换热器课程设计本科论文.doc

换热器课程设计说明书学院： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 目录1.换热器课程设计任务书11.1、设计题目：11.2、操作条件：11.3、设备型式：11.4、设计要求：12.热交换器设计方案的确定12. 1管壳式换热器的简介12.1.1工作原理22.1.2分类22.1.3主要技术特性：32.2 试算并初选换热器规格32.2.1流体流动途径的确定32.2.2设备材料的选择33. 换热器热力计算33.1 确定物性数据43.2 计算总传热系数43.2.1 热流量43.2.2 平均传热温差53.2.3 冷却水用量53.2.4 总传热系数53.3 传热面积的计算64 .工艺结构尺寸64.1管数和传热管数64.2平均传热温差校正及壳程数74.3 传热管排列和分程方法74.4壳体内径74.5折流板数84.6接管85.换热器校核设计85.1 热量核算85.1.1壳程对流传热系数85.1.2管程对流传热系数95.1.3传热系数K105.1.4传热面积S105.2 换热器内流体的流动阻力105.2.1管程流动阻力105.2.2壳程阻力116.设计结果汇总表127.换热器示意图、管子草图、折流板13.参考资料14设计总结15 前言 在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，成为热交换器。热交换器在工业生产中的应用极为普遍，制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是热交换器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用热交换器的场合更是不胜枚举。根据热交换器在生产中的地位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说，对其基本要求有： （1）满足工艺过程所提出的要求。热交换强度高，热损失少。在有利的平均温度下工作。 （2）要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠。 （3）设备紧凑。这对大型企业，航空航天、新能源开发和余热回收装置更有重要意义。 （4）保证低的流动阻力，以减少热交换器的消耗。管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。1.换热器课程设计任务书1.1、设计题目：设计一台换热器1.2、操作条件：1、热水：入口温度81，出口温度64。运行压强：8.5bar2、冷却介质：水，入口温度23。出口温度：40 运行压强：2.2bar 4、运行流量:38t/h1.3、设备型式：管壳式换热器1.4、设计要求：1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。3、设计校核计算4、设计结果概要。5、参考文献。2.热交换器设计方案的确定2. 1管壳式换热器的简介管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。2.1.1工作原理管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。2.1.2分类1.固定管板式换热器结构特点：两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构的壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，会使管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。2.浮头式换热器结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。3.U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。缺点：管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束内程管间距大，壳程易短路；内程管子损坏不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。4.填料函式换热器填料函式换热器的特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。缺点：填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。由于此次换热介质是水，易结垢，综上所述，此换热器采用浮头式换热器2.1.3主要技术特性：一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：1、耐高温高压，坚固可靠耐用；2、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟；3、选材广泛，适用范围大。2.2 试算并初选换热器规格2.2.1流体流动途径的确定本换热器处理的是两流体均都是水，根据两流体的情况，为了减少热量损失，影响换热条件，故选择高温水走换热器的管程，低温水水走壳程。2.2.2设备材料的选择一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 碳钢： 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 不锈钢：奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。此次换热器介质是都是水，无腐蚀性，所以选用碳钢材料3. 换热器热力计算3.1 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值管程热水的定性温度为： 壳程冷却水的定性温度为： 根据定性温度，查得：热水在72.5下的有关物性数据如下： 密度 = 976.3kg/定压比热容 =4.191 kJ/(kg·K)导热系数 =0.671W/(m·K)黏度 =0.39×10-3Pa·s冷却水在35下的有关物性数据如下： 密度 =955.2kg/定压比热容 =4.174 kJ/(kg·K)导热系数 = 0.6265 W/(m.K)黏度 =0.78×10-3Pa·s3.2 计算总传热系数3.2.1 热流量 (3-1) =38000×4.191×(81-64) = 2706740kJ/h 式中： -定压比热容mi-物体质量 ti-热水温差3.2.2 平均传热温差由于所以 =413.2.3 冷却水用量 Kg/h (3-2)3.2.4 总传热系数根据经验值取管内流速为1.5m/s 管程传热系数： (3-3) Pr = (3-4) 流体被冷却n=0.3 = =7168W/(·)壳程传热系数：假设壳程的传热系数 W/(·)污垢热阻 W/(·) W/(·)管壁的导热系数 .4 W/(·)故 = = 658/(·)3.3 传热面积的计算 S = （） (3-5)K-总传热系数Qi-热流量考虑15%的面积裕度，S=1.15×S=1.15×100.33=115.38（）4 .