【正文】 裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。 換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的 設(shè)備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。此外，換熱器廣泛應(yīng)用于各種工況條件，高溫高壓，低溫低壓均可。 換熱器的種類繁多，若按其形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類可分為管式，板式和其他型式換熱器。而管式換熱器又可分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器。在眾多類型的換熱器結(jié)構(gòu)中，管殼式換熱器是用得最為廣泛的一種換熱設(shè)備類型。 我此 次設(shè)計 的冷卻器就是管殼式換熱器 眾多種類中 的一種，浮頭 式換熱器 ，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 6 浮頭式換熱器的設(shè)計不僅包括化工原理中的工藝計算，還包括機(jī)械設(shè)計零部件設(shè)計計算，以及機(jī)械制造中制造工藝，公差與配合等方面的內(nèi)容，特別是工藝計算部分，多次應(yīng)用到試差法，既要滿足傳熱系數(shù)，傳熱面積方面要求，又要滿足允許阻力降要求，應(yīng)該說對我 們的計算能力是非常好的鍛煉。 主要包括它的方案選型，零部件的設(shè)計，附件的選擇和其制作 等眾多內(nèi)容。 浮頭式換熱器如圖 1所示，浮頭式換熱器 對固定管板式換熱器的缺陷上做了改進(jìn)，這類換熱器和管束對熱膨脹是自由的，浮頭端設(shè)計成可拆卸式，方便檢修、清洗，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，浮頭端小蓋在操作時無法知道泄漏情況，所以在安裝時要特別注意其密封情況。 圖 11浮頭式換熱器 我覺得十幾年的學(xué)習(xí)生涯讓我們變得失去了創(chuàng)造力與獨立完成任務(wù)的能力，我們更多的是只會紙上談兵，為了應(yīng)試教育而學(xué)習(xí)。大四的畢業(yè)設(shè)計我想正是我們鍛煉理論聯(lián)系實際的一個契機(jī)，我會珍惜這次機(jī)會努力把這次設(shè)計做好，給我的大學(xué)生涯畫上圓滿的句號。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 7 第 二 章 工藝計算 根據(jù)工藝計算，合理確定介質(zhì)流向與和換熱管的結(jié)構(gòu)尺寸，如管殼程數(shù)、殼體及進(jìn)出口接管直徑，換熱管規(guī)格尺寸及數(shù)量，折流板排列形式及間距，管板直徑及管子排列方式等；并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計包括筒體、管箱、法蘭、浮頭蓋、管板、開口補強(qiáng)、支座等主要受壓部件與原件的選材，結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計，強(qiáng)度計算與校核。 本次設(shè)計的是雜醇油冷卻器，冷卻器操作參數(shù)如下： 表 21 冷卻器操作參數(shù) 循環(huán)水 雜醇油 設(shè)計壓力 Mpa 進(jìn)口溫度 ℃ 出口溫度 ℃ 流量 kg/h 出口溫度 ℃ 進(jìn)口溫度 ℃ 流量 kg/h T1 =30 T2=40 100000 T3=40 T4=140 25000 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 8 由《化工原理》 P285，查得： 循環(huán)水的定性溫度： Tmc=1/2(30+40)=35℃ 給出雜醇油液體的定性溫度： Tmh=1/2(140+40)=90℃ 在定性溫度下，得到流體物性如下表： 表 22定性溫度下流體物性參數(shù) 密度 kg/m3 比熱容（ Kj/kg℃ ） 粘度 Pas 導(dǎo)熱系數(shù) （ W/(m℃) ） 水 994 10?3 雜醇油 825 10?3 確定換熱器類型 大體選用管殼式換熱器。因為管殼式換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠， 單位體積具有的傳熱面積較傳熱效果較好，同時其制造材料范圍廣泛。 管殼式換熱器中由于兩種流體的溫度不同，所以管程與殼程的溫度也不同，因此它們的膨脹程度也不同，若兩種流體溫差較大（ 50 攝氏度以上）時，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備變形甚至破裂，因此必須考慮這種膨脹的影響。同時根據(jù)熱補償方法的不同管殼式換熱器有以下分類，并且我們將在下面選出本次設(shè)計的換熱器種類。