1、齊齊哈爾大學化工原理課程設計齊 齊 哈 爾 大 學化工原理課程設計題 目 循環水冷卻器的設計 學 院 化學與化學工程學院 專業班級 制藥工程 學生姓名 夏天指導教師 呂君成 績 2016年 07月 01日目 錄摘 要 iabstractii第1章 緒論 11.1設計題目：循環水冷卻器的設計 11.2設計日任務及操作條件 11.3廠址：齊齊哈爾地區 1第2章 主要物性參數表 1第3章 工藝計算 2 3.1確定設計方案 2 3.2核算總傳熱系數 4 3.3核算壓強降 6第4章 設備參數的計算 8 4.1確定換熱器的代號 8 4.2計算殼體內徑d 9 4.3管根數及排列要求 9 4.4計算換熱器殼體

2、的壁厚 9 4.5選擇換熱器的封頭 11 4.6選擇容器法蘭 11 4.7選擇管法蘭和接管 13 4.8選擇管箱 14 4.9折流擋板的設計 15 4.10支座選用16 4.11拉桿的選用和設置16 4.12墊片的使用18總結評述 20參考文獻 21主要符號說明 22附 表1 24附 表2 25致 謝 26摘 要在國內外的化工生產工程中，列管式換熱器在目前所用的換熱器中應用極為廣泛由于它具有結構牢固，易于制造，生產成本較低等特點。管殼式換熱器作為一種傳統的標準換熱器，在許多部門中都被大量使用。其結構由許多管子所組成的管束，并把這些管束固定在管板上，熱管板和外殼連接在一起。為了增加流體在管外的流

3、速，以改善它的給熱情況在筒體內安裝了多塊擋板。我們的進行作業時列管換熱器的設計，根據所給的任務，進行綜合考慮。首先確定流體流徑。我們選擇冷卻水通入管內，兒循環水通過入管間。其次，我們確定兩流體的定性溫度，由于溫度引起的熱效應不大，可以選擇固定管板式換熱器。根據初算的總傳熱系數和熱負荷，以及換熱器的換熱面積，換熱器的根數和長度，來確定管程數。并查閱相關資料。初步工作完成之后，對設備的各種參數校核，包括換熱器殼體，封頭，管箱，管板，法蘭的選用等等，接著進行一系列的檢查。選擇這些附件，不僅要與所選換熱很好的匹配，而且要兼顧經濟的要求，讓換熱器既造價低廉又堅固耐用，以達到即經濟又實惠的效果。換熱器是將

4、熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備，在熱交換器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種是流體溫度較高，放出熱量，另一種是溫度較低，吸收熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業的通用設備，占有十分重要的地位。隨意我國工業的不斷發展，對能源利用、開發和節約的要求不斷提高，對換熱器的要求也日益增強。換熱器的設計制造結構改進以及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。根據不同的目的，換熱器可以是熱交換器、加熱器、冷卻器、蒸發器、冷凝器等。關鍵字：換熱器

5、；列管式換熱器；循環水；冷卻器abstractheat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, in order to realize the different temperature of heat transfer between fluid, also called heat exchanger. heat exchanger is to realize the heat exchange and transmission in the process of chemic

6、al production indispensable equipment, in the heat exchanger, there are at least two different fluid temperature, fluid temperature is higher, one is gives off heat, the other is a low temperature, absorption of heat.in chemical, petroleum, power, refrigeration, food and other industries widely used

7、 in all kinds of heat exchanger, and they are universal equipment, these industry occupies very important position. optional constant development of the industry in our country, to the requirement of increasing the energy utilization, development and conservation, the requirement of the heat exchang

8、er is also growing. the design and manufacture of heat exchanger structure improvement and the heat transfer mechanism of research is very active, appeared some new high efficiency heat exchanger. according to different purposes, the heat exchanger can be heat exchanger, heater, cooler, evaporator,

