武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书.docx

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1、武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 学号：01211 课程设计 题目船舶柴油机高温淡水冷却器设计 学院能源与动力工程学院 专业能源动力系统及自动化 班级 姓名 指导教师 2022年 1 月17日 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位：能源与动力工程学院 题目:船舶柴油机高温淡水冷却器设计 初始条件： （1）高温淡水进口水温为：85； （2）高温淡水出口水温为：72； （3）高温冷却淡水流量为：58m3/h； （4）低温淡水进口水温为：33； （5）低温淡水出口水温为：45； （6）允许最大压力降：0.1Mpa； （7）冷却器结构类型：壳管式换热器或板式换热器任选其

2、一。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要 求） 1编制设计书1份，内容包括： （1）设计依据； （2）设计原理； （3）设计步骤； （4）热力计算过程（采用平均温差法或传热有效度_传热单元数法）； （5）阻力计算过程等。 2设计图纸（选做）：1）外形结构图（2号图纸）；2）流体流程图（3号图纸）。 3.设计说明书撰写严格按照附件中的格式书写要求执行。 时间安排： 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 摘要 船舶柴油机高温淡水冷却器被广泛的应用在油轮，液化气船，集装箱船，散货船和工程船上，在船舶的航行过程中起到重要的作用。是提高船舶能源

3、利用率的主要设备之一，随着国内对于工业企业提高能效、降低能耗要求的日趋迫切，传热系数高，抗结垢能力强，显著提高热能利用效率，实现小温差传热，节能降耗的高效换热器必将成为加快国内节能减排的利器之一。 本文根据设计要求，选取一台1-2型固定管板式管壳换热器，采用逆流布置，管侧走冷流体，壳侧走热流体。采用平均温差法设计换热器，利用热平衡方程和传热方程计算传热量、传热面积。首先，假定换热系数以及管道中流体流速，根据已知条件以及相应的国家标准设计出一台结构确定的换热器；再由设计出来的换热器计算其传热系数，并与假定的比较；然后由实际的传热系数计算出所需要的传热面积，进而校核传热系数、传热面积、管程和壳程的

4、压力降。 学习、研究、设计换热器，能够增强对所学专业的热爱，加深对工程热力学及传热学相关知识的理解，有助于今后的理论研究。 关键词：固定管板式换热器平均温差法压力降结构设计 主要符号表 1t 高温淡水进口水温.0C 1t 高温淡水出口水温.0 C v q 高温冷却淡水流量.3 /m h 2t 低温淡水进口水温.0C 2t 低温淡水出口水温.0C P ? 允许最大压力降. a Mp m1t 高温冷却淡水（壳程）的定性温度.0C 1c p 高温冷却淡水比热.0/()kJ kg C 1 高温冷却淡水密度.3/kg m 1 高温冷却淡水动力粘度./(m )W s 1 高温冷却淡水导热系数.0/(m )

5、W C 1Pr 高温冷却淡水普朗特数 2m t 低温淡水（管程）的定性温度.0C 2c p 低温淡水比热. 0 /()kJ kg C 2 低温淡水密度.3 /kg m 2 低温淡水动力粘度./(m )W s 2 低温淡水导热系数.0 /(m )W C 2Pr 低温淡水普朗特数 热损失系数 Q 传热量.kW 12M M 、 高、低温水质量流量./kg s 1,m c t ? 逆流时对数平均温差.0C ? 温差修正系数 m t ? 有效平均温差.0C K 初选传热系数.20/(m )W C F 估算传热面积.2 m 2 管程内水的流速./m s t A 管程所需流通截面.2 m n 每程管数.根

6、l 每根管长.m s 管心距.mm l E 分程隔板槽处管中心距.mm p s 平行于流向的管距.mm n s 垂直于流向的管距.mm n t 总管子数 F 传热面积.2 m L D 管束外缘直径.m S D 壳体内径.m 2D 管程接管直径.m 2Re 管程雷诺数 2 管程换热系数 h 折流板缺口高度.m l s 折流板间距.m b N 折流板数目.块 H d 折流板上管孔直径.m b D 折流板直径.m wg A 折流板缺口面积.2 m C F 错流区内管数占总管束的百分比 wt A 缺口处管子所占面积.2 m b A 流体在缺口处流通面积.2m c A 流体在两折流板间错流流通截面.2