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 9 ① 固定管板式換熱器：固定管板式即兩端管板與殼體連成一體，因此其具有結(jié)構(gòu)簡單 造價低廉的優(yōu)點。但是由于殼程不易檢修與清理，因此殼程流體應(yīng)是不易結(jié)垢的物料。當(dāng)兩種流體溫差較大時應(yīng)考慮熱補償。 ② U形管換熱器：這種換熱器內(nèi)部管子彎成 U形管子兩端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸縮，因此與其他管子與殼體無關(guān)。這種換熱器結(jié)構(gòu)也比較簡單，重量較輕，適用于高溫高壓的工作場合。但是其管內(nèi)清洗比較困難，所以管內(nèi)流體必須潔凈；且管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較差。 ③ 浮頭式換熱器：這種換熱器兩端管板之一不與外殼固定連接，浮動的一端稱為浮頭。當(dāng)管子受熱或受冷時，管束連同浮頭都可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關(guān) 。浮頭式換熱器不但其本身可以補償熱膨脹，而且由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修，因此其應(yīng)用較廣泛。 綜合以上幾種換熱器的優(yōu)缺點以及工藝液體介質(zhì)的性質(zhì)因此選用浮頭式換熱器作為雜醇油的冷卻器。 換熱器液體流動路徑選擇 根據(jù)設(shè)計要求，考慮到設(shè)計壓力、各液體溫度、介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì) 同時兩流體均不發(fā)生相變，確定雜醇油走殼程。由于水的粘性大，對流傳熱系數(shù)一般較大，容易結(jié)垢，為了以后方便清理換熱器和處理循環(huán)水，所以走管程。 計算平均溫度差 暫時按照單殼程，多管程進(jìn)行計算 △ t1=T2 T1=4030=10℃ △ t2=T4 T3=14040=100℃ 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 10 因 t1 t2 =10100 = 0 10 2 因此用對數(shù)平均溫度差來表示 ，逆流時平均溫度差為： ?t = t t t t = = 9℃ 則 = t2 t1= 10010 = 10 = T3 T1T4 T1= 10110 = 0 091 由 P， R值查《 化工原理 》 233對數(shù)平均溫度差 校正系數(shù)圖 419得溫度校正系數(shù) ?t = 0 82所以 ?t = ?t?t =39=℃ ，取整得 32℃ 估算總傳熱系數(shù) 根據(jù)冷卻器重介質(zhì)特性，查 [25]《換熱器設(shè)計手冊》 P105 附錄 2，可知總傳熱系數(shù)推薦值為 279～ 709W/(m2 ℃ ),初選總傳熱系數(shù) 選 = 300 W/(m2 ℃ )。 初步計算總傳熱面積 計算熱負(fù)荷 Qh=WhCph(th1th0)=25000(140 40)= 106KJ/h= Qc=WCCpc(tcitco)=100000(40 30)= 106KJ/h= 因 QcQh，所以取 Qh為總傳熱量。 初算總傳熱面積 So′ = QK tm = 1541 7 103300 39 = 131 76m2 而 為 了 保 證 其 可 靠 性 ， 一 般 應(yīng) 使 換 熱 器 面 積 裕 度 大 于 15%25% 取S0== 2。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 11 換熱器型號的選擇 由 JB/T4715— 92表 1， P22選用 ?25 無縫鋼管， 20鋼，流速為 23， P26選擇換熱器基本參數(shù)：型號說明 : BES800 1 6 55 625 2Π 表 23換熱器基本參數(shù) 筒體公稱直徑 DN mm 換熱管根數(shù) n 中心排管數(shù) nc 管程流通面積 m2 800 366 15 筒公稱壓力 Mpa 換熱管長度 L mm 管程數(shù) N 傳熱面積 m2 6000 2 管中心距 mm 換熱管尺寸規(guī)格 折流板間距 B mm 排列方式 32 ?25 2 5mm 240 正方形旋轉(zhuǎn) 45○ （ 1）管程對流傳熱系數(shù) α i 管程流體的流速： uc= wρ A=13602936009940 0575=0 661 /s 雷諾數(shù)： ei = duρμ = 0 020 0 661 9940 000725 = 18125（湍流） 普蘭特準(zhǔn)數(shù)： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 12 ri = Cpiu?i= 4 08 103 0 725 10?30 626 = 4 73 聯(lián)立： α i = λ idiReri 8Pri 4 = 6 6 8 5 8 4 7 4 = 4 9W/(m ℃ )1 52 (2)殼程對流傳熱系數(shù) α o 由 《化工原理》式 477a 計算 α 0 = 0 36(λ 0de)(deuoμ )(Cpμλo)13( μμ w)0 14 取換熱器列管中心距 t=32mm。