1、根據給定的原始條件，確定各股物料的進出口溫度，計算換熱器所需的傳熱面積，設計換熱器的結構和尺寸，并要求核對換熱器壓強降是否符合小于30 kPa的要求。各項設計均可參照國家標準或是行業標準來完成。具體項目如下：設計要求：1. 某工廠的苯車間，需將苯從其正常沸點被冷卻到40；使用的冷卻劑為冷卻水，其進口溫度為 30，出口溫度自定。2. 物料（苯）的處理量為1000 噸/日。3. 要求管程、殼程的壓力降均小于30 kPa。1、換熱器類型的選擇。列管式換熱器2、管程、殼程流體的安排。水走管程，苯走殼程，原因有以下幾點：1.苯的溫度比較高，水的溫度比較低，高溫的適合走管程，低溫適合走殼程2.傳熱系數比較

　　2、大的適合走殼程，水傳熱系數比苯大3.干凈的物流宜走殼程。而易產生堵、結垢的物流宜走管程。3、熱負荷及冷卻劑的消耗量。冷卻介質的選用及其物性。按已知條件給出，冷卻介質為水，根進口溫度t1=30，冷卻水出口溫度設計為t2=38，因此平均溫度下冷卻水物性如下：密度=994kg/m3 粘度2=0.-3Pa.s導熱系數=62.610-2 W/(m.K) 比熱容Cpc=4.184 kJ/(kg.K)苯的物性如下：進口溫度：80.1 出口溫度：40密度=880kg/m3 粘度2=1.1510-3Pa.s導熱系數=14.810-2 W/(m.K) 比熱容Cpc=1.6 kJ/(kg.K)苯處理量：1

　　3、000t/day=kg/h=11.57kg/s熱負荷：Q=WhCph（T2-T1）=11.57×1.6×1000×(80.1-40)=7.4×105W冷卻水用量：Wc=Q/cpc(t2-t1)=7.4×105/4.184×1000×(38-30)=22.1kg/s4、傳熱面積的計算。平均溫度差t'm=t2-t1lnt2t1=80.1-38-（40-30）ln80.1-3840-30=27.2確定R和P值R=T1-T2t2-t2=80.1-4038-30=5.01 P=t2-t1T1-t1=38-3080.1

　　4、-30=0.16查閱化工原理上冊203頁得出溫度校正系數為0.8，適合單殼程換熱器，平均溫度差為tm=tm×0.9=27.2×0.9=24.5由化工原理上冊表4-1估算總傳熱系數K（估計）為400W/（m2·）估算所需要的傳熱面積：S0=QK估計tm=×24.5=75m25、換熱器結構尺寸的確定，包括：（1）傳熱管的直徑、管長及管子根數；由于苯屬于不易結垢的流體，采用常用的管子規格19mm×2mm管內流體流速暫定為0.7m/s所需要的管子數目：n=4Vdiui=4×(11.57/880)3.14&

　　5、#215;0.7×0.0152=122.1，取n為123管長：l'=S0nd0=×3.14×0.015=12.9m按商品管長系列規格，取管長L=4.5m，選用三管程管子的排列方式及管子與管板的連接方式:管子的排列方式，采用正三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。（2）殼體直徑；e取1.5d0，即e=28.5mmDi=t(nc1)+2e=1.25×19×(1.13×1231)+2×28.5=537.0mm，按照標準尺寸進行整圓，殼體直徑為600mm。此時長徑比為7.5，符合6-10的范圍。殼體壁厚的計算選

　　6、取設計壓力p=0.6MPa，殼體材料為Q235，查的相應的許用應力；焊接系數（單面焊），腐蝕裕度，所以排管方式：橫過中心的管子數目：nc=1.13×123=21.1，取整21根有排管圖得出，中心有21根管道時，按照正三角形排列，可排331根，每邊各加8根，總共可以排列379根，除去6根拉桿，總共可以排出373，與上述計算相差不大，所以實際管子數目為373根。實際傳熱面積S0=Ndo（L-0.1）=373×3.14×0.019×（4.5-0.1）=97.9m2實際傳熱系數K=QtmS0=.5×97.9=308.5W/(m