7、m S A 壳程流通截面积.2 m 1D 壳程接管直径.mm C N 错流区管排数.排 CW N 每一缺口内的有效错流管排数.排 E N 旁流通道数 SS N 旁通挡板数.对 bp F 错流面积中旁流面积所占分数 tb A 一块折流板上管子和管孔泄露面积.2 m Sb A 折流板外缘与壳内壁之间泄露面积.2m 1Re 壳程雷诺数 H j 理想管束传热因子 C j 折流板缺口校正因子 l j 折流板泄露校正因子 b j 旁通校正因子 o j 壳程传热因子 S G 壳程质量流速.2 /()kg m S ? w t 壳侧壁面温度.0 C 1W 壳侧壁温下水的动力粘度./()kg m S ? 1 壳程

8、换热系数.20/(m )W C ? r s 水垢热阻.02(m )/W C ? K 传热系数.20/(m )W C ? F 传热面积.2 m 1w t 检验壳侧壁温.0C i f 管内摩擦因子 2w t 管侧壁温.0C 2w 管侧壁温下水的动力粘度./()kg m S ? i P ? 沿程阻力.a P r P ? 回弯阻力.a P N P ? 进出口连接管阻力.a P t P ? 管程总阻力.a P k f 理想管束摩擦系数 bk P ? 理想管束错流段阻力.a P wk P ? 理想管束缺口处阻力.a P R b 旁路校正系数 R l 折流板泄露校正系数 R s 折流板间距不等的校正系数 S

9、 P ? 壳程总阻力.a P 目录 第1章绪论. - 1 - 1.1 换热器的概述. - 1 - 1.2 换热器的分类. - 1 - 1.3 固定管板式换热器简介. - 2 - 1.4 设计前换热器的选型以及前期的准备. - 2 - 1.4.1 换热器的选型. - 2 - 1.4.2 壳程流体和管程流体的选取. - 3 - 1.4.3 壳程数与管程数的选择. - 3 - 第2章设计计算的基本公式和设计步骤 . - 4 - 2.1 热计算的基本方程. - 4 - 2.1.1 传热方程式. - 4 - 2.1.2 热平衡方程式. - 4 - 2.1.3 平均温差. - 5 - 2.2 固定管板式热

10、交换器的设计步骤. - 5 - 第3章固定管板式换热器的初步设计 . - 6 - 3.1 原始数据. - 6 - 3.2 确定物性参数. - 6 - 3.2.1 定性温度. - 6 - 3.2.2 物性参数. - 6 - 3.3 传热量及平均温差的计算. - 7 - 3.4 传热面结构设计. - 8 - 3.4.1 估算传热面积. - 8 - 3.4.2 传热管束的选取. - 8 - 3.4.3 管束布置. - 9 - 3.4.4 拉杆的选取. - 10 - 3.5 壳程结构设计. - 10 - 3.5.1 初步估算壳内径. - 10 - 3.5.2 折流板设计. - 10 - 第4章校核传热

11、系数及传热面积 . - 12 - 4.1 管程换热系数计算. - 12 - 4.2 壳程换热系数计算. - 12 - 4.3 计算传热系数. - 15 - 第5章阻力计算 . - 17 - 5.1 管程流体阻力. - 17 - 5.2 壳程阻力计算. - 18 - 第6章设计小结 . - 21 - 参考文献. - 22 - 附录. - 23 - 第1章绪论 1.1 换热器的概述 换热器在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。此外，换热器也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。在

12、工业生产中，船舶柴油机的高温淡水冷却器，电厂热力系统中的冷水塔，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、冷凝器等都是热交换器的应用实例。在各个生产领域中，要挖掘能源利用的潜力，做好节能减排，必须合理组织热交换过程并利用和回收余热，这往往和正确地设计与使用热交换器密不可分，本文的设计正是基于此。 1.2 换热器的分类 换热器按用途可分为预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等;根据流体流动方式可分为顺流式、逆流式、错流式及混流式;根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分三大类:混合式、蓄热式和间壁式。 混合式换热器依靠冷、热流体直接接触进行传热，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只

