列管式換熱器（熱水冷卻器）課程設計論文

1、 課程設計論文列管式換熱器（熱水冷卻器）tube heat exchanger(hot water cooler) 學院：生命科學學院班級：化工092 姓名：白秋媛 學號：2009033201目錄摘要 2一、設計題目：熱水冷卻器的設計3二、操作條件3三、設計方案33.1換熱器概述33.2、列管式換熱器的分類43.3換熱器材質的選擇53.4管板式換熱器的優(yōu)點63.5列管式換熱器最終選型6四、傳熱過程計算74.1基本物性值74.2換熱器的殼程數及流程74.3估算傳熱面積8五、總結145.1設計心得145.2對這次設計過程總結14六、參考文獻15摘要換熱器是實現化工生產過程中熱量交換和傳遞不可缺少的

2、設備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。本設計就是利用相關知識，設計出達到工藝所規(guī)定的要求，同時強度、結構可靠，便于制造、安裝和檢修，以及經濟上合理的列管式換熱器，滿足生產需要。本設計以循環(huán)水和熱水為介質，按實際設計步驟進行計算、核算和結構設計。主要研究內容如下：1、對換熱器的分類、材料和運用進行闡述，了解換熱器的基本構造和基本原理。2、通過查閱換熱器設計相關標準得出的數據，對固定管板式換熱器的進行設計，具體分為換熱器的傳熱計算，核算和結構設計

3、。3、換熱器的外部設計包括它的管板的設計、封頭的設計、管箱和折流擋板的設計。 4、換熱器的內部設計包括：它的換熱管的尺寸、固定管板的厚度以及折流擋板的尺寸。關鍵詞：換熱器、設計計算、固定管板式一、設計題目：熱水冷卻器的設計二、操作條件處理能力：噸/年熱水（每年按300天計算，每天24小時連續(xù)運行）1、 操作條件：熱水：入口溫度80，出口溫度60 冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度25，出口溫度35允許壓強：105pa2、 設備類型：列管式換熱器3、 建廠地址：大連地區(qū)三、設計方案3.1換熱器概述1、換熱器簡介 換熱器是將熱流體的部分能量傳遞給冷流體的設備，以實現不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱交換器。換

4、熱器是實現化工生產中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。而在工程實踐中，也會存在兩種以上的流體參加換熱。換熱器可應用于化工、石油、制冷、食品等行業(yè)中，因此，是十分重要的設備。2、換熱器類型管殼式換熱器的突出優(yōu)點是單位體積設備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果較好。管殼式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內部裝有平行管束，管束兩端固定于管板上。在管殼式換熱器內進行換熱的兩種流體，一種在管內流動，其行程稱為管程；另一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。3.2、列管式換熱

5、器的分類根據列管式換熱器的結構特點，常將其分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、u形管換熱器、釜式換熱器、填料函式換熱器等。1、固定管板換熱器 這種換熱器的兩端管板和殼體是連在一起的。主要特點是結構簡單，制造成本低，但由于殼程不易清理或檢修，管外物料應是比較清潔、不易結垢的。適于處理兩流體溫差不大的情況。若兩流體溫差過大，可在殼體壁上安裝膨脹節(jié)。2、浮頭式換熱器 這種換熱器中兩端的管板，有一端不與殼體相連，可以沿管長方向自由移動，故稱浮頭。主要特點是整個管束可以由殼體中拆卸下來，便于清洗和檢修。但結構比較復雜，金屬耗量多，造價較高。3、u形管換熱器 這種換熱器每根管子都彎成u形，進出口分別安裝在

6、同一管板兩側。每根管子都可以自由收縮，且與其他管子和外殼無關。但管程不易清洗，適用于潔凈而不易結垢的流體。4、釜式換熱器 這種換熱器的結構特點是在殼體上部設置適當的蒸發(fā)空間。釜式換熱器清洗維修方便，可處理不清潔、易結垢的介質，并能承受高溫、高壓。適用于液-汽式換熱。5、填料函式換熱器 這種換熱器的結構特點是管板只有一端與殼體固定相連，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材小，造價低，管束可以自由從殼體內抽出，管內、管間均能進行清洗，維修方便。缺點是耐壓不高。適用于管、殼壁溫差較大或介質易結垢

