【文章內容簡介】 選擇做準備。當然，熱力設計和流動設計兩者是密切關聯的，特別是進行熱力計算時常需從流動設計中獲取某些參數。 結構設計指的是根據傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數、殼體的直徑、折流板的長度和數目、隔板的數目及布置以及連接管的尺寸等等。 在某些情況下還需對換熱器的主要零部件 —特別是受壓不均做應力計算，并校核其強度。對于在高溫高壓下工作的換熱 器，更不能忽視這方面的工作。這是保證安全生產的前提。在做強度計算時，應盡量采用國產的標準材料和部件，根據我國壓力容器安全技術規(guī)定進行計算或校核。 廣東石油化工學院專科畢業(yè)設計： U 型管換熱器設計 8 第二章 換熱器的工藝計算 U 型管式換熱器的工藝設計只要包括以下內容： 1． 根據換熱任務和有關要求確定設計方案； 2． 初步確定換熱器的結構和尺寸； 3． 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力； 4． 確定換熱器的工藝結構。 2． 1 設計條件 表 21 設計條件 殼程 管程 流體名稱 混氫油 反應產物 總流量（ t/h） 25 工 作 溫 度 / 進 / 出 (℃ ) 134/316 370/210 壓力 /(MPa) 2． 2 確定物性數據 在以上條件下，查得其基本物性數據為： 表 22 物性數據 介 質 密度（ kg/m3） 比熱容（ KJ/kg℃ ） 黏度（ Pas） 導熱系數（ W/(m℃ )） 反應產物 994 4． 174 0． 735103 0． 626 混氫油 789 103 2． 3 符號說明 ? 0——熱 流體的密度， kg/m3； ? 0——熱流體的黏度， Pas；第二章 換熱器的工藝計算 9 ? 0——熱聯體的導熱系數， W/(m℃ )； 0Cp ——熱流體的比熱容， KJ/kg℃ ； iCp ——冷流體的比熱容， KJ/kg℃ ； ? i——冷流體的密度， kg/m3 ? i——冷流體的黏度， ? i——冷流體的導熱系數， Tn ——換熱管數目。 2． 4 流體走向的確定 兩流體為均不發(fā)生相變的傳熱過程，因反應產物的對流傳熱系數一般較大，且易結垢，故選擇冷卻反應產物走換熱器的管程，混氫油走殼程。 2． 5 估算傳熱面積，初選換熱器的規(guī)格 計算熱負荷和冷卻反應產物的用量 )( 00 ih TTCpWQ ?? = 32 5 0 0 0 2 . 3 9 1 0 ( 3 1 6 1 3 4 ) / 3 6 0 0 3 0 2 0 6 9 4W? ? ? ?（ 21） )( 0ttCp QW iic ?? = 33 0 2 0 6 9 4 3 6 0 0 1 6 2 8 3 /4 . 1 7 4 1 0 ( 3 7 0 2 1 0 ) k g h? ?? ? ? （ 22） 式中 hW ——熱流體的質量流量 kg/s； cW ——冷流體的質量流量 kg/s； 0Cp ——熱流體的比熱容， KJ/kg℃ ； iCp ——冷流體的比熱容， KJ/kg℃ ； iTT,0 ——熱流體始末的溫度， ℃ ； 0t ， it ——冷流體的始末溫度， ℃ 。 計算兩流體的平均溫度差 廣東石油化工學院?？飘厴I(yè)設計： U 型管換熱器設計 10 ( 316 134) ( 370 210)316 134lnln370 210hcmhcttt tt? ? ? ? ? ?? ? ?????=230176。C （ 23） 而 2570 3512500 ??????? tt TTR i i 000 0 1ittP Tt???? （ 24） 查得： ??t? 。所以 00 .8 6 2 3 0 1 9 7 . 8m t mt t C? ?? ? ? ? ? ? ? （ 25） 初選換熱器的規(guī)格 根據兩流體的情況，假設 )/(300 2 CmWK ??? ，故 23020694 5 0 .93 0 0 1 9 7 .8p mQAmKt? ? ??? （ 26） 式中 PA ——估算傳熱面積， 2m ； cA ——實際傳熱面積， 2m 。 初步選用 U 型管式式換熱器。據此，由換熱器系列標準初選換熱器為下表所示： 表 23 初選換熱器參數 殼徑 /mm 600 管子尺寸 /mm 20 25 中心排管數 16 管長 /m 管程流通面積 /m2 管子總數 241 管程數 2 管子排列方法 正三角形 實際傳熱面積 22 3 2 3 .1 4 0 .0 2 5 ( 4 .5 0 .1 ) 8 0 .1cA n d L m?? ? ? ? ? ? （ 27） 若選擇該型號的換熱器，則要求過程的總傳熱系數為 290w。 2． 6 換熱管的排列和管心距 —般說來， 正三角形排列在相同的管板面積上可排較多的管子，而且管外表面?zhèn)鳠嵯禂递^大，但正三角形排列時管外機械清洗較為困難，而認管外流體的流動阻力也較大。在本設計中殼程中介質混氫油是非腐蝕性介質利于清洗，但由于是多管程結構，采用組合排列方法。每一程內都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用矩形排列方法。