化工原理課程設(shè)計(jì)---煤油冷卻器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　化工原理課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題目： 煤油冷卻器的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院： 化學(xué)化工學(xué)院 </p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　殼式換熱器結(jié)構(gòu)</b></p>

2、;<p>　　由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外的傳熱流體的傳熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列比較緊湊，管外流速湍動(dòng)程度高，傳熱

3、系數(shù)大，但管外清洗較困難；正方形直列，管外清洗方便，但傳熱系數(shù)較小，適用于易結(jié)垢的流體；正方形錯(cuò)列的效果介于正方形直列和正三角形排列之間。</p><p>　　流體每通過管束一次稱為一個(gè)管程；每通過殼體一次稱為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通

4、過殼體空間，稱為多殼程。多管程和多殼程可配合應(yīng)用。</p><p>　　§一.化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　1.1.題目</b></p><p><b>　　煤油冷卻器的設(shè)計(jì) </b></p><p>　　1.2.任務(wù)及操作條件</p><p>

5、;　　1.2.1處理能力：10萬噸/年煤油</p><p>　　1.2.2.設(shè)備形式：列管式換熱器</p><p>　　1.2.3.操作條件</p><p>　　(1).煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃</p><p>　　(2).冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30℃，出口溫度40℃</p><p>　　(3).允許

6、壓強(qiáng)降：不大于100kPa</p><p>　　(4).煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比熱容2.22kJ/(kg.℃)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m.℃)</p><p>　　(5).每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行</p><p>　　1.3.列管式換熱器的選擇與核算</p><p&

7、gt;　　1.3.1.傳熱計(jì)算</p><p>　　1.3.2.管、殼程流體阻力計(jì)算</p><p>　　1.3.3.管板厚度計(jì)算</p><p>　　1.3.4.U形膨脹節(jié)計(jì)算 </p><p>　　1.3.5.管束振動(dòng)</p><p>　　1.3.6.管殼式換熱器零部件結(jié)構(gòu)</p><p>

8、;　　1.4.繪制換熱器裝配圖</p><p><b>　?。ㄒ夾2圖紙另附）</b></p><p><b>　　§二.熱量設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1.初選換熱器的類型</p><p>　　兩流體的溫度變化情況如下：</p><p>　?。?）煤油：

9、入口溫度140℃，出口溫度40℃；</p><p>　?。?）冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30℃，出口溫度40℃；</p><p>　　該換熱器用循環(huán)冷卻自來水進(jìn)行冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會降低，考略到這一因素，估計(jì)所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應(yīng)地進(jìn)行熱膨脹的補(bǔ)償，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的管板式換熱器。</p><p>　　2

10、.2.管程安排(流動(dòng)空間的選擇)及流速確定</p><p>　　已知兩流體允許壓強(qiáng)降不大于100kPa；兩流體分別為煤油和自來水。與煤油相比，水的對流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)使循環(huán)自來水走管程，而使煤油走殼程。</p><p>　　表2-1.列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍 </p&g

11、t;<p>　　表2-2.不同粘度液體的流速（以普通鋼壁為例）</p><p>　　由上表，我們初步選用Φ25×2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.5m/s。</p><p>　　2.3.確定物性數(shù)據(jù)</p><p>　　定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。</p><p>　

12、　殼程流體（煤油）的定性溫度為：T= =90℃ </p><p>　　管程流體（水）的定性溫度為：t=℃。</p><p>　　在定性溫度下，分別查取管程和殼程流體(冷卻水和煤油)的物性參數(shù)，見下表：</p><p>　　2.4.計(jì)算總傳熱系數(shù)</p><p>　　2.4.1.煤油的流量</p><p>　　已知要求處

13、理能力為15萬噸煤油每年（每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行），則煤油的流量為：</p><p>　　=100000t/（330*24）=12626.3kg/h</p><p><b>　　2.4.2.熱流量</b></p><p>　　由以上的計(jì)算結(jié)果以及題目已知，代入下面的式子，有：</p><p><b&