9、condenser, etc. because of the different conditions of use, heat exchanger can have various forms and structures. in production, heat exchanger is a separate equipment sometimes, sometimes, is a part of the process equipment.key words：heat exchanger；shell and tube heat exchanger；floating-head typei第

10、1章 緒論1.1 設計題目循環水冷卻器的設計1.2 設計任務及操作條件1.2.1 設計任務處理能力：72000kg/h設備型式：列管式換熱器1.2.2 操作條件循環水：入口溫度55，出口溫度40冷卻介質水：入口溫度25，出口溫度35管程和殼程的壓強不大于1.0mpa換熱器的熱損失4%1.3 廠址齊齊哈爾地區第2章 主要物性參數表在定性溫度下：t定冷=（25+35）/2=30 t定循=（55+40）/2=47.5表2-1 物性參數表物性密度/m2比熱容kj/（kg粘度pas導熱系數w/m進口溫度出口溫度 殼程（循環水） 管程（冷卻水）符號cp1µ1t1t2數據988.14.174549

11、.4×10-6647.8×10-35540符號cp1µ2t2t2數據995.74.174800.7×10-6617.6×10-32535第3章 工藝計算3.1 確定設計方案3.1.1 選擇換熱器的類型（1）兩種流體的變化情況： 熱流體（循環水）進口溫度55，出口溫度40； 冷流體（冷卻水）進口溫度25，出口溫度35; 冷水定性溫度： t定冷=（25+35）/2=30 循環水定性溫度：t定循=（55+40）/2=47.5 由于兩流體溫差小于50，不必考慮熱補償。因此初步確定選擇用固定管板式換熱器。（2）流程安排： 由于該換熱器是具有冷卻水冷凝的換

12、熱器，應使循環水走殼程，以便于排除冷卻水。3.1.2計算熱負荷和冷卻水流量（1）熱負荷的計算 =mhcpht1 (3-1) =(72000/3600) ×4174×(55-40) =1.252×106w 熱負荷 =qh-q (3-2) =(1-5%)qh =0.96×1.252×106w =1.202×106w（2）冷卻水流量的計算 =0.96mhcph(t1-t2) (3-3) =mhcph(t1-t2)所以mc=0.96×72000×4.174×（55-40）/3600×4.174×

13、;(35-25) =28.8/s3.1.3計算兩流體的平均溫差，確定管程數（1）平均傳熱溫差tm=t1-t2/ln（t1-t2）（按逆流計算） (3-4)其中：t1=55-35=10；t2=40-25=15 tm=17.38 p=t2-t1/t1-t1=0.33 r=t1-t2/t1-t2=1.5由p、r值查閱化工原理（天津大學出版社）（上冊）圖4-19，可得：t=0.92，則有tm=0.92×17.38=15.99（2）確定管程數由于t=0.920.8，故此換熱器應選用單殼程。3.1.4工藝結構尺寸（1）初選換熱器的規格 假設k=850 w/(mk) 則估算的傳熱面積為： a=q/

14、ktm=88.44（2）管徑和管內流速 選用25×2.5的碳鋼傳熱器 取管內流速為ui=0.5m/s（3）估算管程數和傳熱管數v=ns3.14/4di2ui 由4.1.2可知：冷卻水用量=28.8kg/s 則 mc/ c=0.0289m3/s ns=4v/（3.14(0.02)2×0.5）=184根 根據列管式換熱器傳統標準，此數據可選取按單程算，所需的單程熱管 長度 l=a/3.14dins=7.65m (3-5) 取傳熱管長l=8m 則該傳熱管的管程數為：np=l/l=1 傳熱總根數nt=npns=1×184=184根 實際傳熱面積so=n3.14d（1-0.