所以本設計采第二章 換熱器的工藝計算 11 用常規(guī)的正三角形排列。 管心距 25 5otd? ? ? ?（ mm） （ 29） 按常用管心距表中查得管外徑為 25mm 的 管心距為 t=32mm。 2． 7 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的 25%，則切去的圓缺高度為 mmh ??? 取折流板間距 B==180mm。則 ????? BLNB（塊） （ 210） 折流板圓缺面反應產物平裝配。 2. 8 接管 根據流體的操作情況及結構尺寸要求，取管程接管內流體流速為 ，則管程接管內徑為 04 4 1 6 2 8 3 / 3 6 0 0 / 9 9 4 0 . 1 0 83 . 1 4 1 . 5ii VDmu? ?? ? ?? （ 211） 式中 iD ——管程接管內徑， mm； iV ——冷卻反應產物的體積流量， m3/s； iu ——冷卻反應產物的流速， m/s。 取殼程接管內流體流速為 ，則殼程接管內徑為 0 04 4 2 5 0 0 0 / 3 6 0 0 / 7 8 9 0 . 1 1 43 . 1 4 0 . 5oVDmu? ?? ? ?? （ 212） 式中 0D ——殼程接管內徑， mm； 0V ——混氫油的體積流量， m3/s； 0u ——混氫油的流速， m/s。 綜合考慮無縫鋼管標準尺寸、接管直徑與筒體內徑關系以及補強需要，取管程接管為 ?? ，殼程接管為 ?? ?？紤]經濟性及焊接要求，接管材料選用 20 號鋼。 廣東石油化工學院?？飘厴I(yè)設計： U 型管換熱器設計 12 2． 9 壓強降的核算 管程壓強降 tpsi FNNPPP )( 21 ?????? （ 213） 式中 1P? ——單程直管阻力， Pa； 2P? ——局部阻力 ,Pa； sN ——殼程數： pN ——管程數； iP?? ——管程總阻力； sF ——管程結構校正因數，量綱為 1，對內徑 20mm 外徑 25mm 的管子，取 。 其中， sN =1， pN =2， sF =。 管程流通面積 222 mNNdS pTii ????? ? （ 214） 1 6 2 8 3 / 3 6 0 0 / 9 9 4 0 . 3 8 /0 . 0 3 6 4ii iVu m sS? ? ? （ 215） 10391 3 ?? ???? ?? ?iii ud （ 216） 蛇管壁粗糙度 20 , ??? idmm ??，由 Re?? 關系圖查得： ?? ，所以 PaudLP i 5492 221 ??????? ?? （ 217） PauP 222 ?????? ? （ 218） 則 M P aPaP i )( ????????? 所以管程流體阻力在允許的 范圍內。 殼程壓強降 ss NFPPP )( 39。239。10 ?????? （ 219） 式中 39。1P? ——流體橫國管束的壓強降， Pa； 39。2P? ——流體通過折流板缺口的壓強降， Pa； sF ——殼程壓強降的結垢校正因數，量綱為 1，液體可取 。 第二章 換熱器的工藝計算 13 39。1P? = 2)1( 200 uNnFf Bc ?? （ 220） 2)( 2039。2 uDhNP B ???? （ 221） 式中 F ——管子排列方法對壓強降的校正系數，對正三角形排列 F =； 0f ——殼程流體的摩擦系數，當 Re0＞ 500 時， ??f ； ——橫過管束中心線的管子數； BN ——折流擋板數； h——折流擋板間距； 0u ——按殼程流通面積 S0 計算的流速， m/s。 其中 sF =, sN =1， ? 16。 24?BN 。 殼程流通面積 200 )()( mdnDBS c ?????? （ 222） smSVu / 789/3600/25000000 ??? （ 223） 5003116 3000 ??? ???? ?? ?ud （ 224） ?? ?f （ 225） 所以 39。1P? = 2 ?????? PaP 5082 ) (24 239。2 ??????? k P aPaP )(0 ???????? 所以殼程流體阻力也在允許的范圍內。 2． 10 總傳熱系數的核算 管程對流傳熱系數 i? 10391Re ?i 33 ?????? ?? ?Cpi （ 226） )()10391( ??? iiii d?? （ 227） = ??? 廣東石油化工學院專科畢業(yè)設計： U 型管換熱器設計 14 = )/( 2 CmW ?? 殼程對流傳熱系數 0? 0 )()())(( wee Cpudd ??? ?? ??? ? （ 228） 取換熱器列管之 中心距 t=32mm。則流體通過管間最大截面積為 20 02 ) ()1( mtdhDS ?????? （ 229） smSVu / 789/3600/2500000 ??? 三角形排列時 md dtd e )3(4)423(4 220202 ??????????? （ 230） 300 ?? ???? ?? ?ud e （ 231） 330 ???????? ?Cp （ 232） 殼程中混氫油被冷卻， 取 )( ?w?? 。所以 )()3916( 3/0 ????