换热器课程设计说明书.docx

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 换热器原理与设计 课程设计计算说明书设计题目换热器原理与设计课程设计学院（系）：机电工程学院专 业： 能源与动力工程班 级：姓 名：学 号：指导老师：完成日期：新 余 学 院目 录第一部分 确定设计方案31.1选择换热器的类型31.2流动空间及流速的确定3第二部分 确定物性数据4第三部分 工艺流程图5第四部分 计算总传热系数64.1热负荷的计算64.2平均传热温度64.3估K值64.4由K值估算传热面积64.5冷却水用量7第五部分 换热器工艺结构尺寸85.1 管径，管长，管数85.2管子的排列方法85.3 壳体内径的计算95.4折流板95.5 计算壳程流通面积及流速105.6计算实际传热面积115.7传热温度差报正系数的确定115.8管程与壳程传热系数的确定115.9传热系数K0的确定135.10传热面积135.11附件135.12换热器流体流动阻力14第六部分 设计结果17第七部分 总结18第八部分 主要参考文献20第九部分 附录21【精品文档】第 15 页第一部分 确定设计方案1.1选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度130，出口温度40。冷流体进口温度30，出口温度40。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差很大，因此初步确定选用浮头式列管换热器，而且这种型式换热器管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体约束。1.2流动空间及流速的确定 由于煤油的粘度比水的大，井水硬度较高，受热后易结垢，因此冷却水走管程，煤油走壳程。另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.75m/s。 第二部分 确定物性数据定性温度：可取流体进、出口温度的平均值。 壳程煤油的定性温度为： T=(130+40)/2=85管程冷却水的定性温度为：t=(30+40)/2=35 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 煤油在90下的有关物性数据如下： 密度 o= 810kg/m3定压比热容 cpo=2.3kJ/(kg·)导热系数 o=0.13W/(m·)粘度 o=0.00091 Pa·s冷却水在32下的物性数据： 密度 i=994kg/m3定压比热容 cpi=4.187kJ/(kg·)导热系数 i=0.626 W/(m·)粘度 i=0.000727 Pa·s第三部分 工艺流程图第四部分 计算总传热系数4.1热负荷的计算以煤油为计算标准算它所需要被提走的热量：Q=qct=2.39×108330×24x2.22x（130-40）=7.034x106KJ/h=1953.8KW4.2平均传热温度计算两流体的平均传热温差，暂按单壳程、多管程计算。逆流时： 煤 油：13040， 自来水：4030，从而，tm=90-10ln(9010)=46.25,此时，P=40-30130-30=0.10， R=130-4040-30=9.00，由公式易算得=0.84>0.8,符合要求。4.3估K值估算传热系数为450 W/(m2·)4.4由K值估算传热面积取传热系数为450 W/(m2·)，则由公式可得传热面积为Ap=1953.8×103450×46.25=93.88m24.5冷却水用量忽略热损失，由公式易得，冷却水用量为： Q=1953.84.174×（35-25）=46.81kg/s=168516kg/h。第五部分 换热器工艺结构尺寸 已知两流体允许压降均不大于35KPa，与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水易结垢，会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应该让循环自来水走管程，煤油走壳程。5.1 管径，管长，管数 列管式换热器内的适宜流速范围则初步选择25×2.5mm的碳钢管，管内径di=25-2.5x2=20mm，管内流速取ui=1.2m/s。 ns=qv4di2ui  = 46.81/995.70.785×0.022×1.2 =124.8125 根按单管程计算，所需的传热管长度为L= Apdons = 93.883.14×0.025×125=9.58m。若按照单管程设计，则管长过长，不宜使用，故采用多管程设计。取传热管长为5m，则换热器管程数应为Np=2，传热管总数为Nt=125×2=250根。5.2管子的排列方法 管子在管板上的排列方式最常用的如下图（a）（b）（c）（d）所示，包括正三角形排列（排列角为300）、同心圆排列、正方形排列（排列角为900）、转角正方形排列（排列角为450）。当管程为多程时，则需采取组合排列，如下右图。 采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。换热管中心距查表如下（mm）：则横过管束中心线的管束为n=1.1NT=1.1250=17.3918。5.3 壳体内径的计算采用多管程设计，取管板利用率为=0.7，则壳体内径为D=1.05tNT=1.05×32×2500.7=634.9mm按卷制壳体的进级档可取D=700mm。5.4折流板 折流板间距多为100mm，150mm，200 mm，300mm，450 mm，600 mm，800 mm，1000 mm。 折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，如下表（mm）：支承板厚度一般不应小于上表数据，支承板不允许的最大间距参考下表：经选择，采用弓形折流板，取弓形折流圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=25%×700mm=175mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×700mm=210mm，可取B=200mm，因而查表可得，折流板厚度为5mm，支承板厚度为8mm，支承板允许不支承最大间距为1800mm。