PAGEPAGE14成績化工原理課程設計設計說明書設計題目：換熱器課程設計化工原理課程設計任務書一、設計任務及操作條件某生產過程中，需用循環冷卻水將有機料液從102℃冷卻至40℃。已知有機料液的流量為（2.5－0.01×20）×104=23000kg/h，循環冷卻水入口溫度為30℃，出口溫度為40℃，并要求管程壓降與殼程壓降均不大于60kPa，試設計一臺列管換熱器，完成該生產任務。已知:定性溫度下流體物性數據物性流體密度kg/m3粘度Pa·s比熱容CPkJ/（kg·℃）導熱系數W/（m·℃）有機化合液9860.54*10-34.190.662水9940.728*10-34.1740.626注：若采用錯流或折流流程，其平均傳熱溫度差校正系數應大于0.8二、確定設計方案1.選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度102℃，出口溫度40℃；冷流體進口溫度30℃，出口溫40℃，管程壓降與殼程壓降均不大于60kPa，殼程壓降不高，因此初步確定選用固定板式換熱器。2.管程安排由于循環冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應使循環水走管程，有機化合液走殼程。三、確定物性數據定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度立體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程的有機化合液的定性溫度為T管程流體的定性溫度為t=根據定性溫度分別查取殼程流體和管程流體的有關物性數據。有機化合液的有關物性數據如下：密度粘度0.54*10-3Pa·s比熱容=4.19kJ/（kg·℃）導熱系數λ=0.662W/（m·℃）循環水的有關物性數據如下：密度粘度0.728*10-3Pa·s比熱容=4.174kJ/（kg·℃）導熱系數λ=0.626W/（m·℃）四、估算傳熱面積1、熱流量Q==23000*4.19*（102-40）=5974940kJ/h=1659.7kw2、平均傳熱溫差先按照純逆流計算，得3、傳熱面積由于有機化合液的粘度為0.54*10-3Pa·s，假定總傳熱系數K=300W/（.℃），則傳熱面積為=194.124、冷卻水用水量=39.76kg/s=143146kg/h五、工藝結構尺寸1、管徑和管內流速選用Φ25*20較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速=1.5m/s。2、管程數和傳熱管數可依靠傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數=85按單程管計算，所需的傳熱管長度為=29m按單程管設計，宜采用多管程結構。現取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數為傳熱管總根數Nt=3403、傳熱溫差校平均正及殼程數平均溫差校正系數：按單殼程，雙殼程結構，查得溫差修正系數得平均傳熱溫差由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25，則t=1.25*25=31.35=32mm隔板中心到離其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為44mm。管數的分程方法，每程各有傳熱管85根。5、殼體內徑采用多管程結構，進行殼體內徑估算。取管板利用率=0.75，則殼體內徑為：D=按卷制殼體的進級檔，可取D=800mm筒體直徑校核計算：殼體的內徑應等于或大于管板的直徑，所以管板直徑的計算可以決定殼體的內徑，其表達式為：=t（-1）+2e因為管子安正三角形排列：=取e=1.2*20=24mm所以=32*（20-1）+2*34=676mm按殼體直徑標準系列尺寸進行圓整：=800mm6、折流擋板采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25*800=200取折流板間距B=0.3D，則B=0.3*800=240mm，可取B為240mm。折流板數目N=傳熱管長/折流板間距-1=7000/240-1=277、其他附件拉桿數量與直徑選取，本換熱器殼體內徑為800mm，故其拉桿直徑為12mm最少拉桿數8。8、接管殼程流體進出口接管：取接管內液體流速為u=0.2m/s，則接管內徑為圓整后可取管內徑為210mm管程流體進出口接管：取接管內液體流體u=1m/s，則接管內徑為圓整后可取管內徑為230mm六、換熱器核算1、熱流量核算（1）殼程表面傳熱系數用克恩法計算當量直徑殼程流通截面積：殼程立體流速及其雷諾數分別為普朗特數粘度校正 （2）管內表面傳熱系數TC"（2）管內表面傳熱系數"\fC：管程流體流通截面積： 管程流體流速： 雷諾數： 普朗特數：污垢熱阻和管壁熱阻：TC"（3）污垢熱阻和管壁熱阻"\fC管外側污垢熱阻管內側污垢熱阻管壁熱按查得碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(m·K)。所以（4）傳熱系數TC"（4）傳熱系數"\fC有： 傳熱面積裕度TC"（5）傳熱面積裕度"\fC：計算傳熱面積Ac： 該換熱器的實際傳熱面積為： 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。壁溫計算因為管壁很薄，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式計算。由于該式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為0.4×40+0.6×30=34℃(102+40)/2=71℃6629w/㎡·K3046w/㎡·K傳熱管平均壁溫℃殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=71℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為℃。