換熱器課程設(shè)計(jì)

1、換熱器課程設(shè)計(jì)說明書 學(xué)院： 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 目錄 1. 換熱器課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 1 1.1、設(shè)計(jì)題目： 1 1.2、操作條件： 1 1.3、設(shè)備型式： 1 1.4、設(shè)計(jì)要求： 1 2. 熱交換器設(shè)計(jì)方案的確定 1 2. 1 管殼式換熱器的簡介 1 2.1.1 工作原理 2 2.1.2 分類 2 2.1.3 主要技術(shù)特性： 3 2.2 試算并初選換熱器規(guī)格 3 2.2.1 流體流動(dòng)途徑的確定 3 2.2.2 設(shè)備材料的選擇 3 3. 換熱器熱力計(jì)算 3 3.1 確定物性數(shù)據(jù) 4 3.2 計(jì)算總傳熱系數(shù) 4 3.2.1 熱流量 4 3.2.2 平均傳熱溫差 5 3.2.3 冷卻

2、水用量 5 3.2.4 總傳熱系數(shù) 5 3.3 傳熱面積的計(jì)算 6 4 .工藝結(jié)構(gòu)尺寸 6 4.1 管數(shù)和傳熱管數(shù) 6 4.2 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 7 4.3 傳熱管排列和分程方法 7 4.4 殼體內(nèi)徑 7 4.5 折流板數(shù) 8 4.6 接管 8 5. 換熱器校核設(shè)計(jì) 8 5.1 熱量核算 8 5.1.1 殼程對流傳熱系數(shù) 8 5.1.2 管程對流傳熱系數(shù) 9 5.1.3 傳熱系數(shù) K 10 5.1.4傳熱面積 S 10 5.2 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 10 5.2.1 管程流動(dòng)阻力 10 5.2.2 殼程阻力 11 6. 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表 12 7. 換熱器示意圖、管子草圖、折流板 13

3、 .參考資料 14 設(shè)計(jì)總結(jié) 15 、八 、- 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， 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(shí) 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。 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

4、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）保證低的流動(dòng)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(gè)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

5、運(yùn)行的安全可靠性。 1. 換熱器課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 1.1、設(shè)計(jì)題目： 設(shè)計(jì)一臺(tái)換熱器 1.2、操作條件： 1、熱水：入口溫度81C，出口溫度64C。運(yùn)行壓強(qiáng)：8.5bar 2、冷卻介質(zhì)：水，入口溫度 23E。出口溫度：40C運(yùn)行壓強(qiáng)：2.2bar 4、運(yùn)行流量 :38t/h 1.3、設(shè)備型式： 管殼式換熱器 1.4、設(shè)計(jì)要求： 1 、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。 2、管殼式換熱器的工藝計(jì)算和主要的工藝尺寸的設(shè)計(jì)。 3、設(shè)計(jì)校核計(jì)算 4、設(shè)計(jì)結(jié)果概要。 5、參考文獻(xiàn)。 2. 熱交換器設(shè)計(jì)方案的確定 2. 1 管殼式換熱器的簡介 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

6、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(gè)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。 2.1.1工作原理 管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、 板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器， 其換 熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程， 換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。 管程和殼 程分別通過兩不同溫度的流體時(shí)， 溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫

7、度較低的流體， 溫度較高的流體被冷卻， 溫度較低的流體被加熱， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流 體換熱工藝目的。 2.1.2分類 1. 固定管板式換熱器 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡單；在 相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)的殼側(cè)清洗困難，所以 殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。 當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的 熱膨脹時(shí)，會(huì)使管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質(zhì)的泄漏。 適用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。 2. 浮頭式換熱器 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 兩端管板只有一端與殼體完全固定， 另一端則可在殼體內(nèi)沿軸向 自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)換熱管

8、與殼體間有溫差存在， 殼體或換熱管膨脹時(shí)，互不約束，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；管束可以從殼體內(nèi)抽搐， 便與管內(nèi)管間的清洗。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用材量大，造價(jià)高；浮頭蓋與浮動(dòng)管板間若密封不嚴(yán)， 易發(fā)生泄漏，造成兩種介質(zhì)的混合。 適用于管壁間溫差較大或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。 3. U 型管換熱器 U 型管換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有一塊管板，換熱管為 U 型，管子的兩端固定 在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當(dāng)殼體與 U 型環(huán)熱 管由溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 U 型管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，只有一塊 管板，密封面少，運(yùn)行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。 缺點(diǎn)：管內(nèi)清洗困難； 由于管子需

