管殼式換熱器設(shè)計要點

1、課 程 設(shè) 計 設(shè)計題目：管殼式水-水換熱器姓 名 院 系 專 業(yè) 年 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 年 月 日 目錄 1前言12課程設(shè)計任務(wù)書23課程設(shè)計說明書3 3.1確定設(shè)計方案3 3.1.1選擇換熱器的類型 3 3.1.2流動空間及流速的確定 33.2確定物性數(shù)據(jù) 33.3換熱器熱力計算4 3.3.1熱流量 4 3.3.2平均傳熱溫度差 4 3.3.3循環(huán)冷卻水用量 4 3.3.4總傳熱系數(shù)K5 3.3.4計算傳熱面積 63.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸6 3.4.1管徑和管內(nèi)流速 6 3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 6 3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 7 3.4.4傳熱管排列和分程方法 7 3.4.5殼體

2、內(nèi)徑 7 3.4.6折流板 8 3.4.7接管 83.5換熱器核算8 3.5.1熱量核算 8 3.5.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力123 .6換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸、計算結(jié)果 133.7換熱器示意圖、管子草圖、折流板圖144設(shè)計總結(jié) 155參考文獻(xiàn) 16 1前言 在工程中，將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給他種流體的設(shè)備，成為熱交換器。熱交換器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，例如動力工業(yè)中鍋爐設(shè)備的過熱器、省煤器、空氣預(yù)測器，電廠熱力系統(tǒng)中的凝汽器、除氧器、給水加熱器、冷水塔；冶金工業(yè)中高爐的熱風(fēng)爐，煉鋼和軋鋼生產(chǎn)工藝中的空氣和煤氣預(yù)熱；制冷工業(yè)中蒸汽壓縮式制冷機(jī)或吸收式制冷機(jī)中的蒸發(fā)器、冷凝器；制糖

3、工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，都是熱交換器的應(yīng)用實例。在化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過程中，應(yīng)用熱交換器的場合更是不勝枚舉。在航空航天工業(yè)中，為了及時取出發(fā)動機(jī)及輔助動力裝置在運(yùn)行時產(chǎn)生的大量熱量；熱交換器也是不可或缺的重要部件。根據(jù)熱交換器在生產(chǎn)中的地位和作用，它應(yīng)滿足多種多樣的要求。一般來說，對其基本要求有： （1）滿足工藝過程所提出的要求。熱交換強(qiáng)度高，熱損失少。在有利的平均溫度下工作。 （2）要有與溫度和壓力條件相適應(yīng)的不易遭到破壞的工藝結(jié)構(gòu)，制造簡單，裝修方便，經(jīng)濟(jì)合理，運(yùn)行可靠。 （3）設(shè)備緊湊。這對大型企業(yè)，航空航天、新能源開發(fā)和余熱回收裝置更有重要意義。 （4）保證低

4、的流動阻力，以減少熱交換器的消耗。管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、U型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。 2課程設(shè)計任務(wù)書2.1設(shè)計題目管殼式水-水換熱器設(shè)計2.2設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個處理能力為2.4x106噸/年熱水的管殼式換熱器，熱水入口溫度85，出口溫度60，冷卻介質(zhì)為循

5、環(huán)水，入口溫度為25，出口溫度為40，允許壓強(qiáng)降不大于105Pa。每年按照280天計算，每天連續(xù)24小時運(yùn)行。試設(shè)計一臺管殼式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。2.3設(shè)計原始資料（技術(shù)參數(shù)） 熱水在72.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 恒壓比熱容 =4.189kJ/(kg.) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6695W/(m) 粘度 Pa循環(huán)水在32.5下的物性數(shù)據(jù)： 密度 =994.8/m3 恒壓比熱容 =4.174kJ/(kg) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6233w/(m) 粘度 3課程設(shè)計說明書3.1 確定設(shè)計方案3.1.1.選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度85，出口溫度60。冷流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度25

6、，出口溫度40。該換熱器冷卻熱的熱水，傳熱量較大，可預(yù)計排管較多，因此初步確定選用固定管板式換熱器。3.1.2流動空間及流速的確定單從兩物流的操作壓力看，熱水操作壓力達(dá)0.1MPa，應(yīng)使熱水走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(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；且兩流體溫度相差較大，應(yīng)使較大的循環(huán)水（一般氣體液體）走管內(nèi)。所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用25mm2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)循環(huán)水流速取1m/s。3.2 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程熱水的定性溫度為 T=(85+60)/2=72.5管程流體的定性溫度為

