单元过程设备思考题及答案

一 、热交换器的种类及各自优缺点和应用场合 1 直接接触式： 当工业过程可以允许两种流体混合时，可使冷、热两种流体直接进行接触，在混合过程中进行的热交换称为直接混合式换热。这种换热方式方便有效，其设备结构也简单，常用于气体、液体的冷却和蒸汽的冷凝等。 （优点：结构简单、制造容易；缺点：流体混合） 2 蓄热式 当要求两种流体不能完全混合时，可使冷、热两种流体交替地通过充填耐火砖等填料的蓄热室，利用填料将热量储存起来由热流体传给冷流体，这种方式设备简单、耐高温，缺点是体积大，且两流体难免存在混合，通常用于高温气体换 热。 （优点：结构简单、制造容易；缺点：流体混合） 3间壁式 式换热器 板式、螺旋板式、板壳式 等 优点：设备紧凑（材耗低）；传热面积大、传热系数高（热损失小） 缺点：承压能力低、处理量较小；制造加工复杂（成本高） 式换热器 蛇管、套管、列管 （列管式换热器主要作为加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器使用 56） 优点：结构简单、加工制造容易；结构坚固；性能可靠；适用面广 缺点：传热性能和设备紧凑性不及板式换热器 二 、流程安排的原则 ： (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管程，因管内清洗方便； (2) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，且清洗、检修方便； (3) 有毒流体宜走管程，使泄漏机会减少； (4) 压强高的流体宜走管程，以免壳体同时受压； (5) 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果； (6) 饱和蒸汽宜走壳程，便于排出冷凝液和不凝气，且蒸汽洁净不污染； (7) 流量小或粘度大的流体宜走壳程，因折流档板的作用可使在低雷诺数 (100)下即可达到湍流，但也可在管内采用多管程 (8) 若 两流体温差较大，宜使大的流体走壳程，使管壁和壳壁温差减小。 在具体选择时，上述原则经常不能同时兼顾，会互相矛盾，这时要 根据实际情况，抓住主要问题 ，作为选择的依据。 热管换热器聚四氟乙烯换热器石墨换热器其它型式换热器伞板式板壳式板翅式板式螺旋板式板面式换热器缠绕管式管壳式套管式蛇管式管式换热器间壁式换热器 三 、管束分程的原则： 1）管程数目不能太多，否则会使管箱结构复杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大。 2）管程数目一般为偶数程（单程除外），这样可以使管程的进出口设置在同一端管箱上，便于制造、操作和维修。 3）尽可能使各程换热管数目大致相等，以减小流体阻力。 4）相邻管程流体间温度差不宜过大（不超过 20），以避免产生过大热应 力。 四 、 折流板的布置原则 1、折流板一般应等距布置 靠近管板的第一块和最后一块折流板尽量靠近壳程进出口接管。 2、折流板间距 B： 最佳间距 =3；最小间距应不小于壳体内直径的 1/5，且不小于 50大间距应不大于壳体内直径 ;必须圆整 50100200005000 3、切口尺寸 h：弓形折流板缺口弦高一般取 h=（ 常取 4、折流板管孔与换热管间隙、折流板与壳体内壁间隙不能太大或太小。 5、支持板形状与尺 寸 按折流板设计。 五 、 旁路挡板的设置原则 1、卧式、左右缺口折流板换热器，壳程物料旁路短路的可能性大，需设置旁路挡板。 2、只有当壳程物料的给热系数起控制作用时，安装旁路对比才能显著提高总传热系数 K。 3、在小型换热器（ 400安装旁路挡板比在大型换热器在更加有效。 4、旁路挡板超过一定数量后，可提高 K 的作用下降，对压力降的影响增大。 六 、换热器强化传热的主要途径和措施 传热方程式 1、增大传热面积（翅片） 2、加大平均温差（逆流） 3、提高传热系数（材料、分程、除垢、 结构 ） 七 、习题 1、一单程固定管板式换热器，设计压力为 体直径 000程工作压力 作时管壁温度为 300，壳壁温度为 250， 250=110 300=101 热管采用 25缝钢管，长度L=3000蚀裕量 求换热面积为 （ 1）计算所需换热管根数 60 （ 2）计算换热器壳体壁厚 2、在内管为 18010套管换热器中，将流量为 3500kg/h 的某液态 烃从 100冷却到 60，其平均比热为 环隙走冷却水 ， 其进出口温度分别为 40和 50 ,平均比热为 （ ） , 基于传热外面积的总传热系数 K=2000w/且保持不变 求 : Q K F T (1) 冷却水用量； (2) 计算两流体为逆流和并流情况下的平均温差及管长。 