管殼式換熱器設(shè)計

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)教師目錄1前言12課程設(shè)計任務(wù)書23課程設(shè)計說明書33.1 確定設(shè)計方案33.1.1 選擇換熱器的類型33.1.2 流動空間及流速確實定33.2 確定物性數(shù)據(jù)33.3 換熱器熱力計算43.3.1 熱流量43.3.2 平均傳熱溫度差43.3.3 循環(huán)冷卻水用量43.3.4 總傳熱系數(shù)K53.3.4計算傳熱面積63.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸63.4.1 管徑和管內(nèi)流速63.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)63.4.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)73.4.4 傳熱管排列和分程方法73.4.5 殼體內(nèi)徑73.4.6 折流板83.4.7 接管83.5 換熱器核算

2、83.5.1 熱量核算83.5.2 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)161刖言在工程中,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

3、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,對其根本要求有：(1)滿足工藝過程所提出的要求.熱交換強度高,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

4、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根本元件是折流板(或折流桿).管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓水平及操作運行的平安可靠性.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)計一個處理水平為2.4x106噸/年熱水的管殼式換熱器,熱水入口溫度85C,出口溫度60C,冷卻介質(zhì)為循環(huán)水,入口溫度為25C,出口溫度為40C,允許壓強降不大于10A5Pa每年根據(jù)28

5、0天計算,每天連續(xù)24小時運行.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72.5C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度1977kg/m3恒壓比熱容cp1=4.189kJ/(kg.C)導(dǎo)熱系數(shù)1=0.6695W/(mC)粘度139.335105Pa循環(huán)水在32.5C下的物性數(shù)據(jù)：密度2=994.8kg/m3恒壓比熱容cp2=4.174kJ/(kgC)導(dǎo)熱系數(shù)2=0.6233w/(mC)粘度20.764103Pas3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85C,出口溫度60Co冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度25C,出

6、口溫度40Co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 流動空間及流速確實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,假設(shè)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a較大的循環(huán)水(一般氣體a夜25mrK2.5mm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=72.5C管程流體的定性

7、溫度為t=(25+40)/2=32.5C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,72.5C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度1=977kg/m3定壓比熱容cp1=4.189kJ/(kgC)導(dǎo)熱系數(shù)1=0.6695W/(mC)黏度1=39.335X10-5Pa-s循環(huán)水在0.1MPa,32.5C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度0=994.8kg/m3定壓比熱容Cp0=4.174kJ/(kgC)導(dǎo)熱系數(shù)0=0.6233W/(mC)黏度o=76.4X10-5Pa-s3.3 換熱器熱力計算3.3.1 熱流量Q1=m1Cp1(T1-T2)(3-1)式中：Q1熱源熱流量,單位WCp1定壓

8、比熱容,單位kJ/(kgk)；T1熱源進(jìn)口溫度,單位K;T2熱源出口溫度,單位33、貝U:Q尸2.4*10A9/(3600*24*280)X4.189X10X(85-60)=7969.57X103(w)3.3.2 平均傳熱溫度差t2有效平均溫度差:tmInt1(3-2)式中：L,t2分別為換熱器兩端冷熱流體的溫差,K.將t1=854035K,t2=602535K代入式(3-2)得：那么：tm,40K03.3.3 .循環(huán)冷卻水用量冷卻水熱流量：Qi,、mo=-(3-3)Cpo(t2t1)式中：me冷源熱流量,單位；kg/s；Cp0定壓比熱容,單位kJ/(kgk)；t1冷源進(jìn)口溫度,單位K;t2冷

9、源出口溫度,單位KoM：m=7969.57X103/4.174X103X(40-25)=127.29(kg/s)3.3.4總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)du計算雷諾數(shù)Rei(3-4)i式中：Rei雷諾數(shù)；di換熱管內(nèi)徑,單位mm.那么雷諾數(shù)：Rei=26041.88計算管程換熱系數(shù)(3-5)i0.0234產(chǎn)(山產(chǎn)diii式中：Re雷諾數(shù)；Pri普朗特數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù),單位W/(m-k)；di換熱管內(nèi)徑,單位mm那么管程換熱系數(shù):0.02362.33100.0200.826041.8833(4.174100.76410)0.40.6233=4693.67W/(m-k)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)入0=3