則流體通過管間最大截面積為： A = hD(1 dot ) = 0 022 0 8 (1 0 0250 032) = 0 042m2 流速為： ??0 = wρ A = 25000/(3600 825)0 042 = 0 2021m/s de =4（ t2 π4 d02）π d0 =4 （ 0 0322 π4 0 0252）π 0 025 = 0 022m 雷諾數(shù)： e = deuoρμ = 0 022 0 2021 8250 715 10?3 = 4625 普蘭特準(zhǔn)數(shù)： ro = CPOμλO= 2 22 103 0 75 10?30 000715 = 11 35 殼程中雜醇油被冷卻，取 ( μμw0 14) = 1 所以有： α 0 = 0 36(λ 0de)(deu0μ )(CPμλO)13 （ μμ w）0 14= 0 36 0 1400 02 46250 55 11 341/3 0 95 = 587W/(m ℃ ) (3)總傳熱系數(shù)計算和校核 參考 [4]《換熱器設(shè)計手冊》 105附錄 1，知道：管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 13 Rsi = 4 94 ?4m ℃ /W Rso = 7 97 ?4m ℃ /W 又由碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)查表為： λ = 45 02w/mk 則傳熱系數(shù)為： K = α +Rso +bd λ dm + Rsid di +d α idi= 587+ 7 + 5 545 5+ 44 5 + 5 4 9 = 54W/(m℃ ) 由上則有 KK選= 354300 = 1 18在 范圍內(nèi)，符合要求。 校核傳熱面積 S計 ′= Q ?t = 1541 7 103354 31 = 136 1m2 該換熱器實際換熱面積： Sp = π d0L(N nc) = 3 14 0 025 6 (366 15) = 165 321m2 那么換熱器的面積為： = S0 SPSp= 165 321 136 1136 1 = 21 5% 此裕度在 15%25%之間，符合設(shè)計要求。 管程壓強(qiáng)降 ?????的檢驗 參考《換熱器設(shè)計手冊》 P76 頁知，管程壓強(qiáng)降： ? i = (? L + ? r)FtNpNs +? nNs 其中 ? L—— 流體流經(jīng)直管因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，單位 Pa： ? r—— 流體流經(jīng)回彎管因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，單位 Pa： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 14 ? n—— 流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口外力引起的壓強(qiáng)降， Pa： Ft—— 結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，無因次，對 ?25 2 5mm管子， Ft=： Np—— 管程數(shù) =2： Ns—— 串聯(lián)的殼程數(shù) =1： 管程流通面積 A0 = 0 0575m2 管程流速 ui = VsAi= 1360293600 994 0 0575 = 0 661m/s 雷諾數(shù) ei = diuiρμi= 0 02 0 661 9940 725 10?3 = 18425 由《化工原理》知 2021≤ R4000 為層流， R≥ 4000 為湍流。 運用顧毓珍公式得： λ c = 0 1227 +0 7543 e0 38 = 0 0304 ? 1 = λ c Ldρ u22 = 0 030460 02 994 0 66122 = 1980 41 a ? 2 = 3ρ u22 = 3 994 0 66122 = 651 45 a 則∑ ? c = (1980 41 +651 45) 1 4 2 1 = 7369 21 a 10?????? 則管程壓強(qiáng)降符合設(shè)計要求。 殼程壓強(qiáng)降 ?????的檢驗 參考 [4]《換熱器設(shè)計手冊》 P81 頁 運用埃索法計算殼程壓強(qiáng)降： ? s = （ ? 1 +? 2） FsNs 其中： ? 1—— 流體橫過官束的壓強(qiáng)降， Pa ?