因此，需選用固定板式換熱器較為適宜。3．換熱器內流體的流動阻力TC"換熱器內流體的流動阻力"\fC（1）管程流體阻力TC"（1）管程流體阻力"\fC ,,由Re=40691，傳熱管對粗糙度0.01，查圖得，流速=1.5m/s,,所以：管程流體阻力在允許范圍之內。殼程阻力：TC"（2）殼程阻力"\fC按式計算 ,,流體流經管束的阻力 F=0.50.5×0.2419×20×(27+1)×=1335.7Pa流體流過折流板缺口的阻力,B=0.24m,D=0.8mPa總阻力1335.7+1544.8=2880.4Pa所以殼程流體的阻力適宜。3）換熱器主要結構尺寸和計算結果TC"（3）換熱器主要結構尺寸和計算結果"\fC見下表：參數管程殼程流/出口溫度/℃40/30102/40壓力/kPa<60<60物性定性溫度/℃3571密度/（kg/m3）994986定壓比熱容/[kj/（kg?K）]4.1744.19粘度/（Pa?s）0.728×0.54×熱導率（W/m?K）0.6240.662普朗特數4.853.42設備結構參數形式固定板式殼程數1殼體內徑/㎜800臺數1管徑/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管長/㎜7000管子排列正三角形排列管數目/根340折流板數/個27傳熱面積/有機186.83折流板間距/㎜240管程數4材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.50.2表面傳熱系數/[W/（㎡?K）]66293046.3污垢熱阻/（㎡?K/W）0.00060.0004阻力/Pa57030.752880.4熱流量/KW1659.7傳熱溫差/℃25傳熱系數/[W/（㎡?K）]400裕度/%28%七、結構設計1、固定管板及法蘭結構設計：由于換熱器的內徑已確定，采用標準內徑、固定定管板外徑及各結構尺寸，結構尺寸為：公稱直徑Dbcd螺栓孔數800930890798843401023362、管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區別因而結構各異，前者的結構是在管板上開槽，殼體嵌入后進行焊接，殼體對中容易，施焊方便，適合于壓力不高、物料危害性不高的場合。3、管子與管板的連接管子與管板的連接是管殼式換熱器制造中最主要的問題。對于固定管板換熱器，除要求連接處保證良好的密封性外，還要求接合處能承受一定的軸向力，避免管子從管板中拉脫。管子與管板的連接方法主要是脹接和焊接。脹接是靠管子的變形來達到密封和壓緊的一種機械連接方法，如圖1-13所示。當溫度升高時，材料的剛性下降，熱膨脹應力增大，可能引起接頭的脫落或松動，發生泄露。一般認為焊接比脹接更能保證嚴密性。對于碳鋼或低合金鋼，溫度在300℃以上，蠕變會造成脹接殘余應力減小，一般采用焊接。焊接接口的形式見圖1-14。圖1-14（a）的結構是常用的一種；為了減少管口處的流體阻力或避免立式換熱器在管板上方滯留的液體，可采用圖1-14（b）的結構；為了不使小直徑管子被熔融的金屬堵住管口，則可改成圖1-14（c）的結構；圖1-14（d）的形式適用于易產生熱裂紋的材料，但加工量大。脹接和焊接方法各有優缺點，在有些情況下，如對高溫高壓換熱器，管子與管板的連接處，在操作時受到反復熱變形、熱沖擊、腐蝕與流體壓力的作用，很容易遭到破壞，僅單獨采用脹接或焊接都難以解決問題，如果采用脹焊結合的方法，不僅能提高連接處的抗疲勞性能，還可消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。目前脹焊結合的方法已得到比較廣泛的。八、對設計的評述在剛開始做課程設計時，覺得好難，沒有一點頭緒，不知道從哪里下手，就按照設計書上的例子一部部計算，其中很多東西都要查表，感覺很復雜，很煩！修改重算過很多次，結果一直都不怎么讓人滿意。在熟悉整個計算過程后理清了思路，發現計算簡單了。我想開始是由于過于盲目，沒有科學地規劃，以至于一直處在在盲目的計算、改數字、再次計算這個階段。這次化工原理課程設計給我留下了極深的印象，也讓我有很大的收獲。化工原理課程設計是旨在學生的工程設計能力，對所學知識進行一次綜合性訓練。這次我們對換熱器進行了設計。將設計題目、設計內容與生產實踐相結合，設計題目來源于生產實際，具有實際意義。課程設計與計算機使用相結合。設計中要求我們根據設計任務，用計算機進行輔助設計，設計計算與CAD設計相結合，應用CAD繪制符合工程設計制圖的要求的圖紙，在設計過程中采用AutoCAD輔助設計、繪圖。通過這次設計使我對所學知識的綜合應用能力、分析和解決工程實際問題能力和計算機的應用能力等方面都得到了提高，為今后的工作做了必要的準備，對我們很有幫助。九、參考書目:姚玉英.化工原理,上冊.天津:天津大學出版社,2010王國勝.化工原理課程設計.大連:大連理工大學出版社,2011基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統研究基于TCP/IP協議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數器自動換樣功能的研究與實現基于單片機的倒立擺控制系統設計與實現單片機嵌入式以太網防盜報警系統基于51單片機的嵌入式Internet系統的設計與實現單片機監測系統在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統中TCP/IP協議棧的實現與應用單片機在高樓恒壓供水系統中的應用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發基于MSP430單片機的遠程抄表系統及智能網絡水表的設計基于MSP430單片機具有數據存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計的設計基于單片機的氨分解率檢測系統的研究與開發鍋爐的單片機控制系統基于單片機控制的電磁振動式播種控制系統的設計