9、要一定的彎曲半徑， 故管板的利用率較低； 管束內(nèi)程管間距大，殼程易短路；內(nèi)程管子損壞不能更換，因而報(bào)廢率較高。此 外，其造價(jià)比管定管板式高 10%左右。 4. 填料函式換熱器 填料函式換熱器的特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定連接， 另一端采用填料函 密封。管束可以自由伸縮， 不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。 填料 函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單， 制造方便， 耗材少，造價(jià)也比浮 頭式的低；管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。 缺點(diǎn)：填料函乃嚴(yán)不高，殼程介質(zhì)可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、 有度和貴重的介質(zhì)不適用。 由于此次換熱介質(zhì)是水，易結(jié)垢，綜上所述，此

10、換熱器采用浮頭式換熱器 2.1.3主要技術(shù)特性： 一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性： 1、耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用； 2、制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟； 3、選材廣泛，適用范圍大。 2.2 試算并初選換熱器規(guī)格 2.2.1流體流動(dòng)途徑的確定 本換熱器處理的是兩流體均都是水， 根據(jù)兩流體的情況， 為了減少熱量損失， 影響換熱條件，故選擇高溫水走換熱器的管程，低溫水水走殼程。 2.2.2設(shè)備材料的選擇 一般換熱器常用的材料，有碳鋼和不銹鋼。 碳鋼： 價(jià)格低，強(qiáng)度較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)腐蝕比較穩(wěn)定，很容易被酸 腐蝕，在無耐腐蝕性要求的環(huán)境中應(yīng)用是合理的。 如一

11、般換熱器用的普通無縫鋼 管，其常用的材料為 10號(hào)和 20號(hào)碳鋼。 不銹鋼：奧氏體系不銹鋼以 1Crl8Ni9Ti 為代表，它是標(biāo)準(zhǔn)的 18-8 奧氏體不銹鋼，有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有良好的耐 腐蝕性和冷加工性能。 此次換熱器介質(zhì)是都是水，無腐蝕性，所以選用碳鋼材料 3. 換熱器熱力計(jì)算 3.1確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值 18 管程熱水的定性溫度為: 殼程冷卻水的定性溫度為: 81 64 = 7 2.5 23 40 2 = 31.5 根據(jù)定性溫度，查得： 熱水在72.5T下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下: 卩3 密度 =976.3kg/m 定壓比熱容 Cp,i =4.191 kJ/(

12、kg K) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.671W/(m K) 黏度 叫=0.39( 10-3Pa s 冷卻水在35 r下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下: 密度 P3 o=955.2kg/m 定壓比熱容 Cp,。=4.174 kJ/(kg K) 導(dǎo)熱系數(shù) o= 0.6265 W/(m.K) 黏度 u3 o =0.78( 10Pas 3.2計(jì)算總傳熱系數(shù) 3.2.1熱流量 (3-1) Qi 二 mi Cp,jti =38000 4.191 (81-64) =2706740kJ/h 式中: CP,i 定壓比熱容 mi物體質(zhì)量 ti熱水溫差 322平均傳熱溫差 由于*注所以碼處 3.2.3冷卻水用量 Wo 二 Qi Cp,0

13、 =to 2706740 4.174 (81 -64) = 38149 Kg/h 3.2.4總傳熱系數(shù) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取管內(nèi)流速為1.5m/s 管程傳熱系數(shù)： .R _ diUi ?i _ 0.02 1.5 976.3 -7 一 0.00039 Pr 3 4.191 100.00039 2.4 = 0.67 0.7 ： Pr : 160 (3-2) (3-3) (3-4) 流體被冷卻=n=0.3 “of P嚴(yán) =0.023 067 7510008 2.403 0.02 =7168W/( m2 -C ) 殼程傳熱系數(shù)： 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)0 =1600 W/(m2 C) 污垢熱阻Rq 二 0.000

14、344 W/( m2 C ) Rs。=0.000172 W/( m2 C) 管壁的導(dǎo)熱系數(shù) =17.4 W/(m2 C) K 二 do -idi R；i dobdoRso1 d i dm- 0 0.025 7168 0.02 0.000344 0.025 0.002 0.025 + 0.0217.4 0.0225 0.000172 1 1600 =658/( m2 -C) 3.3傳熱面積的計(jì)算 Qi atm 2706740 658 41 = 100.33 ( m2) (3-5) K總傳熱系數(shù) Qi熱流量 考慮 15%的面積裕度，S=1.15 X s =1.1)區(qū)33=115.38 ( m2)