14、gt;　　Q=</b></p><p>　　=12626.3kg/h×2.22kJ/kg?℃×(140-40)℃</p><p>　　=2803030.3kJ/h=778.6KW</p><p>　　2.4.3.平均傳熱溫差</p><p>　　計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差 </p><p>

15、;　　暫時(shí)按單殼程、多管程計(jì)算。</p><p><b>　　逆流時(shí)，我們有</b></p><p>　　煤油：140℃→40℃</p><p>　　水： 40℃←30℃</p><p><b>　　從而，</b></p><p><b>　　=39.1℃<

16、;/b></p><p><b>　　而此時(shí)，我們有：</b></p><p><b>　　P=</b></p><p><b>　　R=</b></p><p><b>　　式子中：</b></p><p>　　——熱流體（

17、煤油）的進(jìn)出口溫度，K或℃；</p><p>　　——冷流體（自來水）的進(jìn)出口溫度，K或℃；</p><p>　　由圖4-19（參見天津大學(xué)出版社的《化工原理（上冊修訂版）》233頁）可查得：=0.82﹥0.8，所以，修正后的傳熱溫度差為：</p><p>　　= =39.1×0.82=32℃</p><p>　　2.4.4.冷卻水

18、用量</p><p>　　由以上的計(jì)算結(jié)果以及已知條件，很容易算得：</p><p>　　===68702kg/h</p><p>　　2.4.5.總傳熱系數(shù)K</p><p>　　1）.管程傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　=</b></p><p><b&g

19、t;　　=</b></p><p><b>　　=0.023</b></p><p><b>　　=0.023</b></p><p>　　=2753 W/m2?℃</p><p>　　2）.殼程傳熱系數(shù)：</p><p>　　假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)是： =500 W

20、/m2?℃</p><p>　　污垢熱阻： =0.000344 m2℃/W</p><p>　　=0.000172 m2℃/W</p><p>　　管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2℃/W</p><p>　　管壁厚度： b=0.0025m</p><p>　　內(nèi)外

21、平均厚度： dm=0.0225m</p><p>　　在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得</p><p>　　=320.3W/m2?℃</p><p><b>　　2.5計(jì)算傳熱面積</b></p><p>　　由以上的計(jì)算數(shù)據(jù)，代入下面的公式，計(jì)算傳熱面積：</p><p>　　

22、考慮15%的面積裕度，則：</p><p>　　§三.工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　換熱器中最常用的管徑有φ19mm×2mm和φ25mm×2.5mm。小直徑的管子可以承受更大的壓力，而且管壁較薄；同時(shí)，對于相同的殼徑，可排列較多的管子，因此單位體積的傳熱面積更大，單位傳熱面積的金

23、屬耗量更少。所以，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用φ19mm×2mm直徑的管子更為合理。如果管程走的是易結(jié)垢的流體，則應(yīng)常用較大直徑的管子。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)管子的長度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。當(dāng)選用其他尺寸的管長時(shí)，應(yīng)根據(jù)管長的規(guī)格，合理裁用，避免材料的浪費(fèi)。</p><p>　　選用Φ25×2.5的碳

24、鋼管，管長4m，管內(nèi)流速取=0.5m/s。</p><p>　　3.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和流速，可以確定單程傳熱系數(shù)：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　按單程計(jì)算，所需傳熱管的長度是：</p><p>　　若按單程管計(jì)算，傳熱管過長

25、，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，可見取傳熱管長l=4m，則該傳熱管程數(shù)為：</p><p>　　則傳熱管的總根數(shù)為：</p><p>　　N=×=2×123=246（根）</p><p>　　3.3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)</p><p>　　由前面的計(jì)算已求得，按單殼程、多管程計(jì)算，逆流時(shí)：</p><p&