工艺结构尺寸4.1管数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数 = (4-1)=根按单管程计算，所需的传热管长度为：L = =63.69m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l = 9m，则该换热器的管程数为:N=(管程)传热管总根数为：N=234.2平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R =1式中： TW-热流体温降 TN-冷流体温升 P =1式中： TA-温降差TB-温升差按单壳程，七管程结构，温度校正系数查表得： =0.93平均传热温差 = 4.3 传热管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。取管心距 t=1.25（焊接法），则t=1.2525=31.25 mm 32 （mm）横过管束中心线的管数 4.4壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：D=1.05t =1.0532=509.56（mm）圆整可取D=510mm。4.5折流板数采用弓形折流板，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=0.25510=127.5（mm）， 故可取h=130mm 。取折流板间距B=0.3D,则 B=0.3510=153（mm），可取B为150mm 。折流板数 N=-1=59（块）式中： 9000-传管管长150-折流板间距折流板圆缺面水平装配。4.6接管壳程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.7m/s,则接管内径为： =0.093（m）取标准管径为 90 mm 。管程流体进出口接管:取接管内流速为u=5m/s,则接管内径为：0.052（m）取标准管径为 50 mm5.换热器校核设计5.1 热量核算5.1.1壳程对流传热系数 对圆缺形折流板,可采用克恩公式：=0.36 (5-1) 当量直径，由正三角形排列得d=0.020（m）壳程流通截面积：=BD(1-)=0.150.51 (1-)=0.017（m） (5-2)壳程流体流速及其雷诺数分别为=0.28（m/s） (5-3) (5-4) (5-5)黏度校正（）=0.95 = =15220W/( m·)5.1.2管程对流传热系数= =0.00722（m）=（m/s） 5.1.3传热系数K (5-6) =709.7W/(·)5.1.4传热面积S S =（m） (5-7)该换热器的实际传热面积（m）该换热器的面积裕度为 H =该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.2 换热器内流体的流动阻力5.2.1管程流动阻力 (5-8)由Re=74098，传热管相对粗糙度，得，流速=1.47（m/s）， kg/，所以=Pa= Pa故 Pa 8.2bar管程流动阻力在允许范围之内。5.2.2壳程阻力 (5-9)流体流经管束的阻力 (5-10) F=0.4（正方形错列） Pa流体流过折流板缺口的阻力 B=0.15m ，D=0.51 m Pa总阻力 Pa < 2.2bar壳程流动阻力也比较适宜。符号说明英文字母B 折流板间距，m； N管程数；C 系数，无量纲； Nu 努塞尔特准数；d 管径，m； Qi 热流量 ；kJ/hD换热管外壳内径，m P 压力，Pa；因数f 摩擦系数； Pr 普兰特准数；F 系数； R 热阻，(·) / W；h 圆缺高度，m； Re 雷诺准数；K 总传热系数，w/ m； S 传热面积，m；L 管长，m； t 冷流体温度，；m程数 T 热流体温度，；N折流板数 u 流速，m/s； 指数、单程管数。 W 质量流量，kg/s； 希腊字母对流传热系数，w/m； 有限差值；导热系数，w/m； 密度，kg/； 粘度，Pa·s； 校正系数。下标c 冷流体； h 热流体；i 管内； m 平均；o 管外； s 污垢。6.设计结果汇总表换热器型式： 管板式换热器换热面积/m2 115.38工艺参数名称管程壳程物料名称高温水冷却水操作压力bar不大于8.5不大于2.2操作温度（进/出）/81/6423/40流量/(kg/h)38000 38194流体密度/(kg/m3)976.3 955.2流速/(m/s)1.470.28传热量/kW 2706.74总传热系数/W/(m2·K) 797.7对流传热系数/W/(m2·K)857215220污垢热阻/m2·K/ W 0.000172 0.000334阻力降/Pa182683 17706.2程数7 1推荐使用材料碳钢 碳钢管子规格25×2.5管数 161管长/mm 9000管间距/mm 32排列方式 正三角形折流板型式（上下）间距/mm 150 切口高度 25壳体内径/mm 510传热面积裕度/% 12.47.换热器示意图、管子草图、折流板7-1换热器示意图 7-2折流板示意图 7-3 管子排列图 参考资料1. 热交换器设计手册（上、下），日尾花英朗著，徐忠权译，石油工业出版社，1981. 2. 化工设备设计手册（1），材料与零部件(上)，化工设备设计手册编写组编，上海人民出版社，1973.10 3. 换热器设计手册，钱颂文主编，北京：化学工业出版社，2002.8 4. 机械设计手册 5. 热交换器原理与设计（2版），史美中主编，南京：东南大学出版社，2003.8 6. GB151-1999，管壳式换热器标准及其释义 7. JB/T4700-4707-2000，压力容器法兰 8. JB/T4746-2002，钢制压力容器用封头 9. HG2059220635-2009，钢制管法兰、垫片、紧固件 10. GB16749-1997，压力容器波形膨胀节 设计总结 通过这次课程设计，我对所学的专业知识和专业相关知识有了更系统的掌握，而且我从设计中也学习到了很多新知识。现在我已经基本掌握了换热器设计的基本程序和设计构思，当然在设计中也走了不少弯路。从错误中吸取经验和教训，保证以后不再犯类似错误。经验丰富了，知识也就成熟了。随着课程设计的不断深入，我也逐渐发现自己所学的专业知识不够用，对换热器的了解并不透彻，总之有许多不足。通过这次设计，我确实提高了各方面的能力，增长了许多知识，积累了丰富的经验。我发现在设计过程中应注重学习原有的例子，将课本和参考资料用好，同时，设计应该与现实相结合，懂得变通。使自己设计的东西可以真正的达到最高的性价比，发挥最大作用。14