折流板数为Nb=5000200-1=24块。折流板圆缺面水平装配。5.5 计算壳程流通面积及流速壳程流通截面积：So=0.0306壳程流体最小流速为： =0.33m/s。5.6计算实际传热面积该换热器的实际传热面积为：Sp=3.14×0.025×5.0×250 =98.125m25.7传热温度差报正系数的确定P=40-30130-30=0.10， R=130-4040-30=9.00，查温差校正系数图=0.84>0.8,符合要求。5.8管程与壳程传热系数的确定管程传热系数： 管道流通面积： Si=0.785×0.022×125=0.0393m2 管程流体最小流速： ui=雷诺准数为Rei=普兰特准数为：Pri= 管内表面传热系数： W/m2壳程传热系数： 对圆缺形的折流板，可采用克恩公式：计算壳程当量直径，由正三角形排列可得：=0.020m雷诺准数为：Reo=普兰特准数为：Pro= Nu=0.36。物料被冷却，粘度校正取1， 将数值代入上式：Nu=112.08=784.57W/m25.9传热系数K0的确定根据冷热流体的性质及温度，选取污垢热阻：管外侧污垢热阻：Rsi=0.00058m2/W ，管内侧污垢热阻：Rso=0.00017 m2/W管壁的导热系数： =45 m2/W管壁厚度： b=0.0025内外平均厚度： dm=0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得 = =595.24W/m25.10传热面积由K0计算传热面积5.11附件水泵，电动调节阀，蝶阀。5.12换热器流体流动阻力因为壳程和管程都有压力降的要求，所以要对壳程和管程的压力降分别进行核算。5.12.1管程流动阻力核算管程压力降的计算公式为：Fs已知此情况下Rei=29734，为湍流。取绝对粗糙度查另外，式子中：壳程数Ns=1管程数Np=2代入公式中，有：Fs=（6231+2136）×1×2×1.5=25101Pa<35kpa，故符合要求。5.12.2壳程流动阻力 由于壳程流体的流动状况比较地复杂，所以计算壳程流体压力降的表达式有很多，计算结果也相差很大。下面以埃索法计算壳程压力降：壳程压力降埃索法公式为：流体横过管束的压力降，Pa；流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa；Fs壳程压力降的垢层校正系数，无因次，对于液体取1.15，对于气体取1.0；Ns壳程数；而=0.656，nc=1.1×2500.5=17.39，NB=24,uo=0.33m/s。代入数值得：=0.5×0.656×17.39×25××=5139.4Pa而，其中h=0.2m，d=0.7m，NB=29,D壳径，mh折流挡板间距，mdo换热器外径，m代入数值得： =24×（3.5-）× =2634.5Pa对于液体=1.15，于是我们有：=1.15×1×（5139.4+2634.5）=8939.9Pa<35kpa。经过以上的核算，管程压力降和壳程压力降都符合要求。第六部分 设计结果换热器型式：浮头式列管换热器换热器面积（）：93.88工艺参数名称管程壳程物料名称水煤油操作压力，Pa251018939.9进、出口温度，30/40130/40流量，kg/h6877717000流体密度，kg/997.7825.0流速，m/s1.1960.330传热量，kw1953.8总传热系数，w/·k595.24对流传热系数，w/·k5240494污垢系数，·k/w0.000580.00017阻力将，Pa6523012841程数41使用材料碳钢碳钢管子规格.5管长，mm5000管间距，mm200排列方式正三角形壳体内径，mm700管数，根250第七部分 总结列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型，由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。   流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较在相同直径下面积较大，制造较简单，最后一道壳体与管板的焊缝无法检测。它的优点是：（1）传热面积比浮头式换热器大20%30%；（2）旁路漏流较小；（3）锻件使用较少，成本低20%以上；（4）没有内漏。它的缺点； （1）壳体和管子壁温差t<50,当t>50时必须在壳体上设置膨胀节；（2）管板与管头之间易产生温差应力而损坏；（3）壳程无法机械清洗；（4）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，相对较低；（5）壳程不适用于易结垢场合。第八部分 主要参考文献1 换热器原理与设计教学书2 王志魁 .化工原理，化学工业出版社，20063 潘永亮 .化工设备机械基础，科学出版社，20064 任晓光 .化工原理课程设计手册S.第三版,北京：化学 工业出版社，20055 柴诚敬主编，化工原理课程设计，天津大学出版社，20026 谭天恩，麦本熙，丁惠华编著，化工原理（上、下册），化工出版社，19987 王莲琴编，物性数据的计算与图表，化工出版社，19928 国家医药管理局上海医药设计院编，化工工艺手册，上、下册，化工出版社，19869 华南理工大学教研室编，化学工业出版社，198610 王荷琴，化学工程手册，化学工业出版社，198211 天津大学化工原理教研室编,化工原理天津大学出版社. （1999）12 秦叔经、叶文邦等 ，换热器化学工业出版社（2003）13 谭天恩、窦梅、周明华等，化工原理（第三版）上、下册化学工业出版社（2006）14 华南工学院化工原理教研室,化工过程及设备设计（1987）15 贾绍义等， 化工原理课程设计天津大学出版社（2003）第九部分 附录重要符号说明符号意义单位T温度Q热负荷Wq质量流量Kg/sC定压比热容J/（Kg·）A面积m2管长mmK传热系数W/( m2·)u流体流速m/sa管心距mmD壳体内径mmh切去圆缺高度mm折流板数块B相邻折流板间距mm对流传热膜系数W/( m2·)流体导热系数W/( m·)管外径mm管内径mm当量直径mmR污垢热阻( m2·)/W