26、gt;<b>　　=39.1℃</b></p><p><b>　　而此時(shí)，我們有：</b></p><p><b>　　P=</b></p><p><b>　　R=</b></p><p>　　由圖4-19（參見天津大學(xué)出版社的《化工原理（上冊修訂版）

27、》233頁）可查得：=0.82﹥0.8，所以，修正后的傳熱溫度差為：</p><p>　　= =39.1×0.82=32℃</p><p>　　于是，校正后的平均傳熱溫差是32℃，殼程數(shù)為單程，管程數(shù)為2。</p><p>　　3.4.殼程內(nèi)徑及換熱管選型匯總</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采

28、用正方形排列。取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.25≈32(mm)</p><p>　　橫過管束中心線的管數(shù)：=1.19=1.19=19根</p><p><b>　　3.4.1殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η＝0.7，則殼體內(nèi)徑為：</p><p>&l

29、t;b>　　=629.8mm</b></p><p>　　圓整可取D=650mm。</p><p><b>　　§四.換熱器核算</b></p><p><b>　　4.1熱量核算</b></p><p>　　4.1.1殼程對流傳熱系數(shù)</p><p&

30、gt;　　對圓缺形的折流板，可采用克恩公式：</p><p>　　計(jì)算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得：</p><p><b>　　= =0.020m</b></p><p>　　殼程流通截面積：So= =0.0197m</p><p>　　殼程流體流速為：= ==0.216m/s</p><p&g

31、t;<b>　　雷諾準(zhǔn)數(shù)為：=</b></p><p>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：Pro=</p><p>　　=0.36Re。物料被冷卻，粘度校正系數(shù)取1， 將數(shù)值代入上式：</p><p>　　==692W/m2℃</p><p>　　4.1.2管程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　

32、=</b></p><p>　　自來水被加熱，n取0.4，代入已得數(shù)值，有：</p><p>　　管道流通面積：=0.785×0.022=0.039m2</p><p><b>　　管程流體流速：=</b></p><p><b>　　雷諾準(zhǔn)數(shù)為：=</b></p>

33、<p><b>　　普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：=</b></p><p>　　=2724 W/m2℃</p><p>　　4.1.3傳熱系數(shù)K</p><p>　　根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，在(GB151-99P140-141)選取污垢熱阻：</p><p>　　污垢熱阻： =0.000344 m2

34、℃/W </p><p>　　=0.000172 m2℃/W </p><p>　　管壁的導(dǎo)熱系數(shù)： =45 m2℃/W</p><p>　　管壁厚度： b=0.0025m</p><p>　　內(nèi)外平均厚度： dm=0.0225m</p><p>　　在下面的公式中，代

35、入以上數(shù)據(jù)，可得</p><p><b>　　=</b></p><p>　　=389.1W/m2℃</p><p>　　4.1.4傳熱面積S</p><p>　　由K計(jì)算傳熱面積S:</p><p><b>　　S== </b></p><p>　

36、　該換熱器的實(shí)際傳熱面積為： </p><p><b>　　Sp=</b></p><p>　　=3.14×0.025×4×（246-19）</p><p><b>　　=71.3m2</b></p><p>　　則該換熱器的面積裕度為：<

37、/p><p>　　H=×100%=×100%=14.1%</p><p>　　為了保證換熱器的可靠性, 一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于15%～25%。滿足此要求, 所設(shè)計(jì)的換熱器較為合適,傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　4.2流動(dòng)阻力的計(jì)算</p><p>　　因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊?，?/p>

38、以要對殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。</p><p>　　4.2.1管程流動(dòng)阻力</p><p>　　管程壓力降的計(jì)算公式為：</p><p>　　△Pt=（△Pi+△Pr）; NS=1,Np=2，F(xiàn)S=1.5;△Pi=</p><p>　　由Re=17093，傳熱管相對粗糙度0.1/20=0.005，查莫狄圖得=0.037，流速u=0.4

