化工原理课程设计

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4.2.4传热管的排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机遇少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，一致的壳程内可排列更多的管子。查《热交换器原理与设计》P46，表2-3管间距，取管间距：t＝32mm。

由《化工原理上册》P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为

ne?1.1n=1.1×126≈13根

由《化工单元过程及设备课程设计》P67，公式3-16，隔板中心到离其最近一排管中心距离

S=t/2+6=32/2+6=22mm

取各程相邻管的管心距为44mm。

4.2.5壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，由《流体力学与传热》P206，公式4-115，得壳体内径为

Di=1.05tn/?=1.05×32×126/0.7=450.8mm,查阅《化工原理（上）》P275，附录二十三：热交换器，取Di=450mm。

4.2.6折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×450=112.5mm，故可取h=110mm。

取折流板间距B=0.4Di，则B=0.4×450=180mm。取板间距H＝150mm，则：

折流板数NB=

3000传热管长－1=－1=19块

150折流板间距折流板圆缺面水平装配。

4.3换热器主要传热参数核算

4.3.1热量核算

(1)壳程对流传热系数

对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由《流体力学与传热》P164，公式4-60、4-61，得

ho=0.36其中：

λoμRe0.55Pr1/3(o)0.14deμw第6页共24页

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①当水做冷却剂时，粘度校正为(μo0.14)=1.05μw②当量直径，管子为正三角形排列时，依《化工单元过程及设备课程设计》P72，公式3-22得

4(de＝

32π2t?do)24πdo3π?0.0322??0.0252)24＝0.0202m

3.14?0.025do0.0252

)=0.15×0.45×（1－）＝0.0148mt0.0324(＝

③壳程流通截面积，由《流体力学与传热》P164，公式4-62，得

So=BD(1－

④壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为

uo＝

Vo20620/(3600?996.0)

=＝0.389m/s

0.0148Soρouode996.0?0.389?0.0202＝＝9532.73

0.000821μoReo＝

⑤普朗特准数（P26，公式1-43）

Pr＝

cpo?o?o=

4175?0.000821=57.03

0.0601因此，壳程水的传热膜系数ho为

ho=0.36?0.601?9532.730.55?57.031/3?1.050.14

0.02023

=6408.1W/(m·℃)

(2)管程对流传热系数

由《流体力学与传热》P158，公式4-52a、4-52b，得

hi=0.023RePr

其中：

①管程流通截面积

Si=

0.8

0.3

?idi?di2n3.14?0.022126?=424?2=0.0198m

2

②管程空气的流速及其雷诺数分别为

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ui＝

Vi6439.14/(3600?11.36)

=＝7.95m/s

0.0198Siρiuidi11.36?7.95?0.024

＝＝8.3236910?2.17?10?5μiRe＝

③普兰特准数

Pr＝

cpi?i?i1009?2.17?10?5==0.691

0.03170.03172

=281.74W/(m·℃)0.02因此，管程空气的传热膜系数hi为

hi=0.023×83236.9×0.691×

(3)基于管内表面积的总传热系数Ki查阅《化工原理（上）》P365，附录22，得

2-1

?冷却水侧的热阻Rso＝0.000172m·℃·W

2-1

?热空气侧的热阻Rsi＝0.000344m·℃·W

-1-1

?钢的导热系数λ＝45W·m·℃

因此，依《化工单元过程及设备课程设计》P71，公式3-21

0.8

0.3

bdidd11＝＋Rsi＋＋i＋RsoiKihi?dmhododo＝

10.0025?0.020.02＋0.000344＋＋

281.7445?0.02256408.1?0.0250.02＋0.000172×

0.0252

解得：Ki＝237.80W/(m·℃)

此计算值与前面的初设值Ki=200W/(m·℃)的关系：

‘

2

Ki237.80==1.189200Ki'‘

满足换热器设计所要求的Ki/Ki=1.15~1.25的范围，初选的换热器适合。(4)传热面积

依《化工单元过程及设备课程设计》P75，公式3-35：Qi＝KiSi△tm得：

Si＝Qi/(Ki△tm)＝191300/（237.80×51.26）＝15.69m

2

该换热器的实际传热面积Sp

Sp=?diln=3.14×0.02×3×126=23.74m

2

依《化工单元过程及设备课程设计》P76，公式3-36

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该换热器的面积裕度为

H?Sp?SiSi?100%=

23.74?15.69?100%=22.74%

15.69传热面积裕度超出要求的15%～20%的范围，故需减少管数，取管数n=100,则实际传热面积

Sp=?diln=3.14×0.02×3×100＝18.84m

面积裕度为

2

H?Sp?SiSi?100%=

18.84?15.69?100%=17.84%

15.69处于要求的15%～20%的范围内，该换热器符合实际生产要求。

4.3.2壁温核算

因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按《化工单元过程及设备课程设计》P77，公式3-42计算。该换热器用自来水作为冷却水，设定冷却水进口温度为25℃，出口温度为33℃来计算传热管壁温。由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是按式3-42有

tw?Tm/hc?tm/hh

1/hc?1/hh式中，液体的平均温度tm和气体的平均温度Tm分别按《化工单元过程及设备课程设计》P77，公式3-44、3-45计算

tm=0.4×33+0.6×25=28.2℃Tm=0.5×（148+42）=95℃

2

hc=ho=6408.10W/(m·℃)

