正戊烷冷凝器設(shè)計(jì)

化工原理課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)姓名學(xué)號(hào)張茂生（20083100）潘志學(xué)（20083110）曹亞楠（20083115）專業(yè)班級(jí)高分子材料與工程08-4指導(dǎo)教師何兵2011年1月20日

化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)專業(yè)班級(jí)姓名設(shè)計(jì)題目：列管式換熱器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間:指導(dǎo)老師：設(shè)計(jì)任務(wù):年處理噸正戊烷的正戊烷冷凝器1.設(shè)備型式立式列管式換熱器2.操作條件（1）正戊烷：冷凝溫度51℃，冷凝液于飽和溫度下離開(kāi)冷凝器；（2）冷卻介質(zhì)：井水，進(jìn)口溫度32℃，出口溫度40℃（3）允許壓強(qiáng)降，不大于（4）每年按330天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行；(5)設(shè)備最大承受壓力，p=2.5Mpa設(shè)計(jì)報(bào)告：設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份主體設(shè)備總裝圖（1#圖紙）一張，帶控制點(diǎn)工藝流程圖（3#圖紙）一張目錄摘要 11前言 32列管式換熱器設(shè)計(jì)方案 42.1列管式換熱器類型的選擇 52.1.1固定管板式換熱器 52.1.2浮頭式換熱器 52.1.3U形管換熱器 52.1.4滑動(dòng)管板式換熱器 52.2流體流動(dòng)通道的選擇 62.3換熱器結(jié)構(gòu)的計(jì)算 62.3.1熱負(fù)荷Q： 62.3.2平均溫度差 72.3.3估算面積 72.3.4管子初選 82.3.5對(duì)流傳熱系數(shù) 82.3.6污垢熱阻 112.3.7總傳熱系數(shù)和計(jì)算所需面積 112.3.8壁溫的計(jì)算 112.4壓強(qiáng)降計(jì)算 122.4.1管程壓強(qiáng)降： 122.4.2殼程壓強(qiáng)降 132.5列管式換熱器其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 142.5.1管程結(jié)構(gòu) 142.5.2殼程結(jié)構(gòu) 142.5.3其他重要附件 152.6換熱器材質(zhì)的選擇 152.6.1碳鋼 162.6.2不銹鋼 163列管式換熱器的具體計(jì)算 173.1試算并初選換熱器規(guī)格 173.1.1確定流體流動(dòng)通道 173.1.2流體定性溫度、物性以及列管式換熱器形式選擇 173.1.3熱負(fù)荷Q的計(jì)算 173.1.4計(jì)算平均溫差 173.1.5初選換熱器規(guī)格 183.2核算總傳熱系數(shù) 183.2.1計(jì)算管程的對(duì)流傳熱系數(shù) 193.2.2計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 193.2.3確定污垢熱阻 193.2.4核算總傳熱系數(shù) 193.2.5核算壁溫 203.3計(jì)算壓強(qiáng)降 203.4結(jié)構(gòu)尺寸的確定 203.4.1筒體內(nèi)徑 203.4.2換熱器壁厚設(shè)計(jì)與液壓試驗(yàn) 213.4.3封頭 223.4.4管板 243.4.5容器法蘭 243.4.6接管尺寸 243.4.7接管法蘭 253.4.8管箱長(zhǎng)度 263.4.9折流板 263.4.10拉桿與定距管 263.4.11分程隔板與緩沖板 263.4.12總重量計(jì)算 263.5離心泵和風(fēng)機(jī)的選取 29附錄一 30附錄二：本書(shū)符號(hào)說(shuō)明 314設(shè)計(jì)總結(jié) 33參考文獻(xiàn) 34摘要摘要：列管式換熱器在化工、石油等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。根據(jù)本次設(shè)計(jì)任務(wù)，正戊烷流動(dòng)溫度為51.7℃，水的進(jìn)、出口量溫度為32℃、40℃.計(jì)算一個(gè)年處理量為噸的正戊烷冷凝器。通過(guò)計(jì)算，得到所需管程數(shù)為4，傳熱管長(zhǎng)為4.5米，殼體直徑為0.5米,傳熱面積為33.09平方米的的換熱器。由此進(jìn)行換熱器的選擇,并確定傳熱過(guò)程的流體流速等參數(shù),傳熱面積為36.6平方米的的換熱器。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步核算，換熱器壓降，面積裕度，管壁溫度均符合設(shè)計(jì)要求，。然后通過(guò)查閱資料合理計(jì)算確定封頭、管箱、拉桿、定距管等結(jié)構(gòu)尺寸和選取符合要求的輔助設(shè)備（主要是離心泵）。最后畫(huà)出符合工程語(yǔ)言的設(shè)備總裝圖和帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。