15、4 .工藝結(jié)構(gòu)尺寸 4.1管數(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) ns ji 4 2 di Ui (4-1) 38000/ (3600 976.3)“ =222.9、23 根 0.785 0.021.5 按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長度為： S a ns =115 二 0.025 23 =63.69m I = 9m，則 L 63.69 9 7（管程） 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長 該換熱器的管程數(shù)為 傳熱管總根數(shù)為：N=23 7 =161（根） 4.2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 =Tw =81 一64=1 Tn40 - 23 式中

16、：Tw-熱流體溫降 Tn冷流體溫升 Ta Tb 623=1 81-40 式中: Ta-溫降差 Tb溫升差 按單殼程，七管程結(jié)構(gòu)，溫度校正系數(shù)查表得: :t=0.93 平均傳熱溫差：tm=二 =0.93 41 =38.13 C 4.3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=1.25d。（焊接法），則 t=1.25 25=31.25 mm 32 （mm） 橫過管束中心線的管數(shù)nc =1.19 N =1.19.161 ： 15（根） 4.4殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為： D=1.05t N/ =1.05 3

17、2161/0.7 =509.56 （mm） 圓整可取D=510mm。 4.5折流板數(shù) 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=0.25x510=127.5 （mm），故可取 h=130mm。 取折流板間距 B=0.3D,貝U B=0.3x： 510=153 （mm），可取 B 為 150mm。 折流板數(shù)Nb = 9000-1=59 （塊） 150 式中： 9000傳管管長 150折流板間距 折流板圓缺面水平裝配。 4.6接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流速為u=1.7m/s則接管內(nèi)徑為: d=肘二（4 49）600 955.2） =0.093（m）

18、二u ,3.14 1.7 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為90 mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流速為u=5m/s,則接管內(nèi)徑為： , 4x38000/(3600 x976.3)、 d0.052 (m) If3.14x5 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50 mm 5. 換熱器校核設(shè)計(jì) 5.1熱量核算 5.1.1殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用克恩公式: 00.55 -0 =0.36Re0 de Pr3( 4 00.14 ) w (5-1) 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 3 2 門 2%322 4( t - do )4(0.032 -0.785 0.0252) de=-4=-=0.020 (m) 3.14 0.025 兀d

19、。 殼程流通截面積: (5-2) S=BD(1-込)=0.15 0.51(1-0.025)=0.017 (m2) t0.032 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 38149 U0 =0.28 (m/s) 0.039 3600 955.2 Re。 diU/ 竺空鑒竺竺=6926.42 0.00078 Pr =cp，。 4170 0.00078 廠 5 0.62 (5-3) (5-4) (5-5) 黏度校正) 0.14 =0,95 0 = 1.72 匯.04 X69260匯51/3 x.95=15220W/( m2 C ) 0.025 . 5.1.2管程對流傳熱系數(shù) 31 Sj = d 兀21612

20、=7 0.02 Pgm ) = 1.48 (m/s) 38000/(3600 976.3) Ui = 0.00722 Pr Re 0.02 1.48 976.3 0.00039 二 74098 CpJ 4.19 1 03 0.00039 0.67 = 2.43 =1 600000 7409818 = 0.989 打二0.023(RJ0.8 (Pr)0.4 di :廠訂=8572 W/(m2 C) 5.1.3傳熱系數(shù)K 0.025 8572 0.02 K 二 do 丄 D dobdo Rsi :ididi dm 0.000344 1 RsO 0.025 0.025 0.0025 + 0.0250

21、 0.0225 0.000172 1 15220 (5-6) =709.7W/(m2 ;C) 5.1.4傳熱面積S =93 (m2) (5-7) c Q 2706740 S = K：tm 709.7 41 該換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp Sp hd0L(N -耳)=3.14 0.025 (9-0.051) (161-15)=102.56 (m2 ) 該換熱器的面積裕度為 H = SS 100% S 115.38 -102.56 102.56 100% =12.4% 該換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù) 5.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 5.2.1管程流動(dòng)阻力 、P 珂牢：P2)FtNsNp

