化工原理课程设计循环水冷却器设计说明书

齐齐哈尔大学化工原理课程设计题目循环水冷却器的设计学院化学与化学工程学院专业班级 制药工程学生姓名 夏天指导教师 吕君成绩2023年07月01日目录摘要……………IAbstract………………II第1章绪论………………………11.1设计题目：循环水冷却器的设计…………11.2设计日任务及操作条件……………………11.3厂址：齐齐哈尔地区………1第2章重要物性参数表…………1第3章工艺计算…………………23.1拟定设计方案………………23.2核算总传热系数……………43.3核算压强降…………………6第4章设备参数的计算…………84.1拟定换热器的代号…………84.2计算壳体内径DⅠ……………94.3管根数及排列规定…………94.4计算换热器壳体的壁厚……………………94.5选择换热器的封头…………114.6选择容器法兰………………114.7选择管法兰和接管…………134.8选择管箱……………………144.9折流挡板的设计……………154.10支座选用……………………164.11拉杆的选用和设立…………164.12垫片的使用…………………18总结评述……………20参考文献……………21重要符号说明………………………22附表1……………24附表2……………25致谢……………26摘要在国内外的化工生产工程中，列管式换热器在目前所用的换热器中应用极为广泛——由于它具有结构牢固，易于制造，生产成本较低等特点。管壳式换热器作为一种传统的标准换热器，在许多部门中都被大量使用。其结构由许多管子所组成的管束，并把这些管束固定在管板上，热管板和外壳连接在一起。为了增长流体在管外的流速，以改善它的给热情况在筒体内安装了多块挡板。我们的进行作业时列管换热器的设计，根据所给的任务，进行综合考虑。一方面拟定流体流径。我们选择冷却水通入管内，儿循环水通过入管间。另一方面，我们拟定两流体的定性温度，由于温度引起的热效应不大，可以选择固定管板式换热器。根据初算的总传热系数和热负荷，以及换热器的换热面积，换热器的根数和长度，来拟定管程数。并查阅相关资料。初步工作完毕之后，对设备的各种参数校核，涉及换热器壳体，封头，管箱，管板，法兰的选用等等，接着进行一系列的检查。选择这些附件，不仅要与所选换热很好的匹配，并且要兼顾经济的规定，让换热器既造价低廉又坚固耐用，以达成即经济又实惠的效果。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热互换器。换热器是实现化工生产过程中热量互换和传递不可缺少的设备，在热互换器中，至少有两种温度不同的流体，一种是流体温度较高，放出热量，另一种是温度较低，吸取热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随意我国工业的不断发展，对能源运用、开发和节约的规定不断提高，对换热器的规定也日益增强。换热器的设计制造结构改善以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。根据不同的目的，换热器可以是热互换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。关键字：换热器；列管式换热器；循环水；冷却器AbstractHeatexchangerispartofthethermalfluidheattransfertocoldfluidequipment,inordertorealizethedifferenttemperatureofheattransferbetweenfluid,alsocalledheatexchanger.Heatexchangeristorealizetheheatexchangeandtransmissionintheprocessofchemicalproductionindispensableequipment,intheheatexchanger,thereareatleasttwodifferentfluidtemperature,fluidtemperatureishigher,oneisgivesoffheat,theotherisalowtemperature,absorptionofheat.Inchemical,petroleum,power,refrigeration,foodandotherindustrieswidelyusedinallkindsofheatexchanger,andtheyareuniversalequipment,theseindustryoccupiesveryimportantposition.Optionalconstantdevelopmentoftheindustryinourcountry,totherequirementofincreasingtheenergyutilization,developmentandconservation,therequirementoftheheatexchangerisalsogrowing.Thedesignandmanufactureofheatexchangerstructureimprovementandtheheattransfermechanismofresearchisveryactive,appearedsomenewhighefficiencyheatexchanger.Accordingtodifferentpurposes,theheatexchangercanbeheatexchanger,heater,cooler,evaporator,condenser,etc.Becauseofthedifferentconditionsofuse,heatexchangercanhavevariousformsandstructures.Inproduction,heatexchangerisaseparateequipmentsometimes,sometimes,isapartoftheprocessequipment.KeyWords：Heatexchanger；Shellandtubeheatexchanger；Floating-headtype第1章绪论1.1设计题目循环水冷却器的设计1.2设计任务及操作条件1.2.1设计任务①解决能力：72023kg/h②设备型式：列管式换热器1.2.2操作条件①循环水：入口温度55℃，出口温度40℃②冷却介质水：入口温度25℃，出口温度35℃③管程和壳程的压强不大于1.0MPa④换热器的热损失4%1.3厂址齐齐哈尔地区第2章重要物性参数表在定性温度下：t定冷=（25+35）/2=30℃t定循=（55+40）/2=47.5℃表2-1物性参数表物性密度㎏/m2比热容kJ/（kg℃粘度Pas导热系数w/m℃进口温度℃出口温度℃壳程（循环水）管程（冷却水）符号ρCp1µ1λT1T2数据988.14.174549.4×10-6647.8×10-35540符号ρCp1µ2λt2t2数据995.74.174800.7×10-6617.6×10-32535第3章工艺计算3.1拟定设计方案3.1.1选择换热器的类型（1）两种流体的变化情况：热流体（循环水）进口温度55℃，出口温度40℃；冷流体（冷却水）进口温度25℃，出口温度35℃;冷水定性温度：t定冷=（25+35）/2=30℃循环水定性温度：t定循=（55+40）/2=47.5℃由于两流体温差小于50℃，不必考虑热补偿。因此初步拟定选择用固定管板式换热器。（2）流程安排：由于该换热器是具有冷却水冷凝的换热器，应使循环水走壳程，以便于排除冷却水。3.1.2计算热负荷和冷却水流量（1）热负荷的计算=mhcph△t1(3-1)=(72023/3600)×4174×(55-40)=1.252×106w热负荷=Qh-Q(3-2)=(1-5%)Qh=0.96×1.252×106w=1.202×106w（2）冷却水流量的计算=0.96mhcph(T1-T2)(3-3)=mhcph(t1-t2)所以mc=0.96×72023×4.174×（55-40）/3600×4.174×(35-25)=28.8㎏/s3.1.3计算两流体的平均温差，拟定管程数（1）平均传热温差△tm=△t1-△t2/ln（△t1-△t2）（按逆流计算）(3-4)其中：△t1=55-35=10℃；△t2=40-25=15℃△tm=17.38℃P=t2-t1/T1-t1=0.33R=T1-T2/t1-t2=1.5由P、R值查阅《化工原理》（天津大学出版社）（上册）图4-19，可得：Ψ△t=0.92，则有△tm=0.92×17.38=15.99℃（2）拟定管程数由于Ψ△t=0.92〉0.8，故此换热器应选用单壳程。3.1.4工艺结构尺寸（1）初选换热器的规格假设K=850W/(mk)则估算的传热面积为：A=Q/K△tm=88.44㎡（2）管径和管内流速选用Φ25×2.5的碳钢传热器取管内流速为ui=0.5m/s（3）估算管程数和传热管数V=ns3.14/4di2ui由4.1.2可知：冷却水用量=28.8kg/s则Mc/ρc=0.0289m3/sNs=4V/（3.14(0.02)2×0.5）=184根根据列管式换热器传统标准，此数据可选取按单程算，所需的单程热管长度L=A/3.14dins=7.65m(3-5)取传热管长l=8m则该传热管的管程数为：Np=L/l=1传热总根数NT=Npns=1×184=184根实际传热面积So=N3.14d（1-0.1）=91.29㎡则规定过程的总传热系数为Ko=Q/So△tm=693w/(㎡·℃)(3-6)该换热器的基本结构参数如下：表4-1换热器的基本结构参数公称直径：500m工程压强：1.0MPa总管数：NT=184根管间距：t=32mm管数：184管程数：m=1管长：8.0m工程面积：80㎡管子排列方式：正三角形排列3.2核算总传热系数3.2.1管程对流传热系数普兰特准数：3.2.2壳程传热系数取换热器管心距t=32mm壳程流通截面积为：(3-7)其中：h-折流板间距。