7、，需經常清洗且壓力不高的場合。由于，本次設計冷熱流體溫差不大，且該換熱器用循環(huán)水冷卻，熱流體為熱水，為不易結垢和清潔的流體，故可采用固定管板的結構。該種換熱器管板和殼體連在一起，結構簡單，在同樣的殼體直徑內，排管較多。同時管板式換熱器制造簡單，造價低，傳熱效率大，換熱表面清洗方便，適用于本次任務的熱水冷卻。3.3換熱器材質的選擇1、換熱器考慮到設備的操作壓力、溫度、流體的腐蝕性和經濟合理性等因素，換熱器一般采用的材料有碳鋼和不銹鋼兩種。由于碳鋼的價格低，強度高，且本次設計對材料的抗腐蝕行要求不高，所以換熱器材料選用碳鋼。2、管板管板的作用是將管束連接在一起，是管程和殼程分開。管板和管子的連接方

8、式一般為脹接和焊接。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼且壓力和溫度都不太高的情況。3、封頭和管箱封頭和管箱位于殼體兩端，作用是控制和分配管程流體。殼徑較小時采用封頭，封頭與殼體之間用螺紋連接，方便拆卸；殼徑較大時采用管箱，其結構大多是方便拆卸的。3.4管板式換熱器的優(yōu)點1、傳熱系數大由于流體在板片間流動湍動程度高，而且板片厚度又薄，所以，傳熱系數k大。2、結構緊湊單位體積設備提供的傳熱面積大，每立方米體積可具有250m2以上的傳熱面積。3、操作靈活性大只需要在適當位置安排中間擋板，便可以進行多段操作；還可以通過增減板片數以增減傳熱面積。4、板片加工制造容易，金屬消耗量低。但管板式換熱器也

9、存在一定的缺點，比如允許操作壓力、溫度和處理量都較低。3.5列管式換熱器最終選型1、合理安排流程，由于，循環(huán)水較易結垢，為方便清洗，循環(huán)水走管程，熱水走殼程。2、換熱器的管子是傳熱元件，管子尺寸大小對傳熱有很大的影響。小直徑的管子能使換熱器的傳熱面積大些，但管徑小也會導致費用高，不易清洗等問題。根據本次設計條件，選用規(guī)格的鋼管。3、管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列兩種。由于，三角形排列布管數多，能夠獲得較高的對流傳熱系數，并且適合于清潔的殼程介質。因此，選擇正三角形排列。 (a) 正方形直列 （b）正方形錯列 (c) 三角形直列 (d) 三角形錯列4、流速的選擇 列管式換熱器內常用流速

10、范圍流體種類流速u/(m/s)管程殼程一般流體0.530.21.5易結垢流體10.5氣體530315可選流速為0.5m/s5、折流擋板的選用 安裝折流擋板的目的是為了提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當。因為，間距太大，不能保證流體垂直通過管束，是管外表面?zhèn)鳠嵯禂迪陆?；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失也大。一般取擋板間距為殼體內徑的0.21.0倍。四、傳熱過程計算4.1基本物性值水進主換熱器的溫度：80 水出主換熱器的溫度：60 循環(huán)水進主換熱器的溫度：25 循環(huán)水進主換熱器的溫度：35 熱水的定性溫度tm=(80+60)/2=70查表得70下水的物性值為：h=9

11、97.8kg/m3 冷水的定性溫度tm=(35+25)/2=30查表得30下水的物性值為：c=995.7kg/m3 4.2換熱器的殼程數及流程1、換熱器的殼程數ns的確定初選換熱器的殼程數為1，管程數為4。2、流程確定由于冷熱流體的物性及流量均相近，且循環(huán)冷卻水比較容易結垢，同時為增加熱損失，選擇熱流體走殼程，冷流體走管程。選用選用規(guī)格鋼管，設管內的流速。4.3估算傳熱面積1、平均溫差： 在列管式換熱器中由于加折流擋板或多管程，冷熱兩流體并非純逆流，以上應加以校正，其校正系數按一下步驟求得： p=由r，p，查下圖可得：，于是得傳熱溫度差的校正值為2、傳熱面積由于殼層走熱水，管層走冷水，根據下圖

12、可取經驗值k=860 kj/(m2h) 列管式換熱器中k值大致范圍熱流體冷流體傳熱系數k/水清油重油水水水850170034091060280傳熱面積： 根據傳熱溫差的大小，傳熱介質的性質以及結垢、清洗要求等條件選擇適宜的換熱器，為保證傳熱時流體適宜流動狀態(tài)。管層冷流體體積流量選用規(guī)格鋼管，設管內的流速，則單管程所需管子根數n應選管束長根據以上確定的條件，按列管式換熱器的標準系列，初選固定板式換熱器的主要性能參數如下：殼體內徑 450mm公稱直徑 450mm管程數 4管長 3000mm管子規(guī)格 排列方式 管間距 32mm管數 nt 106中心排管數 133、換熱器核算管程：流通截面積si=0.