7、t =（25+40）/2=32.5根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。熱水在0.1MPa，72.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =977 kg/m 定壓比熱容 =4.189 /(kg) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6695 W/(m） 黏度 =39.33510-5 Pas循環(huán)水在0.1MPa，32.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =994.8 kg/m 定壓比熱容=4.174 /(kg) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6233 W/(m） 黏度 =76.410-5 Pas3.3 換熱器熱力計算3.3.1 熱流量 = (T1T2) （3-1） 式中:熱源熱流量，單位W； 定壓比熱容，單位/（kgk)； 熱

8、源進(jìn)口溫度，單位K； 熱源出口溫度，單位K。2則：=2.4*109/（3600*24*280）4.18910 3 （85-60）=7969.57( w)3.3.2平均傳熱溫度差 有效平均溫度差： （3-2） 式中：，分別為換熱器兩端冷熱流體的溫差，K。將=K，=K代入式（3-2）得：則：40。3.3.3循環(huán)冷卻水用量冷卻水熱流量： mo = （3-3） 式中：冷源熱流量，單位；kg/s； 定壓比熱容，單位/（kgk)； 冷源進(jìn)口溫度，單位K； 冷源出口溫度，單位K。 則：=7969.5710 3/4.17410 3(40-25)=127.29(kg/s)3.3.4總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù)計算

9、雷諾數(shù) （3-4） 式中：雷諾數(shù)； 換熱管內(nèi)徑，單位mm。 則雷諾數(shù)：=26041.88 計算管程換熱系數(shù) （3-5） 式中：雷諾數(shù)； 普朗特數(shù)； 導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(mk)； 換熱管內(nèi)徑，單位mm。 則管程換熱系數(shù)： =4693.67W/(mk)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)0=390W/(m2)污垢熱阻：熱水側(cè)的熱阻0.000344m2/W 冷卻水側(cè)的熱阻0.000172m2/W鋼的導(dǎo)熱系數(shù)45W/(m )總傳熱系數(shù)： （3-6） 式中：對數(shù)平均直徑，取0.0225mm； 傳熱管壁厚，m。 導(dǎo)熱系數(shù)； 換熱管外徑，單位mm。將數(shù)值依次代入（3-6）得：280.5W/(m )3.3.5 計算

10、傳熱面積計算傳熱面積 =/Kt （3-7） 式中：傳熱系數(shù)，W/(mk)； 與值對應(yīng)的傳熱面積，m 有效平均溫差，K; 交換的熱量，W。 則=591.91（）考慮15的面積裕度， S=1.15=680.70（）3.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.4.1 管徑和管內(nèi)流速 選用252.5mm的傳熱管(碳鋼管)，可設(shè)管內(nèi)冷卻水流速1m/s 。3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) （3-8） 式中：流體的流量，m/s； 管子內(nèi)徑，m； 單程管管數(shù)(必須取為整數(shù))。 則：407.5=408（根） 按單程管計算，所需的傳熱管長度L為 （3-9） 代入數(shù)據(jù)(3-9)有：=26.6m按單管程設(shè)

11、計，傳熱管過長,宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 l= 8 m ，則該換熱器管程數(shù)為 Np=L/l （3-10） 式中：按單程計算的管長，m； l選定的每程管長，m。 則該換熱器管程數(shù)：Np=26.6/84(管程）傳熱管總根數(shù) N = 4084= 1632（根）3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù) R= P=按單殼程、四管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查教材圖可得=0.95平均傳熱溫差= (3-11)代入數(shù)據(jù)有：=0.9540=36.8 ()3.4.4 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25，則： （3-12） t=1.

12、252531.2532（mm） 橫過管束中心線的管數(shù)： （3-13） 代入數(shù)據(jù)有： = 1.19=48（根）3.4.5 殼體內(nèi)徑 采用單管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為： （3-14） 代入數(shù)據(jù)有：。圓整可取D=1700mm。3.4.6 折流板采用弓形折流板，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=0.251700=425mm ，故可取h=425mm.取折流板間距B=0.3D，則： B=0.31700=510（mm）為了便于制造和維修，減小阻力，取B為500mm。 折流板數(shù) （3-15） 式中：傳熱管管長； 折流板間距。 代入（3-15）數(shù)據(jù)有：=15(塊)折

13、流板圓缺面水平裝配。 3.4.7 接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)熱水流速為u=20m/s，則接管內(nèi)徑為 （3-16） 式中：流體的流量，m/s； 代入數(shù)據(jù)有：取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 102 mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，則接管內(nèi)徑為 （3-17）代入（3-17）數(shù)據(jù)有：取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 377 mm。3.5 換熱器核算 3.5.1 熱量核算 殼程對流傳熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用Kern公式： （3-18） 式中：雷諾數(shù)； 普朗特數(shù)； 導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(mk)； 當(dāng)量直徑，單位mm。 水做冷卻劑時，粘度校正為 當(dāng)量直徑，管子為正三角形排列時 （3-19） 式中：