13、要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡是允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗漆与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。 蓄热式换热器内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等彻成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行:第一阶段，高温气体通过火格子，将热量传给火格子而蓄起来。第二阶段，低温气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当高温气体进入一器时，低温气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂

14、化炉。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换，因此又称表面式换热器。这类换热器的应用最为广泛。间壁式换热器根据换热面的结构形式不同可分为管式换热器、板式换热器以及其他类型换热器。 1.3 固定管板式换热器简介 固定管式换热器是管式换热器的一种，它主要由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成，壳侧流体与管侧流体通过管束壁面进行传热。管束可以采用光管、螺纹管、翅片管及波节管等各种管形式，同时也可采用管内插入物等手段强化传热，并在成本较低的情况下获得传热均句，传热系数较大的效果。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

15、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，传热系数大。正方形排列时管外清洗方便，适用于易结垢的流体。图1-1为固定管板式换热器的结构图。 图1-1 固定管板式换热器 1.4设计前换热器的选型以及前期的准备 1.4.1 换热器的选型 固定管板式换热器作为管壳式换热器中应用最广泛的换热器之一，结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围

16、广，故在工程上广泛应用。故选用固定管板式换热器。 1.4.2壳程流体和管程流体的选取 由于两程流体均为液态淡水，无毒、没有腐蚀性，不用考虑粘性，对材质没有什么特殊的要求，而且淡水易清洁，其对流传热系数与流速关系较小，同时两程温差、压力相差不大。故综合考虑下安排高温淡水通入壳程以便于被冷却，用于冷却的低温淡水则走管程。 1.4.3 壳程数与管程数的选择 根据初算换热面积和管程流通截面积，选取一台1-2型固定管板式换热器。 第2章 设计计算的基本公式和设计步骤 2.1 热计算的基本方程 热交换器的热计算主要目的在于找到热负荷和流体的进出口温度、传热系数、传热面积以及这些量之间的关系式，其中常用的基

17、本关系式有两个，即传热方程式和热平衡方程式。 2.1.1 传热方程式 在工程中，常用的传热方程式的基本形式是 m t KF Q ?= （2-1） 式中： Q 热负荷，W ； F 传热面积，m 2； ?t m 两种流体之间的平均温度，。 2.1.2 热平衡方程式 如果不考虑散至周围环境的热损失，则冷流体所吸收的热量就应该等于热流体所放出的热量。这时的热平衡方程式可写为： 11112222()()p p Q c M t t c M t t =-=- （2-2） 实际上任何热交换器都有散向周围环境的热损失，这时热平衡方程式就可写成： 11112222()()p p Q c M t t c M t t

18、 =-=- （2-3） 式中：M 1、M 2分别为热流体与冷流体的质量流量，kg/s ； t 1、t 2分别为热流体与冷流体温度0C ，其右上角“”代表流体的进口状态，“”代表流体的出口状态； 以放热量为准的对外热损失系数，通常为0.970.98。 2.1.3 平均温差 流体在热交换器内的流动形式有顺流、逆流、混流和错流等，其中以顺流和逆流最为简单。顺流和逆流情况下的平均温差为： max min 1,max min ln m c t t t t t ?-?= ? （2-4） 计算其他流动方式的平均温差时，先按顺流和逆流形式计算出平均温差，再乘以相应的修正系数即可。 2.2固定管板式热交换器的设

19、计步骤 管壳式热交换器的一般设计步骤为： （1） 根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定热交换器的型式； （2） 确定定性温度，并查取物性数据； （3） 由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量； （4） 选择壳体和管子的材料； （5） 选定流动方式，确定流体的流动空间； （6） 求出平均温差； （7） 初选出传热系数，并初算传热面积； （8） 设计热交换的结构； （9） 管程换热计算及阻力计算； （10）壳程换热计算； （11）校核传热系数和传热面积； （12）核算壁温； （13）计算壳程阻力，使之小于允许压降； （14）绘制正式图纸、编写材料表等。 以上一些步骤可以根据设计时的具体情况进行适当调整，对设计结果应进行分析，发现错误及时纠正，保证结果的准确。