15、1）=91.29 則要求過程的總傳熱系數為 ko=q/sotm=693w/(·) (3-6) 該換熱器的基本結構參數如下：表4-1換熱器的基本結構參數公稱直徑：500m工程壓強：1.0mpa總管數：nt=184根管間距：t=32mm管數：184管程數：m=1管長：8.0m工程面積：80管子排列方式：正三角形排列3.2 核算總傳熱系數3.2.1 管程對流傳熱系數 普蘭特準數：3.2.2殼程傳熱系數取換熱器管心距t=32 mm殼程流通截面積為： (3-7)其中：h-折流板間距。取為300。d-殼體公稱直徑，取為600d-管子外徑，可取25t-中心距，可取32。 殼程流體流速：當量直徑按三

16、角形排列有：當量直徑普蘭特準數：用殼方流體的對流傳熱系數的關聯式計算帶入數據得：3.2.3 計算總傳熱系數 (3-9)其中：殼程管程對流傳熱系統w/·換熱管外徑內徑和內外徑的平均值mm管內側外側污垢熱阻·/wb換熱器壁厚，取 0.0025m碳鋼的導熱系數，取45 w/·管壁熱阻碳鋼在該條件下=45 w/·計算安全系數核算表明該換熱器可以完成任務。3.3 核算壓強降3.3.1 管程流體阻力 (3-10) (3-11) （1）對于p1的計算：管程流通截 由此可知 設管壁粗糙度=0.037代入計算式p1=0.037×（2） 對于的計算（3） 對于的計

17、算則：由此可知，管程流通阻力在允許范圍之內。3.3.2 殼程壓強降校核 (3-12)其中： (3-13) fs是殼程壓強降屆后校正因數，液體取1.15ns是殼程數，為1（1）對于 的計算由于換熱器列管呈三角形排列f=0.5取折流板間距為300mm；塊殼程的流通面積可見>500故可應用下式計算 (2)對于 的計算 (3)對于 的計算計算表明： 管程壓強降為2467.55，小于壓強1.0殼程壓強降為1333.94，亦小于設計壓1.0綜上可知，管程和殼程壓強降均能滿足題設要求第4章 設備參數的計算4.1 確定換熱器的代號4.1.1 換熱器的代號所選換熱器的代號為 4.1.2 確定方法此代號根據

18、工藝計算反列管式固定管板式換熱器系列標準對g系列列管式固定管板換熱器的規定。查化學化工出版杜化工工藝設計手冊（上）第120頁表3-10列管式固定管板換熱器標準圖號和設備型號得到殼體內徑di，公稱壓強，管根數及排列要求而確定。4.2 計算殼體內徑di 公式： (4-1)其中：管中心距， m對 橫過管束中心線的管線，用計算 管束中心線上2管的中心到殼體內辟的距離，取計算： 4.3 管根數及排列要求（1）換熱器采用的無縫鋼管，材質選用可焊接性好的10號鋼，管長8m ，共184根管。（2）排列方式及管中心距的確定 1）可該換熱器列管采用三角排列 2）管子與管板采用焊接，故可取 4.4 計算換熱器殼的壁

19、厚4.4.1選適宜的殼體材料根據化工設備手冊-材料與部件（上海）第102頁壓力容器用碳素碳及普通低合金厚板鋼，換熱器公稱壓強為選用鋼板。4.4.2該鋼板的主要工藝參數性能加工工藝性能好，可冷卷，氣割下料開坡口，炭弧氣刨挑焊根開坡口。冷沖壓力熱沖壓性能好，使用溫度，可以作中低壓設備，所以簡體材質選用鋼板，鋼板標準。4.4.3壁厚的計算（1）公式： (4-2) 其中：鋼板在不考慮加工裕量時的厚度，mm計算厚度，mm 鋼板負偏差，mm 腐蝕裕量，mm 圓整值 式中為設計厚度，可用下式計算： (4-3)其中：pc設計壓力，取 di殼體內徑，mm 設計溫度下材料的許用應力， 焊縫系數（2）查算：依據化工