關(guān)鍵詞：列管式固定管板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算Abstract：Tubetypeheatexchangeriswidelyusedinchemicalindustry,petrochemicalindustryandsoon.Accordingtothisdesignwork,theinlettemperatureofrunningpentaneis51.7degrees.Thetemperatureofexitwateris40degreesandtheentertemperatureis32degrees.Theeventisanannualcapacityof2.5×104tonsilaneofcondenser.Aftercalculating，thenumberoftubeisfour,thelengthoftheexchangingtubeis4.5meters,andthediameteroftheshellis0.5meters.Finallytheexchangerischoossed，whosenumberofthetubeis120,andtheexchangingareais33.09centaur.Thereoutmakethechoiceofheatexchangersandthenconfirmthespeedortheotherparametersoftheliquid.Andtheexchangingareais36.6centaur.Theareaandthetemperatureallsuittotheassignmentrequest.Basedonthischosenheaterexchanger,thendesignpropernozzles,flange,tierod,channel,tubesheet,spacerandsoon.Thefinalresultincludesacraftwork-flow-chart,afacilityfittingdraw,andainstruction.Keyword：TubularTubularheatexchangersdesigncalculation.

1前言在化工和石油化工廠中，傳熱既是最重要也是應(yīng)用最多的過(guò)程。工廠運(yùn)轉(zhuǎn)是否經(jīng)濟(jì)常常取決于熱或冷的利用和回收的效率。供氣、供電和供冷等公用工程在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于使熱的轉(zhuǎn)化和回收效率最高。換熱器是在具有不同溫度的兩種和兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用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)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過(guò)程工藝條件的需要。換熱器是化工、煉油、動(dòng)力、食品、輕工、原子能、制藥，航空及其他許多工業(yè)部門(mén)廣泛使用的通用設(shè)備。在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%~20%；在煉油廠中，該項(xiàng)的投資約占總投資的35%~40%。換熱器的種類很多，有多種多樣的結(jié)構(gòu)每種結(jié)構(gòu)形式的換熱器都有其自身的結(jié)構(gòu)特征及其相應(yīng)的工作特性。在對(duì)換熱器的選型時(shí)，有諸多因素需要考慮，主要包括流體的性質(zhì)、壓力、溫度、壓降及其可調(diào)范圍；對(duì)清洗、維修的要求；材料價(jià)格及制造成本；動(dòng)力消耗費(fèi)；現(xiàn)場(chǎng)安裝和檢修的方便程度；使用壽命和可靠性等。對(duì)于所選擇的換熱器，應(yīng)盡量滿足以下要求：具有較高的傳熱效率，較低的壓力降；重量輕且能承受操作壓力；有可靠的使用壽命；產(chǎn)品質(zhì)量高，操作安全可靠；所使用的材料與過(guò)程流體相容；設(shè)計(jì)計(jì)算方便，制造簡(jiǎn)單，安裝容易，易于維護(hù)和維修。在換熱器中，應(yīng)用最多的是管殼式（列管式）換熱器，它是工業(yè)過(guò)程熱量傳遞中應(yīng)用最廣泛的一種換熱器。雖然列管式換熱器在結(jié)構(gòu)緊湊型、傳熱強(qiáng)度和單位傳熱面積的金屬消耗量方面無(wú)法與板式或板翅式等緊湊式換熱器相比，但列管式換熱器適用的操作溫度與壓力范圍較大，制造成本低，清洗方便，處理量大，工作可靠，長(zhǎng)期以來(lái)，人們已在其設(shè)計(jì)和加工制造方面積累了許多的經(jīng)驗(yàn)。本次課程設(shè)計(jì)是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求確定選用換熱器的傳熱面積，管子規(guī)格和排列方式，管程數(shù)和管殼數(shù)以及折流擋板，進(jìn)而確定換熱器的其他尺寸或選擇換熱器的型號(hào)。