39、92m/s，ρ=994kg/m3，故</p><p>　　△Pi===890.3（Pa）</p><p>　　△Pr==361（Pa）</p><p>　　△Pt＝（△Pi＋△Pr）Fs*Ns=（890.3+361）×2×1.5=3754（Pa）<100kpa</p><p>　　管程流體阻力在允許范圍內(nèi)</p

40、><p>　　4.2.2殼程流動(dòng)阻力 </p><p>　　由于殼程流體的流動(dòng)狀況比較地復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計(jì)算殼程壓力降：</p><p>　　殼程壓力降埃索法公式為：</p><p>　　而=0.682，Nc=19，NB=26,uo=0.216m/s。</p><p&

41、gt;<b>　　代入數(shù)值得：</b></p><p>　　=0.5×0.682×19×27×825×=3367Pa</p><p>　　=NB（3.5-2B/D），其中B=0.15m,D=0.65m,NB=26,</p><p><b>　　代入數(shù)值得：</b></

42、p><p>　　=NB（3.5-2B/D）</p><p>　　=26×（3.5-）×</p><p><b>　　=1520Pa</b></p><p>　　對于液體=1.15，于是我們有：</p><p>　　=(3367+1520)×1×1.15=5620

43、Pa<100kpa</p><p>　　經(jīng)過以上的核算，我們發(fā)現(xiàn)，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。</p><p><b>　　4.3.壁溫計(jì)算</b></p><p>　　因?yàn)楣鼙诤鼙?，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式?jì)算。</p><p>　　由于換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會降低。為確

44、?？煽?，取循環(huán)冷卻水的進(jìn)口溫度為15℃，出口溫度為45℃計(jì)算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管壁溫之差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是有：</p><p>　　式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計(jì)算為</p><p>　　0.4*

45、40+0.6*15=25℃</p><p><b>　　90℃</b></p><p>　　==2724W/m2℃</p><p>　　==692W/m2℃</p><p><b>　　傳熱管平均壁溫</b></p><p><b>　　=38.2℃</b&g

46、t;</p><p>　　殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為90-38.2=51.8℃。</p><p>　　該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。由于換熱器殼程壓力不是很大，因此需選用固定換熱器較為適宜。</p><p><b>　　§五.零件設(shè)計(jì)</b></p><p&

47、gt;<b>　　5.1.折流板</b></p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，則切去的圓缺高度為：h＝0.25×650=162.5（mm）,取h=160mm。</p><p>　　折流板間距B=0.2D,則B=0.2×650=130mm，取B=150mm。</p><p>　　折流板數(shù)

48、 NB=傳熱管長/折流板間距-1=4000/150-1=26(塊)</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配</p><p><b>　　5.2.接管</b></p><p>　　5.2.1.殼程流體進(jìn)出口時(shí)接管</p><p>　　取接管內(nèi)油品流速為u=1.0m/s</p><p><b&

49、gt;　　則接管內(nèi)徑為：</b></p><p><b>　　d=0.074m</b></p><p>　　所以，取標(biāo)準(zhǔn)管的內(nèi)徑為100mm。經(jīng)查表，得接管公稱直徑300mm，則其補(bǔ)強(qiáng)圈外徑300mm。</p><p>　　查表得，PN<4.0MPa的接管外伸長度為150mm。</p><p>　　查公

50、稱直徑與折流擋板最小厚度表：在B=150mm時(shí)，折流板厚度取4mm。</p><p>　　5.2.2.管程流體進(jìn)出口時(shí)的接管</p><p>　　取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑：</p><p><b>　　d=</b></p><p>　　取標(biāo)準(zhǔn)管徑為150mm。</p><p>

51、;　　查表得，查表得，PN<6.4MPa的接管外伸長度為200mm。</p><p><b>　　5.3.管板厚度</b></p><p>　　管板在換熱器的制造成本中占有相當(dāng)大的比重，管板設(shè)計(jì)與管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式以及管子的連接方式有關(guān)，其計(jì)算過程較為復(fù)雜，而且從不同角度出發(fā)計(jì)算出的管板厚度往往相差很大。一般浮頭式換熱器受力較小，其厚度只要滿足

