管殼式換熱器設計

1、課 程 設 計 設計題目：管殼式水-水換熱器姓 名 院 系 專 業(yè) 年 級 學 號 指導教師 年 月 日 目錄 1前言12課程設計任務書23課程設計說明書3 3.1確定設計方案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工藝結構尺寸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換熱器主要結構尺寸、計算結果 133.7換熱器示意圖、管子草圖、折流板圖144設計總結 155參考文獻 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備，成為熱交換器。熱交換器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用極為普遍，例如動力工業(yè)中鍋爐設備的過熱器、省煤器、空氣預測器，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)中高爐的熱風爐，煉鋼和軋鋼生產(chǎn)工藝中的空氣和煤氣預熱；制冷工業(yè)中蒸汽壓縮式制冷機或吸收式制冷機中的蒸發(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，都是熱交換器的應用實例。在化學工業(yè)和石油化學工業(yè)的生產(chǎn)過程中，應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的不易遭到破壞的工藝結構，制造簡單，裝修方便，經(jīng)濟合理，運行可靠。 （3）設備緊湊。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、管束等主要元件構成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導熱元件，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行的安全可靠性。 2課程設計任務書2.1設計題目管殼式水-水換熱器設計2.2設計任務設計一個處理能力為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，

5、冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為25，出口溫度為40，允許壓強降不大于105Pa。每年按照280天計算，每天連續(xù)24小時運行。試設計一臺管殼式換熱器，完成該生產(chǎn)任務。2.3設計原始資料（技術參數(shù)） 熱水在72.5下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 恒壓比熱容 =4.189kJ/(kg.) 導熱系數(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) 導熱系數(shù) =0.6233w/(m) 粘度 3課程設計說明書3.1 確定設計方案3.1.1.選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進口溫度85，出口溫度60。冷流體（循環(huán)水）

6、進口溫度25，出口溫度40。該換熱器冷卻熱的熱水，傳熱量較大，可預計排管較多，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0.1MPa，應使熱水走管程，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，應使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用25mm×2.5mm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：可取流體進出口溫度的平均值。殼程熱水的定性溫度為 T=(85+60)/2

7、=72.5管程流體的定性溫度為 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物性數(shù)據(jù)。熱水在0.1MPa，72.5下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =977 kg/m³ 定壓比熱容 =4.189 /(kg·) 導熱系數(shù) =0.6695 W/(m·） 黏度 =39.335×10-5 Pa·s循環(huán)水在0.1MPa，32.5下的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =994.8 kg/m³ 定壓比熱容=4.174 /(kg·) 導熱系數(shù) =0.6233 W/(m·） 黏度 =76.4×10-5

8、Pa·s3.3 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/（kg·k)； 熱源進口溫度，單位K； 熱源出口溫度，單位K。2則：=2.4*109/（3600*24*280）×4.189×10 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

9、； 定壓比熱容，單位/（kg·k)； 冷源進口溫度，單位K； 冷源出口溫度，單位K。 則：=7969.57×10 3/4.174×10 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)； 導熱系數(shù)，單位W/(m·k)； 換熱管內(nèi)徑，單位mm。 則管程換熱系數(shù)： =4693.67W/(m·k)殼程傳熱系數(shù)假設殼程的傳熱系數(shù)0=390W/(m2·)污垢

10、熱阻：熱水側的熱阻0.000344m2·/W 冷卻水側的熱阻0.000172m2·/W鋼的導熱系數(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 計算傳熱面積計算傳熱面積 =/Kt （3-7） 式中：傳熱系數(shù)，W/(m·k)； 與值對應的傳熱面積，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 工藝結構尺寸3

11、.4.1 管徑和管內(nèi)流速 選用25×2.5mm的傳熱管(碳鋼管)，可設管內(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按單管程設計，傳熱管過長,宜采用多管程結構?，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

12、根數(shù) N = 408×4= 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、四管程結構，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：=0.95×40=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，隔板兩側采用正方形排列。取管心距t=1.25，則： （3-12） t=1.25×2531.2532（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 采用單管程結構，取管板利用率=0.7，則殼體內(nèi)徑為：

13、（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=0.25×1700=425mm ，故可取h=425mm.取折流板間距B=0.3D，則： B=0.3×1700=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)折流板圓缺面水平裝配。 3.4.7 接管 殼程流體進出口接管：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

14、：取標準管徑為 102 mm。 管程流體進出口接管：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：取標準管徑為 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)； 導熱系數(shù)，單位W/(m·k)； 當量直徑，單位mm。 水做冷卻劑時，粘度校正為 當量直徑，管子為正三角形排列時 （3-19） 式中： 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

15、中： 折流板間距。 單管程結構，殼體內(nèi)徑。 代入數(shù)據(jù)（3-20）有：So =0.5×1.7×（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 普朗特準數(shù) （3-22） 式中：普朗特數(shù)； 導熱系數(shù)，單位W/(m·k)； 粘度 ，單位m/s。 則代入數(shù)據(jù)有： 因此，殼程熱水的傳熱膜系數(shù)為 （3-33） 式中：雷諾數(shù)； 普朗特數(shù)； 導熱系數(shù)，單位W/(m·k)； 換熱管當量直徑，單位

16、mm。則由式（3-6）得：= 4495W/(m·k) (2)管程對流傳熱系數(shù) （3-34） 式中：雷諾數(shù)； 普朗特數(shù)； 導熱系數(shù)，單位W/(m·k)； 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 冷卻水側的熱阻0.000172m2·/W 熱水側的熱阻0.000344m2·/W 鋼的導熱系數(shù)45W/(m2·) 根據(jù) （3-36） 式中：對數(shù)平均直徑，取

17、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值Ki=280.5 W/ (m2·)的關系： 滿足換熱器設計要求，初選的換熱器合適。（4）傳熱面積 /() （3-37） 代入數(shù)據(jù)有：7969.57×103/（356.9×40）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)； 結構校正系數(shù)。 取 Ns=

18、1 Np=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）×1.4×4×1 =8517.6Pa<100kPa 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×(

19、27123）-0.228=0.4877 =48 =15 =0.546m/s 所以，p1=0.5×0.4877×48×(15+1)×(90×0.5462)/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）×1×1=8872.96Pa<Pa 殼程流動阻力也比較適宜。3.6 換熱器主要結構尺寸、計算結果列表根據(jù)設計結果判斷該換熱器設計合理，具體結果見表3-

20、1。3-1 換熱器主要結構尺寸和計算結果換熱器型式： 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/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/(m2·K) 356.9對流傳熱系數(shù)/W/(m2·K)26604495污垢熱阻/m2·K/ 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25×2.5管數(shù) 1632管長/mm 8000管間