2列管式換熱器設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)流程確定隔板間距并估計(jì)殼層傳熱系數(shù)技術(shù)要求定義目標(biāo)確定隔板間距并估計(jì)殼層傳熱系數(shù)技術(shù)要求定義目標(biāo)如果需要計(jì)算未指定的流速或溫度需要做能量平衡計(jì)算含垢因子在內(nèi)的總傳熱系數(shù)計(jì)算含垢因子在內(nèi)的總傳熱系數(shù)K收集物理性質(zhì)收集物理性質(zhì)%%%%假設(shè)總傳熱系數(shù)K假設(shè)總傳熱系數(shù)K設(shè)確定殼、管程數(shù)計(jì)校正因子是設(shè)確定殼、管程數(shù)計(jì)校正因子估計(jì)管側(cè)和殼層壓降估計(jì)管側(cè)和殼層壓降確定傳熱面積A=Q/K確定傳熱面積A=Q/K壓降在規(guī)定范圍內(nèi)？否壓降在規(guī)定范圍內(nèi)？確定類型、管徑，材料清單為殼管分配流體確定類型、管徑，材料清單為殼管分配流體估計(jì)換熱器成本計(jì)算管數(shù)估計(jì)換熱器成本計(jì)算管數(shù)能否優(yōu)化降低成本能否優(yōu)化降低成本計(jì)算殼徑是計(jì)算殼徑估計(jì)管側(cè)傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)成功估計(jì)管側(cè)傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)成功2.1列管式換熱器類型的選擇根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常將其分為固定管板式、浮頭式、U形管式填料函式、滑動(dòng)管板式、雙管板式、薄管板式等類型。2.1.1固定管板式換熱器(代號(hào)G)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力，造價(jià)低，管程清洗方便，管子損壞時(shí)易于堵塞或更換；缺點(diǎn)：管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力這種換熱器適用于殼層介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢、并能進(jìn)行清洗、管程與殼程兩側(cè)溫差不大或者溫差較大但殼層壓力不高的場(chǎng)合。2.1.2浮頭式換熱器(代號(hào)P)優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)和管間易于清洗，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無(wú)法檢查，制造時(shí)對(duì)密封要求高。這種換熱器適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。2.1.3U形管換熱器(代號(hào)Y)優(yōu)點(diǎn)：只有一塊管板，管束由多根U形管束組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱器有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。缺點(diǎn)：由于受到管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時(shí)，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而且損壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率極高。適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗、又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。2.1.4滑動(dòng)管板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，必要時(shí)可在管箱增設(shè)隔板，強(qiáng)化傳熱。缺點(diǎn)：填料泄漏時(shí)可導(dǎo)致管程和殼程的流體相混，故嚴(yán)禁用于兩種流體不相容的場(chǎng)合。2.2流體流動(dòng)通道的選擇eq\o\ac(○,1)不清潔或易結(jié)垢的流體，宜走容易清洗的一側(cè)。對(duì)于直管管束，宜走管程，便于清洗；對(duì)于U型管管束，宜走殼程。eq\o\ac(○,2)腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時(shí)被腐蝕。eq\o\ac(○,3)壓力高的流體走管程，以免制造較厚的殼體。eq\o\ac(○,4)為增大對(duì)流傳熱系數(shù)，需要提高流速的流體的宜走管程，因管程流通截面積一般比殼程的小，且做成多管程也教容易。eq\o\ac(○,5)兩流體溫差較大時(shí)，對(duì)于固定管板式換熱器，宜將對(duì)流傳熱系數(shù)大的流體走殼程，以減小管壁與殼體的溫差，減小熱應(yīng)力。eq\o\ac(○,6)蒸汽冷凝宜走殼程，以利于散熱、排出冷凝液，增強(qiáng)傳熱效果。eq\o\ac(○,7)需要冷卻的流體宜走殼程，，以減小冷卻劑用量。但溫度很高的流體，其熱能可以利用，宜走管程，以減小熱損失。