取为300㎜。D-壳体公称直径，取为600㎜d-管子外径，可取25㎜t-中心距，可取32㎜。壳程流体流速：当量直径按三角形排列有：当量直径普兰特准数：用壳方流体的对流传热系数的关联式计算带入数据得：3.2.3计算总传热系数(3-9)其中：——壳程管程对流传热系统w/㎡·℃ ——换热管外径内径和内外径的平均值mm ——管内侧外侧污垢热阻㎡·℃/w b——换热器壁厚，取0.0025m ——碳钢的导热系数，取45w/㎡·℃管壁热阻碳钢在该条件下=45w/㎡·℃计算安全系数核算表白该换热器可以完毕任务。3.3核算压强降3.3.1管程流体阻力(3-10)(3-11)（1）对于ΔP1的计算：管程流通截 由此可知 设管壁粗糙度 λ=0.037代入计算式 ΔP1=0.037×（2）对于的计算 （3）对于的计算 则： 由此可知，管程流通阻力在允许范围之内。3.3.2壳程压强降校核(3-12)其中： (3-13) Fs是壳程压强降届后校正因数，液体取1.15Ns是壳程数，为1（1）对于的计算 由于换热器列管呈三角形排列F=0.5 取折流板间距为300mm； 块 壳程的流通面积 可见>500故可应用下式计算 (2)对于的计算 (3)对于的计算 计算表白：管程压强降为2467.55，小于压强1.0 壳程压强降为1333.94，亦小于设计压1.0综上可知，管程和壳程压强降均能满足题设规定第4章设备参数的计算4.1拟定换热器的代号4.1.1换热器的代号所选换热器的代号为EQ4.1.2拟定方法此代号根据工艺计算反列管式固定管板式换热器系列标准对G系列列管式固定管板换热器的规定。查化学化工出版杜《化工工艺设计手册》（上）第120页表3-10《列管式固定管板换热器标准图号和设备型号》得到壳体内径Di，公称压强，管根数及排列规定而拟定。4.2计算壳体内径Di公式：(4-1)其中：——管中心距，m对——横过管束中心线的管线，用计算——管束中心线上2管的中心到壳体内辟的距离，取计算：4.3管根数及排列规定（1）换热器采用的无缝钢管，材质选用可焊接性好的10号钢，管长8m，共184根管。（2）排列方式及管中心距的拟定1）可该换热器列管采用三角排列 2）管子与管板采用焊接，故可取4.4计算换热器壳的壁厚4.4.1 选适宜的壳体材料根据《化工设备手册-材料与部件》（上海）第102页压力容器用碳素碳及普通低合金厚板钢，换热器公称压强为选用钢板。4.4.2该钢板的重要工艺参数性能加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开坡口。冷冲压力热冲压性能好，使用温度，可以作中低压设备，所以简体材质选用钢板，钢板标准。4.4.3壁厚的计算（1）公式：(4-2)其中：——钢板在不考虑加工裕量时的厚度，mm——计算厚度，mm——钢板负偏差，mm——腐蚀裕量，mm——圆整值式中为设计厚度，可用下式计算：(4-3)其中：Pc——设计压力，取Di——壳体内径，mm——设计温度下材料的许用应力，——焊缝系数（2）查算：依据《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-3，《钢制压力容器中使用的钢板许用应力》可得=113,依表14-4《焊缝系数》可得=0.85，依表14-6《腐蚀裕量》可得=2mm。依《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-5，《钢板厚度常用规格及其负偏差》得=0.6mm，=1.2mm。故可根据选用厚度为8mm的钢板材质（3）水压实验强度校核水压实验应力为(4-4)式中： 将有关数据代入原式可得查阅《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-3，《钢制压力容器中使用的钢许用应力》可得到钢制容器在常温水压实验时从而，有所以壳体壁厚满足水压实验的强度规定。4.5选择换热器的封头（1）公式：(4-5)其中：由于，用整块钢板冲压成型，此时（2）计算：（3）选择适宜厚度，并拟定封头型式规格根据《化工设备手册材料与零部件》<上册>第327页椭圆封头应选封头mm，且根据其选用一椭圆封头尺寸如下：型式公称直径曲面高度直边高度椭圆形500mm125mm0.309m24.6选择容器法兰4.6.1 选择法兰的型式选用甲型平焊容器法兰。已知换热器的公称压力为，公称直径500mm。查阅《压力容器与化工设备使用手册》中3-1-1，《压力容器法兰分类》，宜采用甲型平焊容器法兰。