14、換熱管外徑，單位mm。 換熱管管心距，單位mm。 代入數(shù)據(jù)（3-19）有： 0.020（m） 殼程流通截面積 So = BD(1) （3-20） 式中： 折流板間距。 單管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑。 代入數(shù)據(jù)（3-20）有：So =0.51.7（10.025/0.032）0.1860（） 殼程熱水的流速及其雷諾數(shù)分別為 0.546 （3-21） 式中：當(dāng)量直徑。 熱水在0.1MPa，72.5下的密度。 熱水在0.1MPa，72.5下的粘度。 則代入數(shù)據(jù)有：=27123 普朗特準(zhǔn)數(shù) （3-22） 式中：普朗特數(shù)； 導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(mk)； 粘度 ，單位m/s。 則代入數(shù)據(jù)有： 因此，殼程熱水的傳熱膜

15、系數(shù)為 （3-33） 式中：雷諾數(shù)； 普朗特數(shù)； 導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(mk)； 換熱管當(dāng)量直徑，單位mm。則由式（3-6）得：= 4495W/(mk) (2)管程對流傳熱系數(shù) （3-34） 式中：雷諾數(shù)； 普朗特數(shù)； 導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(mk)； 換熱管內(nèi)徑，單位mm。 管程流通截面積 0.2562（） 管程循環(huán)水的流速及其雷諾數(shù)分別為 同（3-21) 代入數(shù)據(jù)有：=12995 普朗特準(zhǔn)數(shù) （3-35）因此，管程循環(huán)水的傳熱膜系數(shù) 代入數(shù)據(jù)（3-34）有：2660(3)總傳熱系數(shù)Ki 冷卻水側(cè)的熱阻0.000172m2/W 熱水側(cè)的熱阻0.000344m2/W 鋼的導(dǎo)熱系數(shù)45W/(m2) 根

16、據(jù) （3-36） 式中：對數(shù)平均直徑，取0.0225mm； 傳熱管壁厚，m。 將數(shù)值依次代入（5-6）得： =737.4 W/ (m2) 知此計算值與前面的初設(shè)值Ki=280.5 W/ (m2)的關(guān)系： 滿足換熱器設(shè)計要求，初選的換熱器合適。（4）傳熱面積 /() （3-37） 代入數(shù)據(jù)有：7969.57103/（356.940）558.2 (m2 ）面積裕度為 （3-38）=（680.70-558.2）/558.2=21.9 所用管程數(shù)取值與所求相差不大。3.5.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流動阻力 總壓降： （3-39） 式中：管程數(shù)； 殼程數(shù)； 結(jié)構(gòu)校正系數(shù)。 取 Ns=1 Np

17、=4 Ft=1.4 直管部分的壓降 = （3-40） 由管內(nèi)流體： Re=12995 ,傳熱管相對粗糙度e/d=0.1/20=0.005 查莫狄摩擦系數(shù)圖，得：i=0.028 代入數(shù)據(jù)（3-40）有：1220.2 彎管回路中的壓降 300.8 （3-41） 因此總壓降為 =（1220.2+300.8）1.441 =8517.6Pa100kPa 管程流動阻力在允許范圍之類。（2）殼程阻力 總壓降： （3-42） 式中：結(jié)垢校正系數(shù)，對流體； 殼程數(shù)，。 流體橫過管束的壓降 p1=(NB+1) （3-43） 式中：=0.5 =5.0(27123）-0.228=0.4877 =48 =15 =0.5

18、46m/s 所以，p1=0.50.487748(15+1)(900.5462)/2 2512.36（Pa）流體流過折流板缺口的阻力 （3-44） 式中： B=0.50m D=1.70m 代入數(shù)據(jù)有： 6360.6(Pa) 因此計算總阻力將數(shù)值代入（3-43）： =(2512.36.6+6360.6）11=8872.96PaPa 殼程流動阻力也比較適宜。3.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸、計算結(jié)果列表根據(jù)設(shè)計結(jié)果判斷該換熱器設(shè)計合理，具體結(jié)果見表3-1。3-1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱器型式： 列管式換熱器換熱面積/m2 680.70工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水熱水操作壓力Pa不大于不大于操作溫度（進(jìn)/出）/25/4085/60流量/(kg/s)127.29 13.89流體密度/(kg/m3)994.8 977流速/(m/s)0.499 0.546傳熱量/kW 7969.57總傳熱系數(shù)/W/(m2K) 356.9對流傳熱系數(shù)/W/(m2K)26604495污垢熱阻/m2K/ W 0.000344 0.000172阻力降/KPa8.518 8.872程數(shù)4 1推薦使用材料碳鋼 碳鋼管子規(guī)格252.5管數(shù) 1632管長/mm 8000管間距/mm 32排列方式 正三角形折流板型式（上下）間距/mm500 切口高度 2