eq\o\ac(○,8)粘度大或流量小的流體宜走殼程，因由折流擋板的作用，在低Re數(shù)下（Re>100）即可達(dá)到湍流。在選擇流動(dòng)管道時(shí)，上述原則往往不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體問(wèn)題抓住主要方面，一般首先考慮流體的壓力降、防腐蝕清洗等要求，然后在校核對(duì)流傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力，以便做出恰當(dāng)?shù)倪x擇。2.3換熱器結(jié)構(gòu)的計(jì)算2.3.1熱負(fù)荷Q：2.3.1.1式中：——流體的質(zhì)量流量，kg/s；——流體的平均比定壓熱容，J/(kg.℃)T——熱流體的溫度，℃t——冷流體的溫度，℃下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。2.3.1.2式中：——飽和蒸汽（即熱流體）的冷凝速率，kg/s；r——飽和蒸汽的冷凝熱，J/kg。2.3.2平均溫度差2.3.2.2.3.2當(dāng)>2時(shí)，當(dāng)<2時(shí)，式中、——換熱器兩端熱冷流體的溫差，℃。錯(cuò)、折流的平均溫度：式中——按逆流情況求的對(duì)數(shù)平均溫差，℃；——溫差矯正系數(shù)，=f（P，R）其中2.3.3估算面積2.3.3.1管程殼程傳熱系數(shù)K值/W/(℃)輕有機(jī)物水蒸氣冷凝580~1190中有機(jī)物水蒸氣冷凝290~580重有機(jī)物水蒸氣冷凝115~350水輕有機(jī)物冷凝580~1160水重有機(jī)物蒸汽冷凝115~3502.3.3.2根據(jù)查得的K的經(jīng)驗(yàn)值K估，估算出換熱器的面積2.3.4管子初選管數(shù)管長(zhǎng)管程2.3.5對(duì)流傳熱系數(shù)2.3.5.1無(wú)相變流體在圓形直管道中做強(qiáng)制湍流的對(duì)流傳熱系數(shù)eq\o\ac(○,1)對(duì)于低粘度流體（μ小于或等于兩倍常溫水的粘度）當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=0.3式中ρ、μ——流體的密度和粘度，kg/、Pa.——流體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，W/(.℃)、J/(kg.℃)；u——管內(nèi)的流速，m/s；——列管內(nèi)徑，m。應(yīng)用范圍：Re>10000,Pr=0.7~160,管長(zhǎng)與管徑之比，可由上式算出乘以特征尺寸：管內(nèi)徑定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。eq\o\ac(○,2)對(duì)于高粘度液體（大于2倍常溫水的粘度）式中是考慮熱流方向的校正系數(shù)，可以用表示。指壁面溫度下流體粘度，因壁溫未知，計(jì)算需用試差法，故可取近似值。當(dāng)流體被加熱時(shí)=1.05；液體被冷卻時(shí)，取=0.95。氣體不論加熱與冷卻均取=1.0。應(yīng)用范圍：Re>10000,Pr=0.7~16700，>60。特征尺寸：管內(nèi)徑。定性溫度：除按壁溫取值外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。2.3.5.2無(wú)相變流體在管外做強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)eq\o\ac(○,1)若列管換熱器內(nèi)裝有園缺擋板（缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面積）時(shí)應(yīng)用范圍：特征尺寸：當(dāng)量直徑。定性溫度：除按壁溫取值外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。eq\o\ac(○,2)若換熱器的管間無(wú)擋板，管外流體沿管束平行流動(dòng)時(shí)，則值仍可以用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的公式計(jì)算，但需將式中的管內(nèi)徑將改為管間的當(dāng)量直徑。2.3.5對(duì)于蒸汽在水平管壁（管外、單管或管束）上的膜狀冷凝傳熱系數(shù)：（*）式中——管子外徑；n——管束在垂直面上的列數(shù)，對(duì)單管n=1；——飽和溫度ts與壁面溫度tw、、—特性溫度下冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和粘度汽化潛熱r由值決定，特性溫度取膜溫，即2.3.5.4當(dāng)Re<2000時(shí)，膜層內(nèi)為層流，則l——垂直管的高度，m；r——飽和蒸汽的冷凝熱，kJ/kg；定性溫度：蒸汽冷凝熱取飽和溫度下的值，其余物性取液膜平均溫度下的值。當(dāng)Re>2000時(shí)，膜層內(nèi)為湍流，則特征尺寸：l取垂直管或板的高度，定性溫度和其余物性參數(shù)與（*）相同。冷凝液的液膜流動(dòng)有層流和湍流之分，故在計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)應(yīng)首先假設(shè)液膜的流動(dòng)類型，求出α后，需要計(jì)算Re數(shù)，檢驗(yàn)是否在所假設(shè)的流型范圍。