卓越班精选-《工程热力学与传热学》课程设计说明书(共27页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上学 号： 课 程 设 计题 目 换热器设计学 院能源与动力工程学院专 业能源与动力系统及自动化 班 级能动zy1401 姓 名指导教师胡甫才2013年09月13日 专心-专注-专业 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 能动zy1401 指导教师： 胡甫才 工作单位： 能动学院热能系 题 目:换热器设计 初始条件：(1) 空调供暖热水用量为： 30t/h；(2) 空调供暖用水出口水温为：60(3) 空调供暖用水进口水温为：85(4) 热水锅炉的进口水温为：70；(5) 热水锅炉的出口水温为：95；(6) 允许最大压力降：0.1 MPa。要求完成的主要任务: （包括课程

2、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；(6) 其它（包括密封垫片类型，框架支撑形式，流程与接管方位等） 2图纸（至少画1张图纸）：1)安装图或外形结构图（2号）；2)流体流程图（3号）； 3. 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：序号内 容所用时间1熟悉设计任务书、指导书、收集资料8学时2热力和阻力计算等16学时3换热面积计算等8 学时4部分结构设计计算和绘图等20学时5设计说明书整理7学时6

3、答辩1学时合 计60学时指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要在现代工业生产中，套管式换热器是应用最广泛的换热器之一。其主要作用是使热量从温度较高的流体流向温度较低的流体，从而达到相应的工艺指标。本文是采取平均温差的方法设计换热器。根据经验先假设相应的传热系数以及流体在管道内的流速。然后通过选取规定的换热器对所假定的传热系数进行校核和对流体流速的修正。然后再校核其压力降是否符合设计要求，进行相应的计算和对选取换热器的修改，最后确定所需的换热器型号。关键词：套管式换热器 传热系数 流速 压力降1. 绪论1.1换热器概述换热器是在现代工业生产中被广泛应用的传热设备

4、之一。随着现代对于节能的要求的提高，换热器的种类也越来越多。而目前应用最多的两种换热器分别为套管式换热器和板式换热器。而我选择设计的为套管式的换热器。套管式换热器按结构形式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等多种。通常管壳式换热器的工作压力可达4兆帕，工作温度在200以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般管子直径在1800mm以下，长度在9000mm以下，在个别情况下还有其他特殊的换热器。而这次我设计的流量为30t/h，管长为6000mm，工作温度在100C以下的2-4型换热器。1.2管壳式换热器的结构和性能特点:管壳式换

5、热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束或者螺旋管，,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程3。在壳体中设置有管束，管束的壁面即为传热面。管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。管壳式换热器结构简单，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，规格范围广

6、，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。旁路渗流较小，锻件使用较少，造价低，无内漏。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。1.3 换热器的研究内容及意义随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热

7、器的不断发展。 目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力；改变管束

8、支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积等。换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展。本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算。近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的

9、新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。2. 管式换热器设计原理与步骤2

10、.1设计依据管壳式换热器分为逆流和顺流，一台好的换热器应该有良好的换热性能，科学研究或生产生活的需要，这是设计的初衷和目的。本章节主要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先根据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。2.2设计原理由于换热器四个进、出口温度及一侧流体的流量已给定，要求计算出在满足定压力降限制条件下的有效换热面积与流程、流道排列组合方式。传热基本基本方程

11、式： （2-1）式中：； )； ； 。换热量的的计算式： （2-2） 式中：； ； ， 。总传热系数计算公式： （2-3） 式中：； ； 。2.3设计步骤 设计换热器时一般按照以下几个步骤进行：（1）确定换热器设计指标（即设计条件或问题说明）；（2）初步确定换热器的类型、结构、材料及流动形式等参数（即总体布置）；（3）换热器的传热计算、流阻计算和优化分析（即热力和水力设计，是我们课程设计的主要内容）；（4）换热器的结构、强度及工艺等方面的设计（即结构设计，在设计过程中应与热力、水力设计相互协调）；（5）根据其它具体的评价条件，从上述的几套设计方案中进行方案的选择（即最佳设计）。 3. 确定基本

