管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

1、.河南理工大學(xué)管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)姓名：李欽博學(xué)號(hào)：學(xué)院：機(jī)械與動(dòng)力機(jī)械學(xué)院專業(yè)：熱能與動(dòng)力工程班級(jí)：熱動(dòng) 1201指導(dǎo)老師 ：王華河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程系2016.3.下載可編輯 .管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一臺(tái)煤油冷卻的換熱器二、操作條件：1、煤油：入口溫度140，出口溫度 40。2、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度40。3、允許壓強(qiáng)降：不大于100kPa。三、設(shè)備型式：管殼式換熱器四、處理能力：14t/h五、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)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表。4、設(shè)備簡(jiǎn)圖。（

2、要求按比例畫出主要結(jié)構(gòu)及尺寸）5、對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述及有關(guān)問(wèn)題的討論。.下載可編輯 .目錄一 設(shè)計(jì)概述31.1 熱量傳遞的概念與意31.2 換熱器的概念及意義51.3 管殼式換熱器的簡(jiǎn)介5二 . 試算并初選換熱器規(guī)格.62.1.流體流動(dòng)途徑的確定62.2.物性參數(shù)及其選型62.3.計(jì)算熱負(fù)荷及冷卻水流量72.4.計(jì)算兩流體的平均溫度差72.5.初選換熱器的規(guī)格8三. 工藝計(jì)算93.1.核算總傳熱系數(shù)93.2.核算壓強(qiáng)降113.3 經(jīng)驗(yàn)公式12四. 設(shè)計(jì)評(píng)述13參考文獻(xiàn)13.下載可編輯 .一. 設(shè)計(jì)概述1.1 熱量傳遞的概念與意義1. 熱量傳遞的概念熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡(jiǎn)稱傳熱。由

3、熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過(guò)程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過(guò)程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問(wèn)題，由此可見；傳熱過(guò)程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用?？傊瑹o(wú)論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金，

4、機(jī)械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問(wèn)題。應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴(kuò)展。3. 傳熱的基本方式根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式：（ 1）熱傳導(dǎo)（又稱導(dǎo)熱）物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。（ 2）熱對(duì)流（簡(jiǎn)稱對(duì)流） 流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程稱為

5、熱對(duì)流。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移的自然對(duì)流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流。.下載可編輯 .此外，流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過(guò)程，通常稱為對(duì)流傳熱。（ 3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。1.2 換熱器的概念及意義在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過(guò)程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過(guò)程：如加

6、熱、冷卻、 蒸發(fā)和冷凝。 換熱器就是用來(lái)進(jìn)行這些熱傳遞過(guò)程的設(shè)備，通過(guò)這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動(dòng)力，原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對(duì)于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產(chǎn)中，有時(shí)作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分，因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo)地位。【表】換熱器設(shè)計(jì)要求序特別要求號(hào)1 對(duì)事故工況的校核2 對(duì)管箱隔板強(qiáng)度的校核3 各部件吊耳安裝位置的校核4 浮頭式和 U 形管束固定管板外徑延伸

7、，使管板兼作試壓法蘭時(shí)的強(qiáng)度校核5 管板的剛度校核6 風(fēng)載荷和地震載荷的校核7 進(jìn)出口接管承受管線載荷的校核8 疊裝換熱器中，底下那臺(tái)換熱器的校核9 鞍式支座的校核10 外表油漆干膜厚度的檢測(cè)11 封頭熱壓成形時(shí)，終壓溫度的檢測(cè)12 殼體直線度的檢測(cè)13 氫工況的判別及材料要求1.3 、管殼式換熱器的簡(jiǎn)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.下載可編輯 .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

8、一個(gè)對(duì)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。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(guò)兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過(guò)換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，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）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

