shè)計》圖2.36可知理想管束摩擦系數(shù)。 理想管束錯流段阻力： （57） 式中ΔPbk表示理想管束錯流段阻力；fk表示理想管束摩擦系數(shù)；M1表示煤油質(zhì)量流量；Nc表示錯流區(qū)排管數(shù)；Ac表示流體在兩折流板間錯流流通截面積；ρ1表示煤油的定性密度；μ1表示煤油的定性黏度；μw1表示壁溫下的煤油黏度。 理想管束缺口處阻力： (58) 式中ΔPwk表示理想管束缺口阻力；M1表示煤油質(zhì)量流量；Ac表示流體在兩折流板間錯流流通截面積；Ab表示流體在缺口處流通面積；ρ1表示煤油的定性密度；Ncw表示每一缺口內(nèi)的有效錯流管排數(shù)。 上述兩項阻力應(yīng)對折流板泄露造成的影響和旁路所造成的影響以及進(jìn)出口段折流板間距不同造成的影響分別予以校正，其中： 折流板泄露對阻力影響的校正系數(shù)R1可由《熱交換器原理與設(shè)計》圖2.37查得，R1=0.53。旁路校正系數(shù)Rb可由《熱交換器原理與設(shè)計》圖2.38查得，Rb=0.63。 進(jìn)出口段折流板間距不同對阻力影響的校正系數(shù)Rs，由于在此換熱器設(shè)計中折流板的間距相同，所以無需校正。 殼程總阻力： （59） 式中ΔPs表示殼程總阻力；Nb表示折流板數(shù)目；ΔPwk表示理想管束缺口阻力；ΔPbk表示理想管束錯流段阻力；R1表示折流板泄露對阻力影響的校正系數(shù)；Rb表示旁路校正系數(shù)；Ncw表示每一缺口內(nèi)的有效錯流管排數(shù)；Nc表示錯流區(qū)排管數(shù)。 由已知條件允許壓降不大于100KPa，從表7-1可知設(shè)計的管殼式換熱器在允許的壓降范圍。 總結(jié) 這次課程設(shè)計對培養(yǎng)我們的實際工程能力具有重要意義。通過課程設(shè)計，我們把先修課程中所獲得的理論知識在實際的設(shè)計工作中綜合地加以動用，使這些知識得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識和生產(chǎn)實踐密切地結(jié)合起來。這次設(shè)計，初步培養(yǎng)了我們對壓力容器設(shè)計的工作能力；樹立正確的設(shè)計的思想；掌握一些容器設(shè)計有基本方法和步驟，為以后進(jìn)行設(shè)計工作打下了良好的基礎(chǔ)。另外還使我們能訓(xùn)練地應(yīng)用有關(guān)參考資料、計算圖表、手冊；熟悉有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，為成為一個工程技術(shù)人員在培養(yǎng)基本技能。 其次，我從這次設(shè)計中得到了以下經(jīng)驗：一、在設(shè)計前進(jìn)行相關(guān)知識的系統(tǒng) 學(xué)習(xí)，包括過程設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點以及AUTOCAD軟件的熟悉；設(shè)計時對此設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。二、學(xué)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)知識。借鑒以前的實例，對別人的設(shè)計多問幾個為什么。向指導(dǎo)老師以及工廠的工程師咨詢，與同學(xué)討論。三、計算公式必須符合規(guī)范的要求，在多種公式中選擇更安全、更合理的公式；其次，計算的步驟可以參照以往的計算書或者其它資料，計算的每一步結(jié)果都要確保正確；最后，要認(rèn)真地對計算書進(jìn)行檢查校正。 通過這次設(shè)計，使我的各方面的能力得到提高和增強，不僅計算機能力得到提高，還有增強了我的獨立思考和創(chuàng)新能力。但是由于水平的有限，在設(shè)計過程中一定存在許多疏漏和不夠合理之處，懇請老師批評指正。