管殼式換熱器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

河南理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)管殼式換熱器設(shè)計(jì)學(xué) 院：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院專 業(yè)：熱能與動(dòng)力工程專業(yè)班 級(jí)：11-02 班學(xué) 號(hào)：姓 名：指導(dǎo)老師：小組成員：0目錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) .2第二章 管殼式換熱器簡(jiǎn)介 .3第三章 設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟 .5第四章 工藝計(jì)算 .64.1 物性參數(shù)的確定 .64.2 核算換熱器傳熱面積 .74.2.1 傳熱量及平均溫差 .74.2.2 估算傳熱面積 .9第五章 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)計(jì)算 .115.1 換熱管計(jì)算及排布方式 .115.2 殼體內(nèi)徑的估算 .135.3 進(jìn)出口連接管直徑的計(jì)算 .145.4 折流板 .14第六章 換熱系數(shù)的計(jì)算 .206.1 管程換熱系數(shù) .206.2 殼程換熱系數(shù) .20第七章 需用傳熱面積 .23第八章 流動(dòng)阻力計(jì)算 .258.1 管程阻力計(jì)算 .258.2 殼程阻力計(jì)算 .26總結(jié) .291第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)煤油冷卻的管殼式換熱器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)用冷卻水將煤油由 140冷卻冷卻到40的管殼式換熱器，其處理能力為 10t/h，且允許壓強(qiáng)降不大于 100kPa。設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、設(shè)備形式：管殼式換熱器2、操作條件（1）煤油：入口溫度 140，出口溫度 40（2）冷卻水介質(zhì)：入口溫度 26，出口溫度 402第二章 管殼式換熱器簡(jiǎn)介管殼式換熱器是在石油化工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器。縱然各種板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力不斷上升，管殼式換熱器依然在換熱器市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。目前各國(guó)為提高這類換熱器性能進(jìn)行的研究主要是強(qiáng)化傳熱，提高對(duì)苛刻的工藝條件和各類腐蝕介質(zhì)適應(yīng)性材料的開(kāi)發(fā)以及向著高溫、高壓、大型化方向發(fā)展所作的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。強(qiáng)化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)，主要是通過(guò)強(qiáng)化管程傳熱和殼程傳熱兩個(gè)方面得以實(shí)現(xiàn)。目前，管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴(kuò)展表面；用添加內(nèi)物的方法以增加流體本身的繞流；將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并增加其抗污垢能力；改變管束支撐形式以獲得良好的流動(dòng)分布，充分利用傳熱面積。管殼式熱交換器（又稱列管式熱交換器）是在一個(gè)圓筒形殼體內(nèi)設(shè)置許多平行管子（稱這些平行的管子為管束） ，讓兩種流體分別從管內(nèi)空間（或稱管程）和管外空間（或稱殼程）流過(guò)進(jìn)行熱量交換。在傳熱面比較大的管殼式熱交換器中，管子根數(shù)很多，從而殼體直徑比較大，以致它的殼程流通截面大。這是如果流體的容積流量比較小，使得流速很低，因而換熱系數(shù)不高。為了提高流體的流速，可在管外空間裝設(shè)與管束平行的縱向隔板或與管束垂直的折流板，使管外流體在殼體內(nèi)曲折流動(dòng)多次。因裝置縱向隔板而使流體來(lái)回流動(dòng)的次數(shù)，稱為程數(shù)，所以裝了縱向隔板，就使熱交換器的管外空間成為多程。而當(dāng)裝設(shè)折流板時(shí)，則不論流體往復(fù)交錯(cuò)流動(dòng)多少次，其管外空間仍以單程對(duì)待。管殼式熱交換器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，選材范圍廣，處理能力大，還能適應(yīng)高溫高壓的要求。雖然它面臨著各種新型熱交換器的挑戰(zhàn)，但由于它的高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性，至今仍然居于優(yōu)勢(shì)地位。由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過(guò) 50時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措3施，以消除或減少熱應(yīng)力。根據(jù)所采用的補(bǔ)償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U 形管式換熱器、雙重管式換熱器及填料函式換熱器。