Re數(shù)的計(jì)算公式：2.3.6污垢熱阻沉積在傳熱壁面上的污物、腐蝕產(chǎn)物或其他雜質(zhì)，構(gòu)成管壁上的污垢。某些情況下，污垢熱阻是總傳熱系數(shù)的控制因素。因此，確定適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙瑁菗Q熱器的設(shè)計(jì)中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容。污垢的熱阻主要決定于它的導(dǎo)熱系數(shù)和垢層厚度。污垢的種類很多，影響垢層厚度的因素又復(fù)雜，污垢的導(dǎo)熱系數(shù)及污垢層厚度難以準(zhǔn)確地估計(jì)，因此，通常選用污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值。2.3.7總傳熱系數(shù)和計(jì)算所需面積2.3.7式中——基于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，W/(.℃)；、——管外及管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(.℃)；、、——換熱器列管的外徑、內(nèi)徑及平均直徑，m；b——列管管壁厚度，m；——列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(.℃)。2.3.7.2計(jì)算所得需要面積2.3.7.3面積裕面積裕量=2.3.8壁溫的計(jì)算在傳熱過(guò)程中，需要知道壁溫才能計(jì)算α；此外，選擇換熱器的類型和管子材料也需要知道壁溫。但是，設(shè)計(jì)時(shí)，一般只知道管內(nèi)、外流體的平均溫度ti首先在之間假設(shè)壁溫值，用以近似計(jì)算兩流體的，再根據(jù)及污垢熱阻計(jì)算總傳熱系數(shù)，然后用下列近似計(jì)算關(guān)系核算值是否正確。由此計(jì)算的值應(yīng)與假設(shè)相符。否則重設(shè)壁溫，重復(fù)上述計(jì)算，直到基本相符為止。（注意：假設(shè)的值應(yīng)接近于值大的那個(gè)流體的溫度）2.4壓強(qiáng)降計(jì)算列管式換熱器的設(shè)計(jì)必須滿足工藝上提出的壓強(qiáng)降要求。列管式換熱器允許的壓強(qiáng)降范圍如下：換熱器的操作壓強(qiáng)/Pa允許的壓強(qiáng)降P<100000（絕對(duì)壓強(qiáng)）P=0~100000（表壓）P>100000(表壓)一般來(lái)說(shuō)，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10000~100000Pa，氣體為流體流經(jīng)列管式換熱器因流動(dòng)阻力所引起的壓強(qiáng)降，可按管程和殼程分別計(jì)算：2.4.1管程壓強(qiáng)降：對(duì)于多程列管換熱器，管程壓強(qiáng)降的計(jì)算式為：式中、——直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；——結(jié)垢校正系數(shù)，量綱為一。對(duì)于的管子取為1.4，對(duì)于的管子取為1.5；——管程數(shù)；——串聯(lián)的殼程數(shù)。上式中直管壓強(qiáng)降可按流體在管中流動(dòng)的阻力公式計(jì)算，即；回彎管的壓強(qiáng)降可由下面的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算，即一般情況下，換熱器進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)。2.4.2殼程壓強(qiáng)降當(dāng)殼程無(wú)折流擋板時(shí)，流體順著管束運(yùn)動(dòng)，殼程壓強(qiáng)降可按流體沿直管流動(dòng)的壓強(qiáng)降計(jì)算，且僅以殼方的當(dāng)量直徑de代替圓管直徑d當(dāng)殼程裝上折流擋板后，流體在其中作曲折流動(dòng)，殼程壓強(qiáng)降的計(jì)算方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Esso法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降Σp式中——流體橫過(guò)管束的壓強(qiáng)降，Pa；——流體流過(guò)折流擋板缺口的壓強(qiáng)降，Pa；——?dú)こ虊簭?qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù)，量綱為一。對(duì)液體可取1.15，對(duì)氣體或可凝蒸汽可取1.0。又式中F——管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，量綱為一。對(duì)管子三角形排列F為0.5，對(duì)正方形錯(cuò)列F為0.4，對(duì)正方形直列F為0.3?！?dú)こ塘黧w的摩擦因數(shù)，當(dāng)時(shí)，——橫過(guò)管束中心線的管數(shù)；h——折流板間距，m；D——換熱器殼體內(nèi)徑，m；——折流板數(shù)，；——按殼程流道截面積計(jì)算的流速，m/s。