3、某化工厂欲设计一台压力容器。工艺参数为：壳体内径 00算压力 作温度 t=20。试选择 壳 体材料并确定塔体厚度。（物料对壳体方式性不大。） 解：（ 1）选材 由于物料对钢材的腐蚀不大，温度在 20，压力为中压，故选用 16 （ 2）确定参数 00t =170 =用带垫板的单面焊对接接头，局部无损探伤 )； 取2C =1 (3)计算厚度 2 . 2 6 0 0 4 . 92 2 1 7 0 0 . 8 2 . 2m 2 4 . 9 1 5 . 9 C m m 根据 表 41 0 C 5 . 9 0 . 2 5 6 . 1 5 m m 圆整后取厚度为 7nS 1 0C ，该塔体可用 6 7 16板制作。 (4)校核 水压试验强度 根据式（ 4 () 0 . 92T i 式中 1 . 2 5 1 . 2 5 2 . 2 2 . 7 5 ( )Tp p M P a t 200 ; 1t； c 345170s M P a 则 2 . 7 5 ( 6 0 0 6 ) 1 3 8 . 926T M P a 而 0 . 9 0 . 9 0 . 8 3 4 5 2 4 8 . 4s M P a 可见 ，所以水压试验强度足够。 4、一列管换热器，管外用 105空气 温度从 20加热到80，流量为 20000kg/h，现因生产任务变化，如空气流量增加 50%，进、出口温度仍维持不变，问在原换热器中采用什么方法可完成新的生产任务？ 完成新任务。汽压力至所以可通过调节饱和蒸查的饱和水蒸气压力为空气的进出口温度不变饱和水蒸气温度为：解：空空空气空k P 25)80/()20l n (/)n (/)0005、在一单管程列管式换热器中，将 2000kg/0加热到 80，空气在钢质列管内作湍流流动，管外用饱和水蒸汽加热。列管总数为 200根，长度为 6m，管子规格为 38 3因生产要求需要设计一台新换热器，其空气处理量保持不变，但管数改为 400根，管子规格改为 19 作条件 不变，试求此新换热器的管子长度为多少米？ ()/(2/1222/2)16/32()16400/(32200(/)/()/(/)/(/0总总总总总据题意解：6、有一立式单管程列管换热器，其规格如下：管径 25 长 3m，管数 30根。现用该换热器冷凝冷却 饱和温度 46冷却到 10。 流量为250kg/h，冷凝潜热为 356kJ/体 )。水走管内与 却谁进出温度分别为 5和 30。已知 外表面积计）分别为 和 。问此换热器是否合用？ 解： Q W r C T Th p s 2 2503600 356 1 05 46 10 27 35. s 设换热器上部为蒸汽冷凝段 ,以下标“ 1”表示 ,下部为冷却段 ,以“ 2”表示 则 50 3600 356 24 72 s 6 50 3600 1 05 36 2 63 . s 0 2=10 设冷水 常量，则上下两段分界处 QQ t t t 3 2 1 即 24 7227 35 30 30 53. . t 于是： A QK t 324 72 10232 6 30 7 446 7 446 304 14 ,. A QK t 32 63 10116 846 7 4 10 546 7 410 51 37 ,. A = 外表面积计 ) 现有换热器 A = n 30 = A 故能适用。 7、现有两台规格完全一样的列管换热器，其中一台每 小时可以将一定量气体自 80冷却到60，冷却水温度自 20升到 30，气体在管内与冷却水呈逆流流动，已知总传热系数（以内表面积为基准） 0 W/(m )。现将两台换热器并联使用，忽略管壁热阻、垢层热阻、热损失及因空气出口温度变化所引起的物性变化。试求：并联使用时总传热系数；并联使用时每个换热器的气体出口温度；若两换热器串联使用，其气体出口温度又为多少（冷却水进出每个换热器的温度不变）？ 解： 单台 ： 1 = pc( W t h 2 11 230 2080 60 0 1 = i t m 50 40504044 8 W h i m 1 240 44 880 60 89 6. . 二台并联 ： K i i i 0 5 0 5 40 22 970 8 0 8. . . ) W T T T t T tT tT th i 21 21 2 2 11 22 1( ) ( ) ( )9 62 22 971 95 80 80 2080201 2 22 222.( ) . ( ) ( ) ( ) T T T t 又 W 0 5 208022. 