10、90W/(mC)污垢熱阻：熱水側(cè)的熱阻R=0.000344常C/W冷卻水側(cè)的熱阻Rso=0.000172m2-C/W鋼的導(dǎo)熱系數(shù)入=45W/(mC)總傳熱系數(shù):KdodoRsiididi1bdo1D-R-Rsodmo(3-6)式中：dm對數(shù)平土直徑,取0.0225mmb傳熱管壁厚,m導(dǎo)熱系數(shù)；do換熱管外徑,單位mm將數(shù)值依次代入(3-6)得：K280.5W/(mC)3.3.5計算傳熱面積計算傳熱面積S=Q1/Kt(3-7)式中：K傳熱系數(shù),W/(m-k);與K值對應(yīng)的傳熱面積,m2t有效平均溫差,K;Qi交換白熱量,W2那么S=591.91(m)2考慮15%的面積裕度,S=SX1.15=68

11、0.70(m)3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.4.1 管徑和管內(nèi)流速選用小25x2.5mm的傳熱管(碳鋼管),可設(shè)管內(nèi)冷卻水流速“=1m/s3.4.2 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)Vn一丁(3-8)du.143一式中：Vi流體白流量,m/s；di管子內(nèi)徑,成n單程管管數(shù)(必須取為整數(shù))127.29994.8貝U:ni407.5=408(根)-0.02214按單程管計算,所需的傳熱管長度L為L一丁3-9ndi代入數(shù)據(jù)(3-9)有：L680.703.144080.02=26.6m按單管程設(shè)計,傳熱管過長,宜采用多管程結(jié)構(gòu).現(xiàn)取傳熱管長1=8m熱器管程數(shù)為Np=L/l(3-10)式中：

12、l按單程計算的管長,m選定的每程管長,m那么該換熱器管程數(shù)：26.6/8-4(管程)傳熱管總根數(shù)N=408X4=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=TiT285-601.67t2t140-25P=t2ti_40-25060.6T1T285-60按單殼程、四管程結(jié)構(gòu),溫差校正系數(shù)查教材圖可得t=0.95平均傳熱溫差tm=ttm(3-11)代入數(shù)據(jù)有：tm=0.95X40=36.8(C)3.4.4 傳熱管排列和分程方法(3-12)(3-13)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,那么:t1.25dot=1.2

13、5X25=31.25=32(mm橫過管束中央線的管數(shù)：nc1.19N代入數(shù)據(jù)有：nc=1.191632=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4=0.7,那么殼體內(nèi)徑為：D1.05tjN/(3-14)代入數(shù)據(jù)有：D1.05t)1632/0.71622mm0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%那么切去的圓缺高度為h=0.25X1700=425mm,故可取h=425mm.取折流板間距B=0.3D,那么:B=0.3X1700=510(mm為了便于制造和維修,減小阻力,取B為500mm折流板數(shù)Nb傳熱管長折流板間距(3-

14、15)式中：l傳熱管管長;折流板間距.代入3-15數(shù)據(jù)有:Nb8000彳血1=15(塊)折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,那么接管內(nèi)徑為d.4Vu(3-16)3式中：V流體的流重,m/s;代入數(shù)據(jù)有：d再手答0.091m取標(biāo)準(zhǔn)管徑為102mmo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,那么接管內(nèi)徑為(3-17)代入3-17數(shù)據(jù)有:,4127.29/994.83.141.50.330(m)取標(biāo)準(zhǔn)管徑為377mm.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:ai入10.36Rede

15、0.551/3/Mo,0.14Pr(一)Mw(3-18)式中：RePr雷諾數(shù)；普朗特數(shù);1導(dǎo)熱系數(shù),單位W/(m-k)；de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4由t22de-VM冗doUo014(o)1.05Uw2、do)4(3-19)式中：do換熱管外徑,單位mmt換熱管管心距,單位mm4(0.0322-0.0252)代入數(shù)據(jù)(3-19)有：de=-24=0.020(mde3.140.025殼程流通截面積(3-20)o=BD(1)式中：B折流板間距.u.Re0式中：de直徑.單管程結(jié)構(gòu),殼體內(nèi)徑.,一,2代入數(shù)據(jù)(3-20)有：So=0.5X1.7X(10.