其中2.5列管式換熱器其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.5.1管程結(jié)構(gòu)2.5.1常用換熱管規(guī)格有φ192㎜，φ252㎜，φ252.5㎜，換熱管管上的排列方式有正方形直列、正方形錯(cuò)列、三角形直列、三角形錯(cuò)列和同心圓排列。對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間采用正方形排列方式。管間距t與管外徑的比值，焊接時(shí)為1.25，脹接時(shí)為1.3~1.52.5.1管板是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分開(kāi)。管板與管子之間可以采用焊接或者脹接；管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩種。固定管板常采用不可拆連接。2.5.1封頭和管箱位于殼體兩端，其作用時(shí)控制及分配管程流體。當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭，殼徑較大的換熱器多采用管箱結(jié)構(gòu)，當(dāng)所需換熱面積很大時(shí)，可才用多管程換熱器，此時(shí)在箱體內(nèi)設(shè)置分程隔板。2.5.2殼程結(jié)構(gòu)2.5.2殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)入和排出之用。介質(zhì)在殼程內(nèi)的流動(dòng)方式有多種，單殼程型式應(yīng)用的最為普遍，如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分割成雙殼程型式。本次設(shè)計(jì)采用單殼程，多管程。2.5.2在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過(guò)管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起到支撐管束、防止管束震動(dòng)和管子彎曲的作用。漢族要有圓缺型、環(huán)盤(pán)型和孔流型。本次設(shè)計(jì)中采用弓型。2.5.2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震動(dòng)，還有使流體沿管束均勻分布的作用。2.5.3其他重要附件2.5.3在各種容器和管道中，由于生產(chǎn)工藝的要求，或考慮制造、運(yùn)輸，安裝、檢修的方便，常采用可拆的結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的可拆結(jié)構(gòu)有法蘭連接、螺紋連接和插套連接。由于法蘭連接有好的強(qiáng)度和氣密性，而且適用尺寸范圍較廣，在設(shè)備和管道上都能應(yīng)用，所以法蘭連接用的最普遍。法蘭連接分容器法蘭連接和管法蘭連接。2.5.3折流板和支持板是用拉桿固定的，常用的拉桿有兩種形式，一是拉桿定距管結(jié)構(gòu)，適用于換熱器外徑大于或等于19mm的管束。二是拉桿與折流板點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于外徑小于或等于14mm的管束。2.6換熱器材質(zhì)的選擇在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器各種零、部件的材料，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作壓力、操作溫度、流體的腐蝕性能以及對(duì)材料的制造工藝性能等的要求來(lái)選取。當(dāng)然，最后還要考慮材料的經(jīng)濟(jì)合理性。一般為了滿足設(shè)備的操作壓力和操作溫度，即從設(shè)備的強(qiáng)度或剛度的角度來(lái)考慮不周，選材不妥，不僅會(huì)影響換熱器的使用壽命，而且也大大提高設(shè)備的成本。至于材料的制造工藝性能，是與換熱器的具體結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。2.6.1碳鋼價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸腐蝕，在無(wú)耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用時(shí)合理的。如一般換熱器用的普通無(wú)縫鋼管，其常用的材料為10號(hào)和20號(hào)碳鋼。2.6.2不銹鋼奧氏體系不銹鋼以1Cr18Ni9為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的18-8奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐腐蝕性和冷加工性能。3列管式換熱器的具體計(jì)算3.1試算并初選換熱器規(guī)格3.1.1確定流體流動(dòng)通道因?yàn)檎羝淠俗邭こ?，以利于散熱、排出冷凝液，增?qiáng)傳熱效果。所以正戊烷走殼程水走管程。