由、式联立，解得 二台串 联 ： W T T T t T tT tT th i 2 1 21 2 2 11 22 1( ) ( ) ( ) 89 62 4080 1 12 80 80 2080202 22 222. ( ) . ( ) ( ) ( ) T T t 又： W 0 5 208022. 、式联立，解得： ， = 其他 问答题 1、换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？ 110 2、换热管拉脱力产生的原因是什么？ 3、 用增加壳体壁厚的方法来承受壳体中较大的温差应力可行吗？为什么 ？ 4、折流杆和折流板相比有哪些优点？ 5、 管程数不能太多， 且为偶数程，为什么？ 规定，管程数是指介质沿换热管长度方向往、返的次数。一般有 1、 2、 4、 6、 8、 10、 12等七种。主要是为了加工制造方便，比如管板设计制造、封头管箱的垫片等，因为其它管程数的换热器结构复杂，如果是 3 管程要把管箱分三等份，管板的布管、分程隔板的设计就要比 2 管程、 4 管程要复杂得多，且制造加工困难，更别说 5、 7、 9、 11 管程的要如何设计，技术上能不能实现都是个问题。 换热器的换热面积较大而管子又不很长时，就得排列较多的管子。为了提高流体在管内的流速，增大管内传热膜系数，就须 将管束分程，分程可采用不同的组合方法，但每程中的管数应该大致相同，分程隔板应尽量简单，密封长度应短。管程数一般有 数管程的换热器无论对制造、检修或是操作都比较方便，所以用得最多。除单程外，奇数管程一般少用，程数不能分得太多，不然隔板要占去相当大的布管面积。 6、现行管板设计基本假设主要有哪几种？我国换热器设计标准采用哪一种？ 7、 常见的开孔补强结构形式有 哪些？ 补强结构 局部补强（补强圈补强；厚壁接管补强；整锻件补强）、整体补强 （ 1）补强圈补强 结构：补强 圈贴焊在壳体与接管连接处，见（ a）图。 优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富； 缺点： 热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力； 以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。 应用：中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于 540强圈厚度小于或等于 n、壳体名义厚度 n 不大 38 标准： 强圈， 4736强圈 （ 2） 厚壁接管补强 结构：在开孔处焊上一段厚壁接管，见（ b）图。 特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。 应用：高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。 （ 3）整锻件补强 结构：将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见（ c）图。 优点：补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命 只降低 1015%。 缺点：锻件供应困难，制造成本较高。 应用：重要压力容器，如核容器、材料屈服点在 500上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。 开孔补强设计准则 开孔补强设计：指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。 开孔补强设计准则 :弹性失效设计准则 等面积补强法 ;塑性失效准则 极限分析法 【例 4一套管换热器，由 57 89 钢管组成。甲醇在内管流动，流量为 5000kg/h，由 60冷却到 30，甲醇侧的对 流传热系数2=1512W/( )。冷却水在环隙中流动，其入口温度为 20，出口温度拟定为35。忽略热损失、管壁及污垢热阻，且已知甲醇的平均比热为 )，在定性温度下水的粘度为 热系数为 ( )、比热为 )。试求： （ 1）冷却水的用量； （ 2）所需套管长度； （ 3）若将套管换热器的内管改为 48 3钢管，其它条件不变，求此时所需的套管长度。 解：（ 1）冷却水的用量 由热量衡算式求得，由题给的 ，不必换算， 单位必须由 kg/h 换算成 kg/s，故有： kg/s （ 2）题目没有指明用什么面积为基准，在这种情况下均当作是以传热管的外表面积为基准，对套管换热器而言就是以内管外表面积为基准，即 A= ?