12、物性参数3.1初始条件：(1) 空调供暖热水用量为： 30t/h；(2) 空调供暖用水出口水温为：60；(3) 空调供暖用水进口水温为：85；(4) 热水锅炉的进口水温为：70；(5) 热水锅炉的出口水温为：95；(6) 允许最大压力降：0.1 MPa。3.2物性参数 由于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其管程热流体的平均温度为： （3-1）式中：壳程流体的定性温度； 壳程流体的进口温度； 壳程流体的出口温度。由（3-1）式得：壳程冷流体的定性温度为 （3-2）式中：管程流体的定性温度； 管程流体的进口温度； 管程流体的出口温度。由（3-2）式得：查物性参数表有 3-1

13、水的物性参数表温度密度比热容普朗克数（无量纲）运动粘性系数导热率82.5965.124.212.143.410-70.67672.5971.774.182.454.010-70.6703.3初选管材3-2 初选管材参数料料形式排列方式管径/mm管长/m流速m/s管程数缝碳钢光管三角形62.0 43.4传热量的计算3.4.1冷量计算根据能量守恒，有： （3-3）式中：壳程流体的散热量； 管程流体的吸热量。知 （3-4）式中：壳程流体的理论换热量； 壳程流体的质量流量； 壳程流体的定压比热容； 壳程流体的进出口温度差。由式（3-4）得：考虑到热损失系数，实际换热量为 3.4.2壳程流量计算可算出壳

14、程流体质量流量为： （3-5）式中：管程流体的质量流量； 管程内流体的定压比热容； 管程内流体的进出口温度差。由（3-4）得：体积流量为 （3-6）式中：管程内流体的体积流量； 管程内流体的密度。由（3-6）式得：3.4.3平均温差的计算：知对于不同变化情况的温度变化形式如下所示：3-3 不同情况下温度变化形式因为，所以算数平均温差与对数平均温差差别可以忽略【1】，故算数平均温差即为平均温差：温差修正系数的确定：知： (3-7)故查图知： （壳侧2程） (3-8) 式中：温差修正系数。所以有： （3-9）式中：修正后的换热温差。由（3-9）式得： 知工程上水-水换热器的的换热系数K为1000-

15、2000,此处初选换热 管数为1800【2】.3.5传热面积的计算则可得换热总面积为： （3-10）式中：所需换热面积。由式（3-10）得：所以可算出所需的每流程管数为： （3-11）式中：所需的每流程管数； 管程内流体流速； 管内径。由式（3-11）得：取.取管外侧直径，则所需有效管长为： （3-12）式中：所需有效管长； 管外径。由式（3-12）得：但查表知，当管数为30时，不存在有效管长为44.8m的情况.故根据所需的换热面积根据换热器手册查管径基本参数可知：当管程数为4，总管程数为200（即每流程管数）时，换热面积可为。此时换热器的基本参数如下表：3-4 换热器的基本参数表公称直径公称

16、压力管程数管子根数中心排数管程流积换热管长度 计算换面积4500.6、1.0、1.64200160.0088600070.4故可知其管径比 （3-13）所以可认为选材合适3.6管板计算中心管排数： （3-14）式中：中心管排数。由式（3-14）得：管间距： （3-15）式中：管间距。由式（3-15）得：标准后取 3.7折流板的计算：折流板的作用是使壳侧流体能横掠平板，增加扰动，提高对流换热系数，常见折流板的形式有纵向折流板，横向折流板，横向折流板又包括（圆缺型折流板、盘环型折流板、扇形折流板）。纵向折流板主要用于U型管式换热器中，圆缺型折流板，流体流动死角较小，结构简单。而盘环式折流板结构比较