9、廣泛，適用范圍大。二 試算并初選換熱器規(guī)格2.1. 流體流動(dòng)途徑的確定本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程，且均不易結(jié)垢，根據(jù)兩流體的情況，故選擇煤油走換熱器的管程，循環(huán)水走殼程。2.2. 確定流體的定性溫度、物性數(shù)據(jù)，并選擇列管換熱器的型式冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，取入口溫度為：30，出口溫度為：（25 510） 煤油的定性溫度 Tm1404090o c2水的定性溫度： tm403035o c2兩流體的溫差： Tmtm9035 55o c由于兩流體溫差不大于60，故選用固定管板式列管換熱器.下載可編輯 .查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社P265 圖 421 表 433可有：u煤油0.381cp

10、 =0.604mPa· s水 0.825cp =0.825mPa· sP238 圖 415 表 4 16可有：cp煤油2.33KJ/(· oC)Cp 水 4.176KJ/(· oC)P274 圖 4 28(2) 液體導(dǎo)熱系數(shù)可有：煤油0.128W/( m· oC)水 =0.613W/( m·oC)查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下:物性密度/m3比熱 KJ/( · oC)粘度 mPa·s導(dǎo)熱系 W/( m· oC)流體煤油74420330.6040.1028水996.354.1

11、760.8520.6132.3 計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量Q3220003600Wct1)4.176 103 (3015.4kg / hCp(t 225)Q Wh C phT1T21.141081.828 103(80 40) / 3600 3.22 105W300242.4 計(jì)算兩流體的平均溫度差暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算，逆流時(shí)平均溫度差為：，t 2t180 3040 25tmt 28029.07 C30lnln25)t1(40而t 2t13025PT1800.091T225.下載可編輯 .RT1T280408t2t13025由換熱器原理查圖419 可得 :t 0.82所以tmtt m，0.9

12、629.0727.9 C又因?yàn)?0.96> 0.8 ，故可選用雙殼程的列管換熱器。2.5 試算和初選換熱器的規(guī)格根據(jù)低溫流體為水，高溫流體為有機(jī)物有K 值的范圍： 430 850W/( m2 · oC）,假設(shè) K 400W / m2 oC又因?yàn)槊河妥吖艹糖页踹x192.mm， L= 4.5m的列管，所以設(shè)ui0.9m / s由 V uidi2 ni 可求得：4單管程的管子根數(shù)：niV115369 428根3002436000.01523.14ui 420.9diS0Qtm3.2210528.85m2K 040027.9LiS0106.634.82d0 ni3.140.02539管

13、程數(shù)：N pLi34.826L6所以n N pni428108根將這些管子進(jìn)行排列有圖如下：據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為：殼徑 D473 管子尺寸 25×2.5mm管 程 數(shù) N p4管 長(zhǎng) L4.5 m管子總數(shù) n68管子排列方法正三角形實(shí)際傳熱面積 Sn d L108 3.14 0.015 4.522.89m2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為：.下載可編輯 .Q3.22105433W /( m2 ? ）S t m22.8932.5三 工藝計(jì)算3. 1. 核算總傳熱系數(shù)1）計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù)in21080.015 20.00477 m2Aidi4444Vs

14、1140000000.925 m s（與假設(shè)ui0.00477 300 24 3600 996.325Ai相一致 合適）diui0.015 0.925 996.325104湍流Rei0.8521031.6225C p4.176 1030.852 103Pri0.6135.8圖殼程摩擦系數(shù)f 0 與 Re0 的關(guān)系所以.下載可編輯 .i 0.023 Re0.8 Pri0 .3 (煤油被加熱）di0.0230.613(1.6225 104 )0.85.80.40.0154432W/ m2C2）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)0換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：AhD 1d00.150.410.0190.0

15、244m20t0.032式中 h折流擋板間距，取300 mm；t管中心距，對(duì)252.5mm， t32mm。因?yàn)?WC15.4kg / h所以u(píng)0Vs1140000000.22m / sA0360030024863.60.0244由正三角形排列得：4(3 t 2d02 )4(30.03223.14 0.0192 )de2424md03.14 0.0190.05因?yàn)镽e0 在 2103 1106范圍內(nèi)，故可用下式計(jì)算00.36Re 00.55Pr0103d ePr0C p1.8281030.381 1030.1514.6殼程中水被加熱，取1.05 ，0.1511所以00.36(24154) 0.5