20、設備機械基礎（華東理工大學出版社）表14-3，鋼制壓力容器中使用的鋼板許用應力可得=113,依表14-4焊縫系數可得=0.85，依表14-6腐蝕裕量可得=2mm。依化工設備機械基礎（華東理工大學出版社）表14-5，鋼板厚度常用規格及其負偏差得=0.6mm，=1.2mm。故可根據 選用厚度為8mm的鋼板材質（3）水壓實驗強度校核水壓試驗應力為 (4-4)式中：將有關數據代入原式可得查閱化工設備機械基礎（華東理工大學出版社）表14-3，鋼制壓力容器中使用的鋼許用應力可得到鋼制容器在常溫水壓試驗時從而，有所以殼體壁厚滿足水壓試驗的強度要求。4.5 選擇換熱器的封頭（1）公式： (4-5)其中：由于，

21、用整塊鋼板沖壓成型，此時 （2）計算：（3）選擇適宜厚度，并確定封頭型式規格根據化工設備手冊材料與零部件<上冊>第327頁橢圓封頭應選封頭mm，且根據其選用一橢圓封頭尺寸如下： 型式公稱直徑曲面高度直邊高度橢圓形500mm125mm0.309m2 4.6 選擇容器法蘭4.6.1選擇法蘭的型式選用甲型平焊容器法蘭。已知換熱器的公稱壓力為，公稱直徑500mm。查閱壓力容器與化工設備使用手冊中3-1-1，壓力容器法蘭分類，宜采用甲型平焊容器法蘭。法蘭材料為板材q235-b，工作溫度>-20攝氏度的最大工作壓力為，小于公稱壓力，故甲型平焊容器法蘭最大允許工作壓力滿足要求。4.6.2

22、確定法蘭相關尺寸查閱壓力容器與化工設備使用手冊第467頁。表3-1-2（a）甲型平焊法蘭尺寸和表3-1-2（b）甲型平焊法蘭質量可得法蘭相關尺寸如下表：平面凸面凹面法蘭質量（kg）36.8138.4337.21襯環質量（kg）1.73.72.5公稱直徑dn法蘭螺栓dd1d2d3d4d規格數量500630590555545542442320284.6.3 選用法蘭并確定標記選用甲型平焊容器（凹凸密封面）為宜標記為：法蘭 結構如圖圖4-3法蘭4.7選擇管法蘭和接管4.7.1熱流體進出口接管取接管熱流體流速為u=1.7/ m s，則接管內徑為可取接管:mm,長150mm兩個4.7.2冷流體進出口接管

23、取接管內流體流速u2=1.5m/s,則接管內徑為 可取接管：159×4.5，長150 mm兩 表43鋼制管法蘭（hgj45-91）公稱直徑dn管子外徑a連接尺寸螺栓柱法蘭內徑b法蘭外徑d螺栓孔中心圓直徑k螺栓孔直徑l螺栓孔數n螺栓長度螺柱長度法蘭厚度c156159220180186658518110125133250210186709020135 4.7.3選擇法蘭根據公式直徑與公稱壓力選用板式干旱鋼制管法蘭。hg20593-97 so150-2.5rf 16mn4.8 選擇管箱查閱化工設備標準圖冊，選擇封頭管箱，材料為a3f鋼，其簡圖如下所示： 圖4-4封頭管箱4.9 折流擋板的設

24、計查閱換熱器原理及計算根據換熱器的要求，選擇厚度為5mm的圓缺形擋板。其參數如下： 兩板間距離： h=d(0.2-1)=300mm 折流板高度： h=500(1-25%)=375mm 折流擋板個數： n=l/h -1=8/0.3 -1=12塊 折流擋板厚度： =5mm4.10支座選用查閱化工設備設計手冊材料與零部件第625頁, 選用a3f材料，采用鞍式支座 dg500ajb1167-73. 尺寸如下表表5-4鞍式支座dg500ajb1167-73公稱直徑 dn每個支座允許負荷 tblbk1bm 500 23.016046012033090200 圖4-6鞍式支座 4.11 拉桿的選用和設置4.