　　7、2·K)（3）折流板尺寸和板間距；選取折流板與殼體間的間隙為3.5mm，因此，折流板直徑 Dc=600-23.5=593mm切去弓形高度 h=0.25D=0.=150mm取折流板間距ho=300mm那么NB=（4.5-0.1）/0.3=14.6 ,取整得NB=15塊實際折流板間距 h=（L-0.1）/(N+1)=（4500-100）/（15+1）=275mm拉桿的直徑和數量與定距管的選定。選用12mm鋼拉桿，數量6條。定距管采用與換熱管相同的管子，即19mm2mm鋼管。溫度補償圈的選用。由于（80.1+40）/2-(30+38)/2=26.0550，故需不慮設置溫

　　8、度補償圈。（4）流體進出口接管直徑等。苯的進出口管道直徑：d=4VSu=4×0..14×0.7=0.15m經圓整采用159mm×10mm熱軋無縫鋼管，實際苯的進出口管內流速為u=4Vsd2=4×0..14×0.1392=0.867m2水的進出口管道直徑：d=4VSu=4×0..14×2.5=0.106m經圓整采用108mm×5mm熱軋無縫鋼管，實際水的進出口管內流速為u=4Vsd2=4×0..14×0.1062=2.5m6、管、殼程流體的壓力

　　9、降計算。管程壓降：pi=（p1+p2）FtNsNp管程數Np=3，串聯殼程數Ns=1，對于19mm2mm的換熱管，結構校正系數為Ft=1.5。Re=du=0.015×0.7×8800.0015=5749.33,取=0.2mm，即/di=0.2/14=0.015查表，得到=0.044p1=ld+c+eu22=0.044×7.50.015+1.5×880×0.722=5066.6Pap2=3ui2/2=3X880X0.72/2=58.8Papi=5066.6×3×1.5+58.8=.7Pa30Kpa，滿足條件殼程壓降：

　　10、p=（p1+p2）FsNs,由于管子排列方式對壓強降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）de=4(32t2-4d02)do=4×32×0.-4×0..14×0.019=0.0136mu=0..275×(0.6-21×0.019)=0.401m/sRe=du=0.0136×0.401×9940.=7456.5, fo=5×Re-0.228=0.13p1=FfoNc(NB+1)=0.5×0.128×21X（15+1）×994×

　　11、0.4012/2=1718.5Pap2=NB（3.5-）=15×(3.5-2×0.275/0.6)×994×0.4012/2=3096.8Papi=（p1+p2）FtNs=(1718.5+3096.8)×1.15=5537.6Pa30Kpa傳熱系數校正總傳熱系數由下式計算：=+R+其中，管內苯的傳熱系數的計算=0.023R=0.023×0.1480.015×5749.30.8×（0.0015×1.6×.148）0.3=570.8W/( m.K)管間水的傳熱系數的計算 =0.36由于水被

　　12、加熱，取粘度校正系數w=1.05=0.36×0.6260.0136×7456.50.55×(4.9)0.33×1.05=4147.5( m.K)取水與苯的污垢熱阻均為1.( m.K)/W，鋼管導熱系數=51 W/( m.K)。故=.5+1.72×10-4+0.×16.5+14×1.72×10-419+.8×14=2.89×10-3Ko（計）=346 W/(m.K)所以， K（計算）K（選取）==1.15,一般Ko（計）/ Ko（選）應在1.

　　13、15-1.25之間。本設計的換熱器可適用7、設計過程的評價及自我體會。一、設計題目： 列管式換熱器設計 二、設計任務及操作條件 1、設計任務? 處理能力： 3000噸/日 設備型式： 固定管板式換熱器 2、操作條件（1）苯：入口溫度 80.1 出口溫度 40 （2）冷卻介質：循環水入口溫度 25 出口溫度 35 （3）允許壓降：管程不大于30kPa 殼程不大于30kPa三、設計內容（一）、概述目前（二）.設計參數苯的定性溫度：，該溫度下的物性如下：質量流量Ws1=3000t/day相對分子質量Mr=78密度1=838kg/m3粘度=0.39×10-3Pa.s導熱

　　14、系數1=0.136W/(m.K)比熱容Cph=1.82kJ/(kg.K)進口溫度T1=80.1出口溫度T2=40允許壓強降 p=30kpa 水的定性溫度：，該溫度下的物性如下：密度2=838kg/m3粘度2=0.39×10-3Pa.s導熱系數2=0.136W/(m.K)比熱容Cpc=1.82kJ/(kg.K)進口溫度t1=25出口溫度t2=35允許壓強降 p=30kpa（三）、根據任務要求，確定設計方案(1)類型的選擇。 根據設計要求，采用固定管板式換熱器(2)流動路徑的選擇。 由于變換氣被冷卻且要求壓力降不允許超過30kpa，按變換氣走管內考慮；而冷卻水為處理過的軟水，結垢不嚴重，

