管殼式換熱器課程設(shè)計(jì)說明書

1、鄭州大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書題目：縱向流管殼式換熱器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：吳金星職稱:教授學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：能源與動(dòng)力工程院（系）：化工與能源學(xué)院完成時(shí)間：2015年9月21日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書院系化工與能源學(xué)院專業(yè)能源與動(dòng)力工程姓名楊禹坤學(xué)號(hào)201512232821設(shè)計(jì)題目縱向流管殼式換熱器設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)課程傳熱學(xué)、換熱器原理與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)背景縱向流管殼式換熱器是調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)溫度、余熱回收的關(guān)鍵設(shè)備，也是傳熱學(xué)、換熱器原理與設(shè)計(jì)課程對(duì)應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用設(shè)備。作升-種通用的工藝設(shè)備，在能源、動(dòng)力、制冷、冶金、化工、煉油、輕工、醫(yī)藥等許多工業(yè)部門中有廣泛的應(yīng)用。因此，掌握縱向流管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，不但能夠鞏固換熱器

2、原理與設(shè)計(jì)和傳熱學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)設(shè)備設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖方法，而且對(duì)今后的工作也大有裨益。設(shè)計(jì)參數(shù)本設(shè)計(jì)是針對(duì)管殼式換熱器的一種結(jié)構(gòu)型式一一縱向流式，即殼程管束米用折流桿、螺旋肋片、花瓣孔板、螺旋折流板等支撐型式，使殼程流體基本呈縱向流或螺旋流，在提高換熱效率的同時(shí)，減小殼程壓降即流動(dòng)阻力。主要介質(zhì)的參數(shù)如下：換熱器管程介質(zhì)：流量2.4t/h;工作壓力：常壓；進(jìn)水溫度：23C；出水溫度：55C；殼程介質(zhì)：流量4t/h;工作壓力：常壓；進(jìn)水溫度：90C；出水溫度：75C。設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容1、對(duì)縱向流管殼式換熱器結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行初步選擇；2、對(duì)縱向流管殼式換熱器的材料、主要結(jié)構(gòu)及其參數(shù)進(jìn)行初步選擇；3、縱向流管殼

3、式換熱器的傳熱工藝計(jì)算；4、縱向流管殼式換熱器的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；5、用AUTOCA陵制縱向流管殼式換熱器的總裝備圖及零部件；6、撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。設(shè)計(jì)要求1、計(jì)算部分要求列出所有計(jì)算公式，凡出現(xiàn)公式處均必須代入相應(yīng)數(shù)據(jù)；2、總裝備圖及零部件必須嚴(yán)格按照工程圖的繪制方法進(jìn)行繪制；3、課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)包括設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)思路、計(jì)算過程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等詳細(xì)內(nèi)容。書寫格式要求1、封面：題目、姓名、時(shí)間、指導(dǎo)教師姓名；2、正文：設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)思路、計(jì)算過程及結(jié)果、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等詳細(xì)內(nèi)容；3、奔f文獻(xiàn)。經(jīng)專義獻(xiàn)1林宗虎，汪軍.強(qiáng)化傳熱技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20072吳金星，曹海亮等.高效換熱器及其節(jié)

4、能應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20093錢頌文.換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008備注通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)大家對(duì)換熱器和傳熱學(xué)的基本原理的實(shí)際應(yīng)用，重點(diǎn)鍛煉計(jì)算機(jī)繪圖能力，以及將設(shè)計(jì)過程用文字的表達(dá)能力等。課程設(shè)計(jì)說明書1 .換熱器傳熱工藝計(jì)算1.1 參數(shù)的初步選擇換熱器管程介質(zhì)：流量2.4t/h;工作壓力：常壓；進(jìn)水溫度：23C;出水溫度：55C;殼程介質(zhì)：流量4t/h;工作壓力：常壓；進(jìn)水溫度：90C;出水溫度：75C。1.2傳熱系數(shù)計(jì)算計(jì)算步驟計(jì)算內(nèi)容及過程計(jì)算結(jié)果1計(jì)'八、t1+t223+55熱負(fù)何Q0.冷水的定性溫度t一2=39CQ0Cp0-m。dt=算熱22，一T1