52、密封性即可。對于脹接的管板，考慮脹接剛度的要求，其最小厚度可按表5.3選用?？紤]到腐蝕裕量，以及有足夠的厚度能防止接頭的松脫、泄露和引起振動(dòng)等原因，建議最小厚度應(yīng)大于20mm。</p><p>　　表5.3. 管板的最小厚度</p><p>　　換熱管的外徑為25mm，因而管板厚度取為3/4=18.75，取上述的最小厚度20mm。</p><p>　　5.4.殼壁

53、的厚度、封頭</p><p><b>　　5.4.1.壁厚</b></p><p>　　查GB151-99P21表8得圓筒厚度為：8 mm</p><p>　　查JB/T4737-95，橢圓形封頭與圓筒厚度相等，即8mm</p><p>　　5.4.2.橢圓形封頭</p><p><b>

54、;　　示意圖如下：</b></p><p>　　查表可得其尺寸數(shù)據(jù)，見下表</p><p><b>　　5.5.緩沖板</b></p><p>　　在前述計(jì)算中，知=0.216m/s</p><p>　　據(jù)=825kg/m3,得2 =38.5<<2300，無需設(shè)置緩沖板</p>&l

55、t;p><b>　　5.6.拉桿核算</b></p><p><b>　　拉桿直徑選用表</b></p><p><b>　　拉桿數(shù)量選用表</b></p><p>　　據(jù)此，確定拉桿直徑=16mm,拉桿數(shù)量為4。</p><p>　　拉桿示意圖如下所示：</p&g

56、t;<p><b>　　5.7.支撐板</b></p><p><b>　　支撐板厚度</b></p><p>　　據(jù)此，取支撐板厚度為10mm。</p><p><b>　　5.8.管束振動(dòng)</b></p><p>　　5.8.1流體誘發(fā)換熱器管束振動(dòng)機(jī)理<

57、;/p><p>　　管殼式換熱器管束振動(dòng)主要是由殼程流體流動(dòng)所引起的,而管程流體流動(dòng)的影響可忽略不計(jì)。產(chǎn)生振動(dòng)的振源為流體穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng),流體速度的波動(dòng),通過管道或其它連接件傳播的動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)等,橫向流是流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)的主要根源。1)　漩渦脫落誘導(dǎo)振動(dòng)</p><p>　　卡門漩渦頻率按下面的公式確定：</p><p><b>　　=St</b&

58、gt;</p><p><b>　　式子中：</b></p><p>　　——卡門漩渦頻率，Hz</p><p>　　St——斯特羅哈數(shù)，無因次，對于按正三角形與正方形排列的管束，可根據(jù)節(jié)徑比=S/do計(jì)算，St=1/1.16xp，</p><p>　　經(jīng)計(jì)算，所設(shè)計(jì)的換熱器的St =0.6735</p>

59、<p>　　V——橫流速度，m/s</p><p>　　do——換熱管外徑，m</p><p>　　S——換熱管的中心距，m</p><p>　　由此可見，當(dāng)管束直徑一定時(shí)，流速越大，流體誘導(dǎo)頻率越大，當(dāng)漩渦脫落頻率接或等于管束的固有頻率時(shí)，就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。</p><p><b>　　2)紊流抖振　　</b&g

60、t;</p><p>　　紊流抖振是一個(gè)由隨機(jī)力作用的衰減振動(dòng),管子僅在其固有頻率附近產(chǎn)生響應(yīng),振動(dòng)的峰值出現(xiàn)在脈動(dòng)力的主頻率與管子的固有頻率重合之處。脈動(dòng)力的主頻率為：</p><p>　　式中: ———紊流脈動(dòng)的頻率,Hz　　</p><p>　　U———相鄰兩管間的流體平均速度,m/s　　</p><p>　　d0———管子的外