　　15、安排走管間（即殼程）(3)流速的選擇。 變換氣在管內的流速取ui=0.75m/s（四）、初算換熱器的傳熱面積So(1)熱負荷及冷卻介質消耗量的計算標準狀況下變換氣的質量流量Ws1=3000t/day=kg/h熱負荷 Q=WhCph(T1-T2)=×1.82×(80.1-40)=kJ/h=2534KW冷卻水的消耗量 Ws2=218.561t/h(2) 計算平均溫度差tm，并確定管程數。選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計算出平均溫度差tm：tm=27.3有關參數 R=4.01 ，P=0.18根據R,P值，查化工原理上冊P233圖4-19

　　16、可讀得，溫度校正系數w=0.99>0.8，可見用單殼程合適，因此平均溫度差tm=tm×0.99=27(3)按經驗數值初選總傳熱系數Ko（估），選取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需傳熱面積So'：So'=187.7m2（五）、主要工藝及結構基本參數的計算(1)換熱管規格及材質的選定。選用25mm×2.5mm鋼管。(2)換熱管數量及長度的確定 管數 n=176根 管長 l=13.6m 按商品管長系列規格，取管長L=4.5m，Np =3.02 選用四管程。(3)管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子與管

　　17、板的連接，采用焊接法。(4)計算外殼內直徑Di Di=t(nc-1)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm橫過管束中心線的管數 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心線上*外層管的中心至殼體內壁的距離 b=1.5do=1.5×0.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+2×0.038=0.972m,按殼體直徑標準系列尺寸圓整，取D=1000mm。因為L/D=4500/1000=4.5，管長徑比在425之間，合適。(5)排管：根據殼體直徑Di、管中心距t、橫過管束中心線的管數nc及其排列方式，繪出排管圖。由圖可知，中心排2

　　18、9根管時，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每邊各加14根(12+2,兩層)，共排715根，除去6根拉桿位置，實際排出709根。因此，實際管子數N=n=709根。(6)計算實際傳熱面積So及過程的總傳熱系數Ko（選）So=Ndo(L-0.1)=406×3.14×0.025×(9-0.1)=284m2Ko(選)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直徑Dc、數量及其有關尺寸的確定。選取折流板與殼體間的間隙為4.5mm，因此，折流板直徑 Dc=1000-2×4.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25×1000=250mm折

　　19、流板數量 NB=-1取折流板間距ho=600mm，那么 NB=-1=-1=6.3取整得NB=7塊實際折流板間距 h=550mm(8)拉桿的直徑和數量與定距管的選定。選用12mm鋼拉桿，數量6條。定距管采用與換熱管相同的管子，即25mm×2.5mm鋼管。(9)溫度補償圈的選用。由于 < 50，故無需考慮設置溫度補償圈。(10)列出所設計換熱器的結構基本參數。外殼直徑： Di=1000mm換熱面積： So=245.23mm換熱管數量： N=709根管長： L=4500mm管子規格： 25mm×2.5mm（鋼管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程數： 4殼

　　20、程數： 1折流板數量： NB=7(塊)折流板間距： h=600mm拉桿數量： 6根拉桿直徑： 12mm定距管： 與換熱管相同規格通過管板中心的管子數： nc=29根（六）、換熱器主要構件尺寸與接管尺寸的確定換熱器主要構件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板、支座。主要接管有：流體進出口接管，排液管等。(1)筒體壁厚的確定選取設計壓力p=0.6MPa，殼體材料為Q235，查的相應的許用應力；焊接系數（單面焊），腐蝕裕度，所以(2)封頭、筒體法蘭、管板、支座選取標準件。(3)流體進、出口接管直徑計算。變換器進出口接管d1,取u1=2m/s那么經圓整采用熱軋無縫鋼管（GB8163-87）實際苯的進出

　　21、口管內流速為水進出口接管d2,取u2=2m/s，那么 經圓整采用熱軋無縫鋼管（GB8163-87）實際水流速（七）、管、殼程壓強降的校驗(1)管程壓強降：pi=（p1+p2）FtNsNp據上述結果可知：管程數Np=4，串聯殼程數Ns=1，對于25mm×2.5mm的換熱管，結構校正系數為Ft=1.4。流體流經直管段的壓力降為p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041×+1.5）×=2527.7 N/m2流體流經回彎管的壓力降為p2=3（）=3（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707.06）×1.4×1×4=.66 N/m2 500 f=5（9294.2）=0.623p1=0.50.623×29×（7+1）×=4925.5 N/mp2=NB（3.5-）=7×（3.5-）×=1097.31 N/ mNs=1(單殼程) Fs=1.15（液體）所以p=1.15×（4925.5+1097.31）=6926 N/m2 0.8，可見用單殼程合適，