3.1.2流體定性溫度、物性以及列管式換熱器形式選擇3.1.2正戊烷冷凝為恒溫，故定性溫度為；水的定性溫度兩流體溫差由于兩流體溫差于不大于50℃，故選用固定管板式換熱器。3.1.2流體物性正戊烷51.75960.182.340.13347.5水36993.60.7124.1743.1.3熱負(fù)荷Q的計(jì)算按正戊烷進(jìn)行計(jì)算正戊烷熱負(fù)荷3.1.4計(jì)算平均溫差，蒸汽冷凝時(shí)，=13.1.5初選換熱器規(guī)格根據(jù)任務(wù)要求為管內(nèi)流體水來(lái)冷凝殼程正戊烷（）的過(guò)程,總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的范圍為580~1160，初選K=600，則估算面積為設(shè)水的流速為u=1m/s,以換熱管為的換熱器計(jì)算

管數(shù)取整為30管長(zhǎng)管程取單管長(zhǎng)L=4.5m管程數(shù)常為偶數(shù)取整為4總管數(shù)：初選管板式換熱器規(guī)格如下?lián)Q熱面積36.6管長(zhǎng)l4.5m管程數(shù)N4管子直徑管數(shù)n106管子排列方式三角形排列3.2核算總傳熱系數(shù)3.2.1計(jì)算管程的對(duì)流傳熱系數(shù)管程流通面積3.2.2計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)假設(shè)為湍流假設(shè)2000則湍流假設(shè)成立3.2.3確定污垢熱阻管程走水，取殼程走正戊烷氣體，取3.2.4核算總傳熱系數(shù)面積裕量3.2.5核算壁溫則假設(shè)成立3.3計(jì)算壓強(qiáng)降殼程壓降：正戊烷在等溫等壓下冷凝壓降忽略；管程壓降：Ft：對(duì)于的管子取為1.4；——串聯(lián)的殼程數(shù)，；取粗糙度則查摩擦因數(shù)圖得3.4結(jié)構(gòu)尺寸的確定3.4.1筒體內(nèi)徑式中t——管中心距，，t=32mmnc——橫過(guò)管束中心線的管數(shù)，正三角形排列；D——?dú)んw內(nèi)徑，m；b‘——??；則多管程結(jié)構(gòu)，取設(shè)備利用率殼體內(nèi)徑尺寸取整D=500mm3.4.2換熱器壁厚設(shè)計(jì)與液壓試驗(yàn)(公式選擇《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》)式中t——筒體的理論計(jì)算壁厚，mm；——筒體的計(jì)算壓力，MPa；——筒體的內(nèi)徑，mm；——鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；——焊接接頭系數(shù)，其值小于或等于1。筒體選擇熱軋?zhí)妓劁換235-C，則，采用雙面焊縫則式中C1——最小負(fù)偏差，mm；C鋼板厚度負(fù)偏差鋼板厚度，mm22.22.52.8~3.03.2~3.53.8~4.04.5~5.5負(fù)偏差，mm0.180.190.20.220.250.30.5鋼板厚度，mm6~78~2526~3032~3436~4042~5052~60負(fù)偏差，mm0.60.80.91.01.11.21.3圓整后取有效厚度液壓試驗(yàn)MPa式中——內(nèi)壓容器的試驗(yàn)壓力，MPa；P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；——試驗(yàn)溫度下材料的許用壓力，MPa；——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用壓力，MPa。常溫下材料屈服強(qiáng)度為235MPa,故校核成功。3.4.3封頭（公式出自《化工容器設(shè)計(jì)》）封頭材料選用3.4.采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（a/b=2）K=15.9mm圓整取封頭總高()3.4.3.0mm圓整取封頭總高3.4.取查表得M=1.36蝶形封頭形狀系數(shù)0.150.170.2M1.41.361.31圓整取封頭高度綜合高度和厚度以及節(jié)省成本原則選擇橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4746-2002選擇DN=500mm封頭質(zhì)量為20kg，直邊高度25mm，曲面高度125mm，厚度3.4.4管板（數(shù)據(jù)選自《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》）固定管板式，殼體與管板采用焊接型式,管板兼作法蘭。管板材料為16Mn，管板型號(hào)如下：PPDNDDDDDDd規(guī)格bb2.5mm2.5mm500mm660mm615mm576mm500mm563mm500mm27mmM34mm48mm3.4.5容器法蘭選擇乙型平焊法蘭（JB/T4702-2000）PN=2.5MPa，DN=500mmt=43mmH=190mm法蘭強(qiáng)度校核：查乙型法蘭最大允許工作壓力表在溫度小于200℃時(shí)，16MnR的工作壓力是2.5MPa，符合要求，故選擇16MnR。