2

hh=hi=281.74W/(m·℃)

传热管平均壁温

tw?95/6408.10?28.2/281.74=31.0℃

1/6408.10?1/281.74壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=28.2℃

壳体壁温柔传热管壁温之差为

△t=31.0－28.2=2.8℃该温差不大，故不需要设温度补偿装置。

4.3.3换热器内流体的滚动阻力(压降)

(1)管程滚动阻力

依《化工单元过程及设备课程设计》P78，公式3-47～3-49可得

5

管内流体：Re=83236.9空气压缩机后冷却器设计设计说明书

五、主要构件的设计计算及选型

5.1

一、设计任务1

壳体

5.1.1壳体直径

根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径Di＝450mm。

查阅《结构与零部件（上）》P123，表1-1-86的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为DN＝450mm×8mm的壳体，则Do＝466mm，Di＝450mm。

5.1.2壳体壁厚

查阅《化工设备机械基础》P126，表9-3，采用Q235-A.F钢板(GB3274)，其中钢密度

3

＝7850kg·m

由Po＝0.3MPa，Di＝500mm，再查阅《化工设备机械基础》P124，表9-6,对壳体与管板采用单面焊，当全部无损探伤时，焊接接头系数?＝0.9。

查阅《化工设备机械基础》P124，表9-4碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：t

]=113MPa，σs＝235MPa

[???PoDi0.3?0.45＝≈0.66(mm)2?113?0.9?0.32[?]t??Po查阅《化工设备机械基础》P127，表9-10钢板厚度负偏差，取C1＝0.8mm，C2＝1mm。

圆整后：δn=0.66+0.8+1＋△≈8(mm)

5.1.3水压校核

由《过程设备设计》P193，公式（4-88），（4-89），得：

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?T?pT[Di?(?n?C)]

2(?n?C)1.25?0.4?[0.45?(0.008?0.001?0.0008)]

2?(0.008?0.001?0.0008)?＝18.15MPa

而0.9φσs=0.9×0.9×235=190.35MPa

由于?T空气压缩机后冷却器设计设计说明书

查阅《材料与零部件（上》P655表2-8-1，伸出高度＝150mm。

接纳质量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850=2.57kg

进气口采用凹法兰，出气口采用凸法兰。查阅《材料与零件》P380，表2-2-19，法兰的直径＝260mm，厚度b=12mm，螺栓孔间距D1＝225mm，D2=202mm，孔直径＝18mm。法兰重量：凹法兰＝2.18kg，凸法兰=2.75kg，螺栓规格：M16，数量为8。

6.2排气、排液管

查表《材料与零部件》P123无缝钢管（YB231-70），取排气液管：外径＝45mm，管厚＝3.5mm，伸出高度＝80mm。

质量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。查阅《材料与零部件》P384，表2-2-23，配套法兰：选用凸法兰，dH=45mm，厚度b=20mm，D=145mm，D1=110mm，D2=88mm，质量m＝2.34kg。

6.3支座设计

6.3.1支座的设计选型

查《材料与零部件（上）》P627-628，表2-7-1鞍式支座尺寸，当公称直径＝450mm时，b1=160mm,L=420mm,B=120mm，b=90mm，m=200mm，质量=13.6kg，A＝0.2×3=0.6m，支座间距＝3000－2×5－2×600=1790mm。

6.3.2支座承载能力校核

（1）换热器的质量统计于下表：

序号1234567891011121314151617各零部件壳体管板壳程接纳壳程接纳法兰管程接纳管程接纳法兰排气液管排气液管法兰隔板封头封头法兰传热管拉杆定距管L’1L’2折流板管箱管箱法兰数量（YB231-70）22222221211002/2221911第16页共24页

单件重量/kg263.1746.391.91凹3.08/凸4.842.57凹4.36/凸5.50.292.3414.8416.6017.804.169.24/8.787.687.412.4823.0717.80重量/kg263.1792.783.827.925.149.860.584.6814.8433.217.8041618.0215.0947.1323.0717.80

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18支座213.61018.127.2换热器总重量/kg

（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为：

23

V2＝3.14×（0.025/2）×2.914×104=0.149m壳体体积为：

23

V1＝3.14×（0.450/2）×2.914＝0.463m忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为：

M总=1018.1+（0.463-0.149）×996.0＝1330.84kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。

（3）壳体刚度校核已知公式：

?qx?x?A????qLQ(x)???qx?A?x?L?A?和

?