25、11.1拉桿的選用查閱化工過程和設備設計 第15頁表可知： 表4-5 拉桿拉桿直徑數量拉桿螺紋公稱直徑lalbb1241620>=602.04.11.2拉桿的設置拉桿與折流板和擋板的連接形式如下圖所示： 圖4-7拉桿4.11.3確定管板尺寸由化工設備機械基礎查得，管板選用的材料為16mn,管板厚度為20mm,質量是59.6kg. 圖4-8整體管板4.12 墊片的使用4.12.1設備法蘭用墊片 根據壓力容器與化工設備實用手冊第491頁，密封墊片選用非金屬軟墊片，jb4704-92。厚度30mm, 該墊片為法蘭用墊片，其尺寸：外徑：d2=545mm 內徑：d1=500mm pn=1.6mpa

26、 dn=500mm圖5-9設備法蘭所用墊片4.12.2管法蘭用墊片材料：耐油橡膠石棉板 s2000563. 厚度3mm.墊片：1.mfm 1502.5 2.mfm 200-2.5總結評述在教師的悉心指導下，在團隊中每個人的積極努力下，在這歷時兩個星期的課程設計中我們解決了很多難題。然而，在這次課程設計中，大家更多的發現了自己的不足，以及對實踐經驗的缺乏，在諸多方面還需提高。在學習中大家分工明確，在每個環節中都能出色的完成。我組主要進行了以下環節：一數據計算在設計剛開始時，大家積極查詢相關資料，翻閱了圖書館里的很多相關書籍。在大家不斷查找資料、不斷的理解公式原理不斷進行可行性分析的前提下,很多問

27、題都得到了解決，在很多難點上都有了很大的突破。經過了幾天的團結協作完成了計算部分。二設計說明書在這個環節中，大家認真的將每一個公式字句輸入文檔中，輸完之后又進行了多次檢查，多次審核，終于經過了幾天的精誠合作，完成了文檔的輸入工作。說明書的設計，從封皮到公式到逐字逐句都顯得十分謹慎。三畫圖對于每一個環節，都需要每個成員在該環節上有所突破。在這個環節中，在組長的領導下，大家默契配合，充分體現了團隊精神，通過對數據的深刻理解，認認真真的完成了制圖的工作，終于完成了該設計的最后環節。 通過這次設計我們看到了團隊的力量，個人離不開團隊，團隊需要每一個人的精誠合作，才能發揮團結協作的精神。通過老師的耐心的

28、講解和幫助，我們把公式及其應用范圍都鞏固了一遍。經過這次課程設計，我們充分的理解了課程設計的真正含義。本次設計給了我知識和技能的同時，也給予我很多經驗和教訓。在今后的學習和工作中，我將不斷努力學習科學文化知識，不斷完善自己，不斷的挖掘自己的潛力。 參考文獻1天津大學，化工原理，天津，天津科學技術出版社，1999.72鄭曉梅，魏崇關，化工工程制圖，北京，化學工業出版社，2005.83化工設備結構圖冊；編寫組，化工設備結構圖冊，上海，上海科學技術出版2003.74柴誠敬，劉國維，李阿娜，化工原理課程設計，天津，天津科學技術出版社， （2006.2）5化學工程手冊（1999-2005）6華南理工大學

29、，化工工程及設備設計，廣州，華南理工大學出版社2006.107刁玉偉，王立業編，化工設備機械基礎，大連，大連理工大學出版社2008.128中華人民共和國化學工業部工程建設標準，鋼制管法蘭，墊片化學工業出版社9鋼制列管式固定板式換熱器結構手；1994.110化工設備設計手冊材料與零部件，上海人民出版社2005.311姚玉英主編化工原理（上）天津大學出版社2012.112大連理工大學教研室編，化工原理課程設計大連理工大學出版社，1994.613夏清主編化工原理（上）天津大學出版社2005.114齊齊哈爾大學化工原理教研室主編，化工原理課程設計2003.715譚天恩，麥本熙，丁慧華：化工原理-第二版，北京，化學工業出版社2011.616tian-guang hvdc transmission project: converter transformer maintenance