16、5 ( 4.6) 31.05484 W / m2C0.053 ）確定污垢熱阻管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為：Rsi 0.0002m 2C / W (有機(jī)液體）， Rso 0.00017 m 2C /W（井水） 4 ）總傳熱系因?yàn)槊河蜑橛袡C(jī)物，管子材料選用不銹鋼，取其導(dǎo)熱系數(shù)為w 16.5W /.下載可編輯 .( m· oC)，總傳熱系數(shù) K 0為：K 011d 0d0RsoRsi0dii d i111.71042.0104191915484154432360W / m2C由前面計(jì)算可知， 選用該型號(hào)換熱器時(shí)， 要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為W/m2C，443在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的

17、 K 0為 526W / m2C ，其安全系數(shù)為：443360100 20.2 360故所選擇的換熱器是合適的。3.2.核算壓強(qiáng)降1）計(jì)算管程壓強(qiáng)降PiP1P2 Ft N p Ns前面已算出： ui0.925 m s， Rei1.6225104 （湍流）取不銹鋼管壁粗糙度0.1mm則0.10.0067 ，由熱交換器原理上di15冊(cè)第一章 P54 的Re 關(guān)系圖中查得：0.0338P1Lui24.5996.3250.9252所以di20.0330.01524322 PaP3ui23 996.3250.925 25115 Pa222對(duì)于192mm的管子4 ， Ns=1Pi432251151.441

18、 52847Pa2 ）計(jì)算殼程壓強(qiáng)降PP ，P， FNs012s其中Fs，F(xiàn)f 0nc N Bu021.15 Ns 1P112.下載可編輯 .管子為正三角形排列，取F=0.4nc1.19n1.110812取折流擋板間距h0.15m折流擋板數(shù)：N BL14.5129h0.15殼程流通面積A0h Dncd 00.150.4120.0190.025m2u0Vs1140000000.2m / sA0360030024836.60.025Re0d0 u00.0190.2 836.68344 5000.381103f 05.0Re00.2285.08344 0.2280.64，0.40.641229183

19、6.60.22所以 P127710 Pa，2hu0220.15836.6 0.22N B3.5293.5P2D20.421334PaP0771013341.15110401Pa由上面計(jì)算可知， 該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿足題目要求，故所選換熱器合適。3.4. 經(jīng)驗(yàn)公式1. 管程對(duì)流傳熱系數(shù)i ，可用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式：i0.023Re0.8 Pri0 .3di2. 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)0 ，可用關(guān)聯(lián)式計(jì)算：0.55100.36Re 0Pr0 3de3. 管程壓強(qiáng)降可用：PiP1P2 Ft N p Ns4. 殼程壓強(qiáng)降可用埃索法：， ，P0P1P2 Fs N s.下載可編輯 .四. 設(shè)計(jì)評(píng)述通過(guò)

20、本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解，同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我也掌握了一定的工藝計(jì)算方法。換熱器是化工廠中重要的化工設(shè)備之一，而且種類繁多，特點(diǎn)不一，因此，選擇合適的換熱器是相當(dāng)重要的。 在本次設(shè)計(jì)中， 我發(fā)現(xiàn)進(jìn)行換熱器的選擇和設(shè)計(jì)是要通過(guò)反復(fù)計(jì)算， 對(duì)各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行比較后， 從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設(shè)計(jì)，為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮很多方面的因素。首先要滿足傳熱的要求，本次設(shè)計(jì)時(shí)，由于初選總傳熱系數(shù)不合適，使規(guī)定條件下的計(jì)算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi)， 因此，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算， 才選擇到合適的 K 值，安全系數(shù)為 16.8%，滿足要求。其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類型，通過(guò)分析操作要求及計(jì)算，本次設(shè)計(jì)選用換熱器為上述計(jì)算結(jié)果。再次，從壓強(qiáng)降來(lái)看，