17、复杂且不便清洗。工程中一般应用圆缺型折流板【3】。因此，壳侧的折流板选择圆缺型折流板，圆缺型折流板的圆缺高度一般是壳体内径的，在此选择，则圆缺高度为 （3-17）式中：圆缺高度； 壳体内径。由式（3-17）得： （3-18）式中：剩下的圆缺面积。由式（3-18）得：故可取查资料可知折流板板间距一般为,结合一般标准取值，则可取折流板间距为 所以可算出所需折流板为： （块） （3-19）式中：单程管长； 折流板间距； 折流板数。由式（3-19）得；折流板水平装配如图所示： 图3-5 圆缺型折流板4. 系数校核 4.1传热系数校核4.1.1管程热交换系数的校核从新确定流速： （4-1）式中：修正后的

18、管道内的流速。由式（4-1）得： （4-2）式中:管程雷诺数； 管道内的流体速度，； 运动粘度。由式（4-2）得：知在工程计算中，当雷诺数时，可认为是湍流【4】，而此时，所以管程内的流动情况为湍流。由物性参数表知：所以可用Dittus-Boelter公式算出管道内强制对流换热的努谢数: (4-3)式中：管道内的流体流动的雷诺数； 管道内流体的普朗克数； 管道内流体的努谢尔数； 修正系数；加热流体时，；冷却流体时此处取。由式（4-3）得：所以，管侧表面传热系数 （4-4）式中：管侧的流体导热率； 管侧表面的换热系数。由式（4-4）得：4.1.2壳侧传热系数的计算知壳程流通面积为 (4-5)式中：

19、换热器壳体内径； 壳程流通面积。由式（4-5）得：所以，算出流速为： （4-6）当量管径为： (4-7)式中：当量管径。由式（4-7）得：所以，同式（4-2）可得： 即可认为壳侧流体流动也是湍流。根据流体横掠单管的适用准则式计算得： (4-8)式中：壳侧流体的努谢尔数； 壳侧管束排列时的参数； 壳侧流体流动时的雷诺数。由式（4-8）可得：所以，同式（4-4）可计算出壳侧的换热系数为查资料可知污垢热阻和管壁热阻为：管内侧污垢热阻 管外侧污垢热阻 查表可得碳钢在该条件下的热导率为故可算出管壁导热热阻： (4-8)式中：管壁热阻，； 传热管壁厚，； 管壁热导率，。由式（4-8）可得：4.1.3计算传

20、热系数：因为是工程计算，所以可略去管壁导热阻力,故可计算出换热器的实际换热系数由式（2-3）可知： 知相对误差为误差在工程计算的允许范围内，所以，符合要求。4.2校核换热面积实际换热面积为： （4-9）式中：换热器的单程管长； 换热器壳体的壁厚； 换热器的实际换热面积。所以，由式（4-10）可知：而由前面计算可知，所需的换热面积所以，有面积校核误差且知实际换热面积大于所需换热面积，所以换热面积符合设计要求。4.3压降校核：4.3.1管程压力降校核：管程压力降包括单程直管阻力和局部阻力，可以按如下公式进行计算： (4-11)式中：流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降； 流体流过回弯管因摩擦阻力引起

21、的压力降； 流体流经管箱进出口的压力降； 结构校正因子，无因次；对于直径为19mm的管子，取1.5； 管程数，在此，； 串联的壳程数，在此取【5】。 （4-12）式中：管内流速，； 管内径，； 管长，； 摩擦系数，无量纲，可根据雷诺数和相对粗糙度求取； 管内流体密度；。对于光滑管，知道当雷诺数时，可以采用柏拉修斯式计算：带入数据计算得：所以可以算出：所以管壳的压降为所以管侧压降符合设计要求.4.3.2壳程压降校核应用埃索法计算壳程压力降有： (4-13)式中：流体横过管束的压力降，； 流体流过折流板缺口时的压力降，； 壳程压力降的结垢修正系数，无因次，因为此处为水-水换热器，所以，取。 (4-