13、0083m2換熱器的核算 按以上數據可以分別求出管程和殼程流體流速及雷諾數管內流速：式中 管程流速，m/s；管內流體的質量流量，kg/s；管內流體的密度,kg/m3；=41061.59式中，管內徑，m；管內流體的粘度，。殼程：擋板的間距對殼程的流動有重要的影響。間距太大不能保證流體垂直通過管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂迪陆?，間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失也大。一般取擋板間距為殼體內徑的0.21.0倍。我國系列標準中采用的擋板間距為：固定管板式有：100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm7種，因此選折流擋板間距b=200mm殼程流通截面積式中，殼體內徑，

14、m；管外徑，m；t管間距，m。流速式中，殼體流速，m/s； 殼程流體的質量流量，kg/s；殼程流體的密度,kg/m3.當量直徑：雷諾數re016855.23式中，殼程流速，m/s；普朗特數 式中，殼程流體定壓熱容，；殼程流體熱導率殼程流體的粘度，。管程表面?zhèn)鳠嵯禂礹i 管內雷諾數 =41061.5910000普朗特數 管長與管內徑比：l/di=3000/0.02=50式中，管內流體的定壓熱容，；管內流體熱導率。管內表面?zhèn)鳠嵯禂?hi管外表面?zhèn)鳠嵯禂?h0污垢熱阻及管壁熱阻 管壁內外側污垢熱阻均取為鋼管壁熱導率 =45管壁熱阻 式中 管外污垢， ； 管內污垢，;b管壁厚，m；管壁平均直徑，m。傳

15、熱面積a0所選換熱器的實際傳熱面積ap=24.1m2換熱器傳熱面裕度4、管、殼程壓力降取管壁絕對粗糙度相對粗糙度有前面計算已得=41061.59 ，故可查的直管壁摩擦系數，于是得4管程壓力降回彎壓降 式中，阻力系數。管程總壓力降其中，校正系數ft=1.4管程數np=4串聯(lián)殼程數ns=1殼程的壓力降管束壓降 所以折流擋板數三角形排列f=0.5殼程流體的摩擦系數折流擋板缺口壓降殼程總壓力降殼程壓力降結垢校正系數對于液體可取殼程數0.1mpa 換熱器操作允許壓降換熱器操作壓力p/pa允許壓降 (表壓)0.10.55有校核可知，各項性能符合要求，換熱能力滿足生產需要，所選換熱器可以采用。五、總結5.1

16、設計心得這是我第一次做課程設計，以前都是被動的學書本上的理論知識，這次做課程設計時要求將所學理論知識靈活運用。所以，受益很多。主要有：1、 掌握了查閱資料、搜集數據和合理選用公式的能力。2、 學會了從多方面考慮問題，比如在設計冷卻器時，不僅要考慮設備本身的合理性，還要考慮到應用中的經濟性和安全性等因素。3、 我的計算能力和對一些軟件的熟悉度都有明顯的提高。4、 學會了運用最簡練的語言來表達問題，并且能夠用圖說明問題。5.2對這次設計過程總結換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器（heat exchanger）。在化工生產中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻。本次設計

17、主要研究的是固定管板式換熱器，它是換熱設備的一類。通過對換熱器的分類、材料和運用等相關理論進行闡述，進而對換熱器進行熱工設計，結構設計以及強度設計。固定管板式換熱器的設計，讓我對換熱器的設計流程和作用有了更深刻了解。無論換熱設備的設計計算或是校核計算，一般均應考慮下。1、首先必須滿足工藝要求。2、換熱設備中換熱介質參數（流速、允許壓降、溫度等）的合理選取。在換熱設備中，介質流速高，傳熱系數大，在熱負荷一定的情況下，可使傳熱面積減小，設備結構緊湊，不僅節(jié)省投資，而且有利于減緩或抑制污垢的形成，但同時，介質流速高，壓降增大，而且介質對傳熱面積的沖蝕加劇，。因此介質速度的選取應考慮壓降的合理性，盡可能在允許壓降范圍內，提高流速，以加大傳熱系數。3、合理安排流程，以便獲得較大的傳熱系數，并使熱、冷流體的流向盡可能接近逆流。4、換熱設備結構參數的合理選擇主要包括結構形式、尺寸和材質等方面。5、設計計算時，應注意定性尺寸的計算。在雷諾數等的定義式中均有定性尺寸，通常是選取對流體運動或傳熱發(fā)生主導影響的尺寸作為定性尺寸。6、在達到所需工藝要求的前提下，應考慮設備費、操作費和維護費之和最低。7考慮采用各種強化傳熱措施。由傳熱基本方程t可見，增大總傳熱系數、傳熱面積和有效