22、(5-8) Ns =1 Np =7 Ft =1.4 由Re=74098,傳熱管相對粗糙度01 = 0.005 ,得、=0.03w m C di 20 速 5=1.47 (m/s), R =7 .3 kg/m3，所以 22 l p9976.3 1.472 AR =人=0.03 漢漢=11334.18 Pa di 20.02 2 2 5 肖凡i C 976.3X.472L r :P2 =33164.5 Pa 2 故 P =(1133418 3164.5) 1.4 1 9 =182683Pa 8.2bar 管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。 522殼程阻力 HP。=(R：P2)FtNs (5-9) Ns

23、=1 Ft -1.15 (5-10) 流體流經(jīng)管束的阻力.：P1Ff0nc(NB - 1) ： U0 2 F=0.4 (正方形錯(cuò)列) f0 =5.0 Re0.228 =5.0 6926.42228 = 0.665 nc =15(正方形排列) NB =59 u0 二 0.28(m/s) P =0.4 0.665 15 (59 1) 955.2 0.282 8964.06 Pa 2 S0 流體流過折流板缺口的阻力巴=Nb(3.5-b) D 2 B=0.15m , D=0.51 m 2 0.15、955.2 0.282 P2 =59 (3.5)6432.63 Pa 0.51 總阻力 Z AP0 =(

24、AR*也F2)FtNs =(8964.06 + 6432.63) .15 =17706.2 Pa 1闊蘆閃出口 7-1換熱器示意圖 7-3管子排列圖 參考資料 1. 熱交換器設(shè)計(jì)手冊（上、下）,:日尾花英朗著，徐忠權(quán)譯，石油工業(yè)出版社，1981. 2. 化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊（1），材料與零部件（上），化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊編寫組編，上海 人民出版社， 1973.10 3. 換熱器設(shè)計(jì)手冊，錢頌文主編，北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2002.8 4. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 5. 熱交換器原理與設(shè)計(jì)（ 2 版），史美中主編，南京：東南大學(xué)出版社，2003.8 6. GB151-1999 ，管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)及其釋義 7.

25、JB/T4700-4707-2000 ，壓力容器法蘭 8. JB/T4746-2002 ，鋼制壓力容器用封頭 9. HG2059220635-2009 ，鋼制管法蘭、墊片、緊固件 10. GB16749-1997 ，壓力容器波形膨脹節(jié) 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過這次課程設(shè)計(jì)，我對所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)相關(guān)知識(shí)有了更系統(tǒng)的掌 握，而且我從設(shè)計(jì)中也學(xué)習(xí)到了很多新知識(shí)。 現(xiàn)在我已經(jīng)基本掌握了換熱器設(shè)計(jì) 的基本程序和設(shè)計(jì)構(gòu)思， 當(dāng)然在設(shè)計(jì)中也走了不少彎路。 從錯(cuò)誤中吸取經(jīng)驗(yàn)和教 訓(xùn)，保證以后不再犯類似錯(cuò)誤。經(jīng)驗(yàn)豐富了，知識(shí)也就成熟了。隨著課程設(shè)計(jì)的 不斷深入，我也逐漸發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)不夠用， 對換熱器的了解并

26、不透徹， 總之有許多不足。 通過這次設(shè)計(jì)，我確實(shí)提高了各方面的能力， 增長了許多知識(shí)， 積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 我發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重學(xué)習(xí)原有的例子， 將課本和參考 資料用好，同時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)該與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，懂得變通。使自己設(shè)計(jì)的東西可以真 正的達(dá)到最高的性價(jià)比，發(fā)揮最大作用。 目錄 第一章 總論 錯(cuò)誤！未定義書簽。 1.1 項(xiàng)目概要 錯(cuò)誤！未定義書簽。 1.2 可行性研究報(bào)告編制依據(jù) 錯(cuò)誤！未定義書簽。 1.3 綜合評(píng)價(jià) 錯(cuò)誤！未定義書簽。 第二章 項(xiàng)目背景及必要性 錯(cuò)誤！未定義書簽。 2.1 項(xiàng)目建設(shè)背景 錯(cuò)誤！未定義書簽。 2.2 項(xiàng)目建設(shè)的必要性 錯(cuò)誤！未定義書簽。 第三章 建設(shè)條件 錯(cuò)誤！未定義書簽。 3.1 項(xiàng)目區(qū)概況 錯(cuò)誤！未定義書簽。 3.2 項(xiàng)目建設(shè)條件優(yōu)劣勢分析