22、14) (4-15)式中：管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形排列，取； 壳程流体摩擦系数，当时，； 横过管数中心线的管子数，对三角形排列 ； 按壳程流通截面积计算的流速，计算出的流速； 折流板间距；。所以带入数据可算得：所以壳程总的压力降为：即所以壳程压力降符合设计要求。5. 换热器主要设计尺寸和计算结果5-1换热器的主要参数表参数管程壳程 流量/（ m3/h）30.832.4 进/出口温度/85/6095/70物性 定性温度/72.582.5 密度/m3971.77965.12定压比热容/kJ/()4.184.21 黏度/pas 导热率/W/m0.6760.670 普朗特数2.142.

23、45 设备结构参数 形式U型管台数1 壳体内径/mm350壳程数2 外管径/mm192管心距/mm25管长/mm6000管子排列 管数目/根200折流板个数/个39 传热面积/m270.4折流板间距/mm150 管程数4材质碳钢主要设计结果管程壳程流速/(m/s)1.00.44表面传热系数/W/(m2)74188026污垢热阻/(m2/W)阻力/MPa0.0880.0512热流量/kW894.98传热温差/7.2传热系数/W/(m2)1771.696. 课程设计小结这次学期初的课程设计最开始有点让人措手不及，但是随着时间的推移，也越来越理解老师说的，学期初的课程设计可以让我们少很多借口，能够更

24、专心的做课程设计。现在快完成的时候，回头看看，觉得收获很多。这次课程设计，从最开始的茫然不知所措到后来思路的渐渐清晰，一路上经历了很多。这次课程设计并不如上学期期末课程设计，老师只是在必要的时刻给我们指点，大多数地方还是需要自己查阅资料，自己进行计算和检查，反复修改以后才有自己的数据。但是老师在一些必要的地方也给予了我们帮助，使我们能够更好的理解书上的公式的应用。这次课程设计对我们的一些软件提出了新的要求。比如说，当公式储存在excel里时，对于参数的修改显得很方便。然而最开始的时候并不是很习惯这样做，所以最开始的时候由于修改数据的不便而影响了整个过程的进度。后来一步步习惯以后，课程设计的整体

25、进度就快了很多。也学到了一些使用excel的实用技能。另外，在此次的课程设计中，对于word的运用，尤其是对于公式编辑器的应用，有了更高的要求，在整个说明书中，公式很多，要一个一个把公式输入到文档里，还是很麻烦那，但是随着对编辑器的慢慢熟悉编写公式也越来越快。然后就是对CAD的应用提出了要求。虽然以前一直想学CAD，但是由于各种理由都没好好用过一次CAD。借这次机会，能够熟悉一些基本的CAD的操作，也是另一种收获。这次课程设计也巩固了我们在工程热力学和传热学上学到的知识，也让我明白了从课本到实际应用还是有一定的距离的，书上的公式可能准确，但是在实际应用中，由于各种误差的影响，常常会有一定的不准

26、确的地方。另外，工程应用上对公式的准确性要求可能不如理论上高。常常是为了能够更好的应用公式，简化了很多不重要或者影响不大的因素。这个也是理论与实际的一些区别。在这次课程中，也学到了很多课程本身以外的东西，比如说对时间的安排，和如何查找各种文献等，这些技能虽然不是针对这次课程设计，但是也能帮我们走得更远，飞得更高。总而言之，在这次课程设计我学到了很到了多东西。虽然有些累，晚上有时会加加班，但是一分耕耘，一份收获，而收获的东西让我觉得这十来天的努力没有白费。7. 参考文献1 杨世铭，陶文铨.传热学,北京：高等教育出版社.2 钱颂文,热交换器设计手册,广州：化学工业出版社.3 史美中，王中铮,热交换器原理与设计（第二版）.4 詹德新，王家楣,工程流体力学,湖北：湖北科学技术出版社.5 钱颂文,换热器设计手册,广州：化学工业出版社.