61、徑,m　　</p><p>　　T———管束的橫向管間距,m　　　</p><p>　　L———兩個(gè)連續(xù)管排間的中心線距離,m</p><p>　　紊流脈動(dòng)的頻率范圍較寬且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。由紊流抖振而誘發(fā)的振動(dòng)不很規(guī)律,較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的主要原因,而是產(chǎn)生流體彈性激振的重要因素。</p><p>　　通常認(rèn)

62、為，當(dāng)管子間距較小時(shí)，由于沒有足夠的空間產(chǎn)生漩渦分離，紊流的影響是主要的。當(dāng)管子間距與管徑之比小于1.5時(shí)，漩渦分離一般不會引起管子大幅度振動(dòng)。</p><p><b>　　3)流體彈性激振</b></p><p>　　換熱器內(nèi)密集的管束中,任何一根管子的運(yùn)動(dòng)都會改變周圍的流場。流場的改變則使作用在相鄰管子上的流體發(fā)生相應(yīng)的改變,從而使受力作用的管子發(fā)生振動(dòng),從而進(jìn)一

63、步改變了作用在其中的流體力。一根管子的位移會對相鄰的管子施加流體力而使其也產(chǎn)生位移。這種流體力與彈性位移的相互作用就叫做流體彈性激振。它一般是在已有其它機(jī)理誘發(fā)起管子運(yùn)動(dòng)的情況下產(chǎn)生的。其特點(diǎn)是流體速度一旦超過某一臨界速度值并稍有增加時(shí),振幅即有大幅度增加,若阻尼不太大時(shí),形成的振幅將一直增大到管子互相碰撞。這種振動(dòng)在流體速度減小到遠(yuǎn)低于初始速度時(shí)仍會持續(xù)。</p><p>　　管束發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定時(shí)候的臨界橫

64、流速度可以按下面的公式進(jìn)行計(jì)算：</p><p><b>　　式子中：</b></p><p>　　——質(zhì)量阻尼參數(shù)，無因次，可按公式進(jìn)行計(jì)算；</p><p>　　do——換熱器的外徑，m：</p><p>　　fn——換熱管的固有頻率，Hz；</p><p><b>　　——比例系數(shù)

65、</b></p><p>　　研究表明,流體速度較低時(shí),振動(dòng)可能由漩渦脫落或紊流抖振引起,而在速度較高區(qū)域,誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理主要是流體激振。</p><p>　　5.8.2管束振動(dòng)的計(jì)算</p><p>　　通過以上管束振動(dòng)的分析可知，管子的振動(dòng)與管子的系統(tǒng)的固有頻率、系統(tǒng)的阻尼和流體流動(dòng)特性等因素有關(guān)。在換熱器中，換熱管兩端與管板連接，中間由等間距布置的多

66、個(gè)折流板支撐，但靠近兩端管板的折流板與管板之間的跨距比中間跨距要大。換熱管與管板之間不論采用焊接、脹接或脹接焊接并用，都不能發(fā)生振動(dòng)和位移，因而在固有頻率分析時(shí)可看作剛性固定支撐；管束中間用弓形折流板支撐，管子與折流板管孔之間有很小的的間隙，管子可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能發(fā)生縱向位移，因而可以看作是簡支。換熱管的簡化模型為多跨度梁，因此，求解換熱管的固有頻率歸結(jié)為求解多跨度梁的固有頻率，其理論基礎(chǔ)是梁的橫向振動(dòng)微分方程。</p>&

67、lt;p>　　換熱器管束的管子具有多個(gè)固有頻率，每一種固有頻率對應(yīng)一種不同振型。當(dāng)受其中一種特定頻率的激發(fā)載荷作用時(shí)，就可以發(fā)生某種振型的共振。利用管子兩端的固定條件與管子在中間管子簡支處的連續(xù)條件，求解方程組可得到換熱管的各階固有頻率。影響管子振動(dòng)關(guān)鍵是第一二階的固有頻率。對于多跨直管的固有頻率求解方程相當(dāng)復(fù)雜，為方便計(jì)算，美國的管殼式換熱器制造者協(xié)會設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算公式和振型常數(shù)，將等跨距直管的固有頻率簡化為跨度數(shù)和兩端支撐條