　　31、因此平均溫度差tm=tm×0.99=27(3)按經驗數值初選總傳熱系數Ko（估），選取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需傳熱面積So'：So'=187.7m2（五）、主要工藝及結構基本參數的計算(1)換熱管規格及材質的選定。選用25mm×2.5mm鋼管。(2)換熱管數量及長度的確定 管數 n=176根 管長 l=13.6m 按商品管長系列規格，取管長L=4.5m，Np =3.02 選用四管程。(3)管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。(4)計算外殼內直徑Di Di=t(nc-1

　　32、)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm橫過管束中心線的管數 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心線上*外層管的中心至殼體內壁的距離 b=1.5do=1.5×0.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+2×0.038=0.972m,按殼體直徑標準系列尺寸圓整，取D=1000mm。因為L/D=4500/1000=4.5，管長徑比在425之間，合適。(5)排管：根據殼體直徑Di、管中心距t、橫過管束中心線的管數nc及其排列方式，繪出排管圖。由圖可知，中心排29根管時，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每邊各加14根(

　　33、12+2,兩層)，共排715根，除去6根拉桿位置，實際排出709根。因此，實際管子數N=n=709根。(6)計算實際傳熱面積So及過程的總傳熱系數Ko（選）So=Ndo(L-0.1)=406×3.14×0.025×(9-0.1)=284m2Ko(選)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直徑Dc、數量及其有關尺寸的確定。選取折流板與殼體間的間隙為4.5mm，因此，折流板直徑 Dc=1000-2×4.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25×1000=250mm折流板數量 NB=-1取折流板間距ho=600mm，那么 NB=-1

　　34、=-1=6.3取整得NB=7塊實際折流板間距 h=550mm(8)拉桿的直徑和數量與定距管的選定。選用12mm鋼拉桿，數量6條。定距管采用與換熱管相同的管子，即25mm×2.5mm鋼管。(9)溫度補償圈的選用。由于 < 50，故無需考慮設置溫度補償圈。(10)列出所設計換熱器的結構基本參數。外殼直徑： Di=1000mm換熱面積： So=245.23mm換熱管數量： N=709根管長： L=4500mm管子規格： 25mm×2.5mm（鋼管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程數： 4殼程數： 1折流板數量： NB=7(塊)折流板間距： h=600mm

　　35、拉桿數量： 6根拉桿直徑： 12mm定距管： 與換熱管相同規格通過管板中心的管子數： nc=29根（六）、換熱器主要構件尺寸與接管尺寸的確定換熱器主要構件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板、支座。主要接管有：流體進出口接管，排液管等。(1)筒體壁厚的確定選取設計壓力p=0.6MPa，殼體材料為Q235，查的相應的許用應力；焊接系數（單面焊），腐蝕裕度，所以(2)封頭、筒體法蘭、管板、支座選取標準件。(3)流體進、出口接管直徑計算。變換器進出口接管d1,取u1=2m/s那么經圓整采用熱軋無縫鋼管（GB8163-87）實際苯的進出口管內流速為水進出口接管d2,取u2=2m/s，那么 經圓整采用熱

　　36、軋無縫鋼管（GB8163-87）實際水流速（七）、管、殼程壓強降的校驗(1)管程壓強降：pi=（p1+p2）FtNsNp據上述結果可知：管程數Np=4，串聯殼程數Ns=1，對于25mm×2.5mm的換熱管，結構校正系數為Ft=1.4。流體流經直管段的壓力降為p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041×+1.5）×=2527.7 N/m2流體流經回彎管的壓力降為p2=3（）=3×（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707

　　37、06）×1.4×1×4=.66 N/m2 500 f=5（9294.2）=0.623p1=0.5×0.623×29×（7+1）×=4925.5 N/mp2=NB（3.5-）=7×（3.5-）×=1097.31 N/ mNs=1(單殼程) Fs=1.15（液體）所以p=1.15×（4925.5+1097.31）=6926 N/m2 < 30kpa，殼程壓強降滿足題給要求。（八）、總傳熱系數的校驗總傳熱系數由下式計算：=+R+其中，管內變換氣的傳熱系數的計算=0.023R=0.023=1031.9 W/( m.K)

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