4第三章 設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，如果只作簡(jiǎn)單估算，或盲目加大傳熱面積的安全系數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)。只有進(jìn)行比較詳細(xì)的計(jì)算，才能使投入運(yùn)行的熱交換器，在安全和經(jīng)濟(jì)方面得到可靠保證。換熱器一般的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟如下：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)搜集有關(guān)的原始資料，并選定熱交換器類型等。（2）確定定性溫度，并查取物性數(shù)據(jù)。（3）由熱平衡計(jì)算熱負(fù)荷及熱流體或冷流體的流量。（4）選擇殼體和管子的材料。（5）選定流動(dòng)方式，確定流體的流動(dòng)空間。（6）求出平均溫差。（7）初選傳熱系數(shù) K0，并初計(jì)算傳熱面積 F。（8）設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)包括：選取管徑和管程流體流速；確定每程管數(shù)、管長(zhǎng)、總管數(shù)；確定管子排列方式、管間距、殼體內(nèi)徑和連接管直徑等；確定殼側(cè)程數(shù)及折流板的數(shù)目、間距、尺寸等殼程結(jié)構(gòu)尺寸；初確定傳熱面積。（9）管程換熱器計(jì)算及阻力計(jì)算。當(dāng)換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于初選傳熱系數(shù)且壓降小于允許壓降時(shí)，才能進(jìn)行下一步計(jì)算。（10）殼程換熱計(jì)算。根據(jù)采用結(jié)構(gòu)，假定壁溫和計(jì)算換熱系數(shù)。（11）校核傳熱系數(shù)和傳熱面積。根據(jù)管、殼程換熱系數(shù)及污垢熱阻、壁面熱阻等，算出傳熱系數(shù) K 及傳熱面積 F。（12）核算壁溫。要求與假定的壁溫相符。（13）計(jì)算殼程阻力，使之小于允許壓降。5第四章 工藝計(jì)算在換熱器設(shè)計(jì)中，根據(jù)所選換熱器類型和所給已知條件，計(jì)算出煤油的流速和水的流速等，然后計(jì)算出傳熱面積。工藝設(shè)計(jì)中包括了物性數(shù)據(jù)的確定、傳熱量及平均溫差、初選傳熱系數(shù)、估算傳熱面積其具體運(yùn)算如下所述。4.1 物性參數(shù)的確定表 3-1 水和煤油的操作參數(shù)冷卻水 煤油進(jìn)口溫度（）出口溫度（）進(jìn)口溫度（ ）出口溫度（ )26 40 180 40定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可以取流體進(jìn)出口溫度的平均值。煤油的定性溫度為：180412mCt（1）水的定性溫度：216403mCt（2）由定性溫度條件下查物性表得出水與煤油的物性參數(shù)，如比熱、密度、黏度導(dǎo)熱系數(shù)。所查結(jié)果見(jiàn)表 2-2：表 3-2 水與煤油的物性參數(shù)名稱 定性溫度 C比熱kJg:密度 3km黏度Mpas:導(dǎo)熱系數(shù) Wmk:水 33 4.174 994.7 0.0007422 0.6623煤油 110 2.432 758.32 0.0005125 0.102664.2 核算換熱器傳熱面積選擇熱水走殼程，冷水走管程。這是因?yàn)椋罕焕鋮s的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力。由煤油的每小時(shí)產(chǎn)量(一天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）可以計(jì)算出煤油流量：102.7836Mkgst（3）式中 M 表示煤油的年產(chǎn)量；M 1 表示煤油流量；t 表示時(shí)間。煤油的普朗特常數(shù)：10.52.431.6prcP（4）式中 Pr1 表示煤油的普朗特常數(shù)； 1 表示煤油的黏度；c p1 表示煤油的比熱； 1表示煤油的導(dǎo)熱系數(shù)。水的普朗特常數(shù)：20.7420164.753prcP（5）式中 Pr2 表示煤油的普朗特常數(shù)；2 表示煤油的黏度；cp2 表示煤油的比熱；2表示煤油的導(dǎo)熱系數(shù)。4.2.1 傳熱量及平均溫差一般情況下，工程上常用熱損失系數(shù) c 來(lái)估算損失的熱量。c 通常取0.020.03。L 取用 0.98。 由上面的計(jì)算結(jié)果和已知條件代入下式可以得出煤油的傳熱量： （6）112.78.4350.982.04pLQMc kWt7式中 Q 表示傳熱量；M 1 表示煤油流量； L 熱負(fù)荷修正系數(shù)。由以上的計(jì)算結(jié)果及已知條件，可以計(jì)算出冷卻水量：22928.0415.807.176p kgsct（7）式中 M2 代表冷卻水量；c p2 代表水的比熱；計(jì)算兩種流體的平均傳熱溫差時(shí)按單殼程，兩管程計(jì)算。按逆流設(shè)計(jì)換熱器：煤油 180 40水 40 26從而，maxin121, i 1cttttII(8)8046125.7InC溫差修正系數(shù) 取決于兩個(gè)無(wú)量綱參數(shù) P 及 R：214026.9018tP（9）1204126tR（10）式（9）中，參數(shù) R 具有兩種流體熱容量之比的物理意義。式（10）中參數(shù) P8的分母表示換熱器中水理論上所能達(dá)到的最大升溫，因而 P 的值代表該換熱器中水的實(shí)際升溫與理論上所能達(dá)到的最大升溫之比。所以，R 的值可以大于 1或小于 1，但 P 的值比小于 1。2 211PInRR（11）2 20.910.101In0.82935式中 表示溫度修正系數(shù)。1,0.829354.7105