法兰材料为板材Q235-B，工作温度>-20摄氏度的最大工作压力为，小于公称压力，故甲型平焊容器法兰最大允许工作压力满足规定。4.6.2拟定法兰相关尺寸查阅《压力容器与化工设备使用手册》第467页。表3-1-2（A）《甲型平焊法兰尺寸》和表3-1-2（B）《甲型平焊法兰质量》可得法兰相关尺寸如下表：平面凸面凹面法兰质量（kg）36.8138.4337.21衬环质量（kg）1.73.72.5公称直径DN法兰螺栓DD1D2D3D4d规格数量500630590555545542442320284.6.3选用法兰并拟定标记选用甲型平焊容器（凹凸密封面）为宜标记为：法兰结构如图图4-3法兰4.7选择管法兰和接管 4.7.1热流体进出口接管取接管热流体流速为u=1.7/ms，则接管内径为可取接管:mm,长150mm两个4.7.2冷流体进出口接管取接管内流体流速u2=1.5m/s,则接管内径为可取接管：Φ159×4.5，长150mm两 表4—3钢制管法兰（HGJ45-91）公称直径DN管子外径A连接尺寸螺栓柱法兰内径B法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数n螺栓长度螺柱长度法兰厚度C1561592201801866585181101251332502101867090201354.7.3选择法兰根据公式直径与公称压力选用板式干旱钢制管法兰。HG20593-97SO150-2.5RF16Mn4.8选择管箱查阅《化工设备标准图册》，选择封头管箱，材料为 A3F钢，其简图如下所示：图4-4封头管箱4.9折流挡板的设计查阅《换热器原理及计算》根据换热器的规定，选择厚度为5mm的圆缺形挡板。其参数如下：两板间距离：h=D(0.2-1)=300mm折流板高度：H=500(1-25%)=375mm折流挡板个数：N=L/h-1=8/0.3-1=12块折流挡板厚度：δ=5mm4.10支座选用查阅《化工设备设计手册材料与零部件》第625页,选用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公称直径DN每个支座允许负荷tbLBK1bm50023.016046012033090200 图4-6鞍式支座4.11拉杆的选用和设立4.11.1拉杆的选用查阅《化工过程和设备设计》第15页表可知：表4-5拉杆拉杆直径数量拉杆螺纹公称直径laLbb1241620>=602.04.11.2拉杆的设立拉杆与折流板和挡板的连接形式如下图所示：图4-7拉杆4.11.3拟定管板尺寸由《化工设备机械基础》查得，管板选用的材料为16Mn,管板厚度为20mm,质量是59.6Kg.图4-8整体管板4.12垫片的使用4.12.1设备法兰用垫片根据《压力容器与化工设备实用手册》第491页，密封垫片选用非金属软垫片，JB4704-92。厚度30mm,该垫片为法兰用垫片，其尺寸：外径：D2=545mm内径：D1=500mmPN=1.6MpaDN=500mm图5-9设备法兰所用垫片4.12.2管法兰用垫片材料：耐油橡胶石棉板S20——0056——3.厚度3mm.垫片：1.MFM150——2.52.MFM2002.5

总结评述在教师的悉心指导下，在团队中每个人的积极努力下，在这历时两个星期的课程设计中我们解决了很多难题。然而，在这次课程设计中，大家更多的发现了自己的局限性，以及对实践经验的缺少，在诸多方面还需提高。在学习中大家分工明确，在每个环节中都能杰出的完毕。我组重要进行了以下环节：一．数据计算——在设计刚开始时，大家积极查询相关资料，翻阅了图书馆里的很多相关书籍。在大家不断查找资料、不断的理解公式原理不断进行可行性分析的前提下,很多问题都得到了解决，在很多难点上都有了很大的突破。通过了几天的团结协作完毕了计算部分。二．设计说明书——在这个环节中，大家认真的将每一个公式字句输入文档中，输完之后又进行了多次检查，多次审核，终于通过了几天的精诚合作，完毕了文档的输入工作。说明书的设计，从封皮到公式到逐字逐句都显得十分谨慎。三．画图——对于每一个环节，都需要每个成员在该环节上有所突破。在这个环节中，在组长的领导下，大家默契配合，充足体现了团队精神，通过对数据的深刻理解，认认真真的完毕了制图的工作，终于完毕了该设计的最后环节。通过这次设计我们看到了团队的力量，个人离不开团队，团队需要每一个人的精诚合作，才干发挥团结协作的精神。通过老师的耐心的讲解和帮助，我们把公式及其应用范围都巩固了一遍。通过这次课程设计，我们充足的理解了课程设计的真正含义。本次设计给了我知识和技能的同时，也给予我很多经验和教训。在此后的学习和工作中，我将不断努力学习科学文化知识，不断完善自己，不断的挖掘自己的潜力。

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