68、件決定的參數(shù)，由下面的式子計(jì)算：</p><p>　　換熱管發(fā)生振動(dòng)的基本條件是各種激振力的頻率等于或接近換熱管的固有頻率。因此，要想有效防振，必須分別算出漩渦脫流頻率f1、紊流抖振頻率f2和管子的固有頻率fn，用下式判斷：</p><p>　　a)當(dāng)殼程流體是氣體或液體時(shí)，0.5<f1/fn<0.6;0.5<f2/fn<0.6;</p><p&

69、gt;　　b)當(dāng)管程流體是氣體或蒸汽時(shí)，0.8<f1/fn<1.2;0.8<f2/fn<1.2;</p><p>　　c)當(dāng)殼程流體是氣體或液體時(shí)，應(yīng)有橫向流速v>。</p><p>　　5.8.3振動(dòng)的防止與有效利用</p><p>　　換熱器內(nèi)流體誘導(dǎo)振動(dòng)的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,能夠有效地防止振動(dòng)的完整的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則尚未建立起來。這就需要在運(yùn)行

70、過程中根據(jù)不同的操作情況,采用不同的措施來防止換熱器的振動(dòng)。振動(dòng)是不可避免的但是輕微的振動(dòng)不但不會帶來損壞,而且還有強(qiáng)化傳熱和減少結(jié)垢的作用。但是強(qiáng)烈的振動(dòng)應(yīng)該采取必要的防振措施以減緩振動(dòng),避免換熱器振動(dòng)破壞。抗振的根本途經(jīng)是激振力頻率盡量避開管子的固有頻率。工程實(shí)踐中常采用以下的抗振措施:</p><p>　　(1)制定合理的開停工程序,加強(qiáng)在線監(jiān)測,嚴(yán)格控制運(yùn)行條件,在流體入口前設(shè)置緩沖板或?qū)Я魍?既可以避免

71、流體直接沖擊管束,降低流速,又可以減小流體脈動(dòng)。</p><p>　　(2)降低換熱器殼側(cè)流體速度是防止管束振動(dòng)的最直接的方法。因?yàn)楫?dāng)傳熱元件的固有頻率不變時(shí),降低流速,可使流體脈動(dòng)的頻率降低,從而避免共振的產(chǎn)生,但同時(shí)傳熱效率也會隨之降低。</p><p>　　(3)提高傳熱元件的固有頻率是防止振動(dòng)的另一個(gè)關(guān)鍵因素,減少跨距與有效質(zhì)量,增加材料的彈性模量與慣性矩,都可以提高傳熱元件的固有

72、頻率。適當(dāng)增大管壁厚度、增大圓管直徑和折流板厚度,折流板上的管孔與管子采用緊密配合,間隙不要過大,可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。</p><p>　　(4)改變管束支撐形式,采用新型的縱向流管束支撐,例如折流桿式、空心環(huán)式、整圓形異形孔折流板,還可以用折流帶或折流棒來代替折流板等。這些方法都可以有效地防止管束振動(dòng)。</p><p>　　（5）在換熱管外表面沿周向纏繞金屬絲或沿軸向安裝金屬條，可抑制周

73、期性漩渦的形成。</p><p>　　5.9.膨脹節(jié)的計(jì)算</p><p>　　=38.2℃，=90℃</p><p>　　=*（）*N=0.785*（）*246=0.0434</p><p>　　=Ds=3.14*0.7*0.008=0.0176</p><p><b>　　==161000N</b&