采用石棉橡膠墊片，JB/T4704-20003.4.6接管尺寸3.4.6.1殼程進(jìn)口取殼層進(jìn)口接管內(nèi)正戊烷蒸汽流速為u=10m/s,正戊烷氣體密度為=0.177m取B型補(bǔ)強(qiáng)管DN=200，，質(zhì)量m=6.6kg/100mm（HGJ527-90）取補(bǔ)強(qiáng)圈d=224mm,D=400,計(jì)算得，圓整得查JB/T4736-95,接管伸出長(zhǎng)度為200mm接管位置尺寸：，取200mm3.4.6取殼層出口接管內(nèi)正戊烷液體流速為u=0.5m/s,正戊烷液體密度為取B型補(bǔ)強(qiáng)管DN=125，，質(zhì)量m=3.0kg/100mm（HGJ527-90）取補(bǔ)強(qiáng)圈d=138mm,D=250,計(jì)算得，圓整得取150mm3.4.6.3取管程內(nèi)水的流速為u=1m/s，水密度為=0.108m取B型補(bǔ)強(qiáng)管DN=125，，質(zhì)量m=3.0kg/100mm（HGJ527-90）取補(bǔ)強(qiáng)圈d=138mm,D=250,計(jì)算得，圓整得查JB/T4736-95,接管伸出長(zhǎng)度為200mm接管位置尺寸：，取200mm3.4.7接管法蘭采用板式平焊法蘭（HGT20592-2009），法蘭選擇如下：參數(shù)管程接管DN=125殼程接管DN=200法蘭外徑240mm360mm螺栓孔中心圓直徑200mm310mm螺孔(18mm)法蘭厚度C20mm22mm法蘭內(nèi)徑B135mm222mm法蘭質(zhì)量4.5kg7.0kg3.4.8管箱長(zhǎng)度（為接管位置尺寸，H為封頭高度，250為焊點(diǎn)和開(kāi)孔點(diǎn)的最小距離）3.4.9折流板用弓形折流板，取折流板間距300mm（折流板間距為殼徑為0.2~1倍）則折流板數(shù)為：切口尺寸?。ㄇ锌诟叨扰c直徑之比）則h=100mm折流板外徑，折流板厚度與殼體直徑及折流板間距有關(guān)，查表得最小厚度為4mm，取厚度6mm拉桿直徑/mm拉桿螺紋公稱直徑/mmb1616202.03.4.10拉桿與定距管換熱管外徑為25mm>19mm，選擇拉桿定距桿結(jié)構(gòu)。拉桿直徑選擇16mm，選擇4根拉桿，距離按實(shí)際需要選取。定距管為，距離按實(shí)際需要選取。3.4.11分程隔板與緩沖板分程隔板：隔板材料為Q235—C隔板最小厚度為8mm（G151-99）設(shè)計(jì)時(shí)取10mm緩沖板：管程流速小可以不用緩沖板殼程流速約10m/s，接管直徑200mm，緩沖板厚度為6mm長(zhǎng)度300mm3.4.12總重量計(jì)算3.4.12.1管板重量：管板材料為16MnR，數(shù)量為2個(gè)3.4.12.2法蘭重量：法蘭材料為16MnR，兩個(gè)容器法蘭凸面法蘭采用石棉橡膠墊片（JB/T4704-2000）DN=500mmPN=2.5MPaD=565mmd=515mm殼程接管法蘭管程接管法蘭3.4.12.3接管質(zhì)量：殼程接管管程接管3.4.12.4筒體質(zhì)量1m長(zhǎng)的筒體質(zhì)量為100kg筒體總質(zhì)量約為3.4.12.5管束質(zhì)量3.4.12.6拉桿質(zhì)量3.4.12.7折流板質(zhì)量3.4.12.8封頭質(zhì)量:一個(gè)封頭質(zhì)量為20kg，數(shù)量為2，則總質(zhì)量為3.4.12.9定距管質(zhì)量：定距管材料Q235-A根數(shù)為4則：3.4.12.10補(bǔ)強(qiáng)圈質(zhì)量DN=200時(shí)質(zhì)量DN=125時(shí)質(zhì)量總質(zhì)量3.4.1在DN=500、PN=2.5MPa時(shí)，一個(gè)螺栓的質(zhì)量為0.554kg在DN=125、PN==2.5MPa時(shí)，一個(gè)螺栓的質(zhì)量為0.149kg在DN=200、PN==2.5MPa時(shí)，一個(gè)螺栓的質(zhì)量為0.153kg螺栓總質(zhì)量：I型M24螺母質(zhì)量為0.0888kg，M螺母總質(zhì)量：3.4.1最大載荷為根據(jù)JB/T4725-92,選擇如下制作本體允許載荷[Q]/(kN)適用容器公稱直徑DN/mm高度H/mm螺紋（螺栓孔直徑24mm）AN型支座質(zhì)量/kg20500-1000160M201.53.5離心泵和風(fēng)機(jī)的選取管程進(jìn)口流量為：設(shè)高度差為取揚(yáng)程為根據(jù)流量和揚(yáng)程選擇離心泵為IS80-50-315流量揚(yáng)程轉(zhuǎn)速效率軸功率電機(jī)功率必需汽蝕余量31.5m56%4.6kw5.5kw3.0m風(fēng)機(jī):殼程進(jìn)口采用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果參數(shù)管程殼程流率/（㎏/h）水：32853.6正戊烷：3157進(jìn)（出）口溫度/℃32（40）51.7（51.7）壓力/MPa2.52.5物性定性溫度/℃3651.7密度/Kg/m3993.6596定壓比熱容/(KJ/Kg/℃)4.1742.34粘度/Pa.s0.712×10-30.18×10-3設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型式固定管板式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm500臺(tái)數(shù)