16、025/0.032)=0.1860(m殼程熱水的流速及其雷諾數(shù)分別為2.4109/280243600/9770.5460.1860(3-21)熱水在0.1MPa,72.5C下的密度.熱水在0.1MPa,72.5C下的粘度那么代入數(shù)據(jù)有：Re.0.020.54697739.335105=27123普朗特準(zhǔn)數(shù)(3-22)式中：Pr普朗特數(shù);1導(dǎo)熱系數(shù),單位W/(mk);1粘度,單位m/so那么代入數(shù)據(jù)有：Pr4.18910339.3351052.4610.6695因此,殼程熱水的傳熱膜系數(shù)為i0.36Re0.55Pr1/3()0.14(3-33)dew式中：Re雷諾數(shù)；Pr普朗特數(shù)；1導(dǎo)熱系數(shù),單

17、位W/(mk)；d換熱管當(dāng)量直徑,單位mm那么由式(3-6)得：i0.360.6695271230.552.4611/3(1.05)=4495W/(mk)0.02(2)管程對流傳熱系數(shù)i0.023Re0.8Pri0.4(3-34)di式中：Re雷諾數(shù)；Pr普朗特數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù),單位W/(mk)；di換熱管內(nèi)徑,單位mm管程流通截面積Si0.02c0.0250.00250.0251C0c0.000344-0.0001720.020450.02254495-16320.2562m242管程循環(huán)水的流速及其雷諾數(shù)分別為Ui127.29/994.80.4990.2562同(3-21)ReidUii代入數(shù)

18、據(jù)有：ReiPrCpiUi(3-35)0.020.499994.8=129950.76410=737.4W/(m-C)普朗特準(zhǔn)數(shù)因此,管程循環(huán)水的傳熱膜系數(shù)代入數(shù)據(jù)3-34有:062330.80.4i0.0237129954.9726603總傳熱系數(shù)K冷卻水側(cè)的熱阻Rso=0.000172mi-C/W熱水側(cè)的熱阻R1=0.000344m2-C/W鋼的導(dǎo)熱系數(shù)入=45W/mC根據(jù)KododoRsi.ddiii1bd.1RRsodm.(3-36)式中：dm對數(shù)平均直徑,取0.0225mmb傳熱管壁厚,m=K00.02526600.0200將數(shù)值依次代入5-6得：知此計算值與前面的初設(shè)值K=280.

19、5W/(m2C)的關(guān)系:K0737.42K7280.5滿足換熱器設(shè)計要求,初選的換熱器適宜.(4)傳熱面積Si=Q/(Kqtm)(3-37)代入數(shù)據(jù)有：S1=7969.57X103/(356.9X40)=558.2(m2)面積裕度為SS1H100%(3-38)Si=(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：RRHFtNpNs(3-39)式中：Np管程數(shù)；pNs殼程數(shù)；Ft結(jié)構(gòu)校正系數(shù)取n=1Np=4Ft=1.4直管局部的壓降(3-40)由管內(nèi)流體：Re=12995,傳熱管相對粗糙度e/d=0.1/

20、20=0.005查莫狄摩擦系數(shù)圖,得：入i=0.0282代入數(shù)據(jù)(3-40)有：p0.028046899481220.2P10.022彎管回路中的壓降2p23Ui2i300.8(3-41)因此總壓降為R=(1220.2+300.8)X1.4X4X1=8517.6Pa100kPa管程流動阻力在允許范圍之類.(2)殼程阻力總壓降：PRRFsNs(3_42)式中：Fs結(jié)垢校正系數(shù),對流體Fs1.0;Ns殼程數(shù),Ns1.流體橫過管束的壓降2p1=Ffnc(NB+1)u(3-43)式中：F=0.5f0=5.0X(27123)-0.228=0.4877-=48Ns=15uo=0.546m/s所以,p1=0

21、.5X0.4877X48X(15+1)X(90X0.5462)/2=2512.36(Pa)流體流過折流板缺口的阻力P2Ns3.5型u-(3-44)D2式中：B=0.50mD=1.70m2代入數(shù)據(jù)有：p215(3.5205)977；5466360.6(Pa)因此計算總阻力將數(shù)值代入(3-43):P0=(2512.36.6+6360.6)11X1=8872.96Pa105Pa殼程流動阻力也比擬適宜.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3-1o3-1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果換熱面積/m2680.70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不人丁105不大于105操作溫度(進(jìn)/出)/C25/4085/60流/(kg/s)127.2913.89流體密度/(kg/m3)994.8977流速/(m/s)0.4990.546傳熱量/kW7969.57總傳熱系數(shù)/W/(m2-K)356.9對流傳熱系數(shù)/W/(m2-K)26604495污垢熱阻/m2K/W