74、gt;</p><p>　　Q=*[(-246*)*+246*(0.025-2*0.008)]=264092N</p><p>　　壓力作用于殼體上引起的軸向力==76197N</p><p>　　壓力作用于管子上引起的軸向力==187895N</p><p>　　則==0.62MPa﹤2</p><p>　　==13

75、.48MPa﹤2</p><p>　　條件成立，故本換熱器不必使用膨脹節(jié)</p><p><b>　　§六.設(shè)計(jì)結(jié)果表匯</b></p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表</p><p><b>　　§七.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[

76、1] 夏清，姚玉英,陳常貴,等. 化工原理[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2001</p><p>　　[2] 華南理工大學(xué)化工原理教研組. 化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，1996</p><p>　　[3] 刁玉瑋,王立業(yè). 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（第五版）[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社, 2000</p><p>　　[4] 大連理工大學(xué)化

77、工原理教研室．化工原理課程設(shè)計(jì)[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，1996</p><p>　　[5] 魏崇光，鄭曉梅. 化工工程制圖[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1998</p><p>　　[6] 婁愛娟,吳志泉. 化工設(shè)計(jì)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2002</p><p>　　[7] 華東理工大學(xué)機(jī)械制圖教研組. 化工制圖[M]. 北京：高等教育出版

78、社，1993</p><p>　　[8] 王靜康. 化工設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版，1998</p><p>　　[9] 傅啟民. 化工設(shè)計(jì)[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2000</p><p>　　[10] 董大勤. 化工設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1999</p><p>　　[11] GB 151-1

79、999管殼式換熱器</p><p>　　[12] JB/T 4715-92 固定管板式換熱器與基本參數(shù)</p><p>　　[13] 靳明聰. 換熱器[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，1990</p><p>　　[14] 蘭州石油機(jī)械研究所. 換熱器[M]. 北京：烴加工出版社，1986</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)之心得&

80、lt;/b></p><p>　　兩周的化工原理課程設(shè)計(jì)終于落幕了，此次設(shè)計(jì)，感觸良多。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)雖然是團(tuán)隊(duì)合作，但是每個(gè)人的學(xué)習(xí)狀況不同，基本上都是先由個(gè)人參考文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后匯總起來，修改完善。</p><p>　　剛拿到設(shè)計(jì)的要求時(shí)，一片茫然，上學(xué)期剛學(xué)過的知識基本上都忘了，所以還得復(fù)習(xí)，還要參考其它資料，深入學(xué)習(xí)。此外，設(shè)計(jì)又是高

81、于理論的一個(gè)層次，既要有理論基礎(chǔ)，還要實(shí)際的操作流程和設(shè)計(jì)圖。非常具有挑戰(zhàn)性。</p><p>　　剛開始照著書上的步驟假設(shè)，計(jì)算，驗(yàn)證，由于計(jì)算內(nèi)容太多，老是出錯(cuò)，算了一次，又要重新再算，碰了好幾次壁，終于初步有了設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，第一步終于完成了。</p><p>　　初次見到往屆學(xué)生的課程設(shè)計(jì)所繪的圖紙，我感到很震驚！本來自己的工圖基礎(chǔ)不怎么樣，看到那么大的一個(gè)圖，還要仔細(xì)標(biāo)注每一個(gè)細(xì)枝末

82、節(jié)，還要有很多的剖開或放大的局部零件，太復(fù)雜了，需要太大的工作量了。</p><p>　　當(dāng)我落實(shí)到圖紙上的時(shí)候，我再一次遇到挫折感，零件尺寸的確定、繪制的簡潔美觀、局部細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性，還有眼力、筆力、精力的多重考驗(yàn)，真的，既是體力活，又是腦力活啊。我相信，多付出點(diǎn)時(shí)間，我也能畫的很美觀。</p><p>　　把自己設(shè)計(jì)的內(nèi)容寫在電腦上更有挑戰(zhàn)，公式和數(shù)據(jù)的寫入有著不同的方法，打字倒是非常輕