5、+T275+90負(fù)荷熱水的定性溫度T=一2=82,5C22(90-75)40004200/兩流體的溫差A(yù)t=Tt=82.539=43.5C/3；60070000VV水在39C下的有美物性數(shù)水在82.5C下的有美物性據(jù)數(shù)據(jù)密度992.6e卉/3970.0號(hào)度kg/mkg/m3定壓比熱容4.174定壓比熱容4.200kJ/(kgC)kJ/(kg:C)kJ/(kgC)導(dǎo)熱系數(shù)0.633導(dǎo)熱系數(shù)0.676W/(m2k)W/(m2k)W/(m-C)運(yùn)動(dòng)粘度6.736E-07運(yùn)動(dòng)粘度3.560E-072,2,m/sm/sPr4.42Pr2.14粘度pa=s0.6685E030.3478E032.冷、盡Tk

6、田盤EEQi69,567,).524kg/s僅小用mirij.rn；一m；=一（水用Cpi(t2-t1)4.174(55-23)量?jī)闪黧w的溫差&t=43,5C<50C,不需要熱補(bǔ)償3.計(jì)算平均傳熱溫差平均傳熱溫差&,本設(shè)計(jì)采用逆流，%=35C,At2=53CX._&1-&2tmln絲Atm=43.4C4.總傳熱系數(shù)k選取經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù)根據(jù)管程走冷水，殼程走熱水，假定總傳熱系數(shù)K=453W/(m2)K=453W/(m2C)5.估算換熱面積Q70000ccrL2估算換熱面積S=/、¥=3.975mK心為逆453x43.4-1,_一S=1.2MS=3.9

7、75M1.2=4.77m2_1_S=1.2MS=3.975M1.22m6.初步選擇換熱器結(jié)構(gòu)取管間距(中心距)0.025m,填充系數(shù)”=0.7,估算管板直徑：GB151圖14D,定1.05小工=1.05父0.025父6=0.125m查GB151,得到筒體內(nèi)徑選用Dn=0.200m,檢驗(yàn)L/D是否在410之內(nèi)，經(jīng)檢驗(yàn)L/D=9.13,顯然滿足要求。Dn=0.200m7.殼程流速和對(duì)流熱阻殼程流通截面積2八3.14父Di23.14ndi3.140.1224A=444-0.0093.14di-0.00622di2=0.0054m2殼程流速Q(mào)1.11.u-0.211m/s;為970M0.0164Re=

8、37767.5,h1=0.36*0.633/de*Re0.55*2.141/3=1845.2W/m2/k;u=0.211m/sh1=1845.2W/m2/k;8.管程流取管徑為19乂2mm,長(zhǎng)為2m的碳鋼材質(zhì)的管子，管子的橫為0.00017663m2,Re=33984.速和對(duì)流換熱系數(shù)管子數(shù)為n1=S1/0.00017663=39.97,這里我們?nèi)」茏訑?shù)為40。管程選擇2回程，管子排布按照正三角形式排布；流速為v=mi/0.00017663/20/992.6=0.153m/s;Re=3398,在過渡流區(qū)間內(nèi)；由于2300<Re<10000,，對(duì)流傳熱系數(shù)可按充分湍流的公式計(jì)算，然后

9、把計(jì)算結(jié)果乘以校正系數(shù)中，即可得到過渡流卜的對(duì)流傳熱膜系數(shù)，對(duì)流換熱系數(shù)C、c0.8c0.4.,0.023九RePrh=di_0023父0.633父3398.10.8父4.420.40.015=1148.8W/(m2k)=1-600000/Re1.8=0.736，/2,、h2=6*h=845.3W/(mk)。一一2h,=1148.8W/(mk)2h2=845.3W/(mk)9.校核換熱系數(shù)1,72xK0=-=455.8w/(m2k),%+R21+b-d+R,+-h2didi九dmhiK0/k=455.8/453>1,所以換熱系數(shù)的選擇是合理的。2K0=455.8w/(m2k)10.管程壓

10、力降核算管程壓力降計(jì)算：即2=(ApL+Apr)FtNpNs+ApnNs；人LLP2v2pl"JC)；d2、0.3146.九一c0.25；Re.P2v2pr-3(2)；,P2v22)；iFt1.5I-1而2,Nm1由計(jì)算得：1.1.1 p2=312.91pa；2.2.2 pr=34.67pa；3.3.3 pl=63.86pa；4.4.4 pn=17.34pa；%=0.041；p2=312.91pa;pr=34.67pa;Apl=63.86pa;Apn=17.34pa;A=0.041;所以管程壓力降滿足。11.殼殼程壓力降計(jì)算：p1二874.3pa;程壓p=APl+g;力降_22%fL

11、V8核算PL-DP'岫=22b;KbC+Cz/Reb);fF=0.000339(Rep)0.42計(jì)算得：Ap=874.3pa;pr=14.4pa;Pb=859.86pa;Kb=0.7;所以殼程壓力降滿足。2 .換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 殼體根據(jù)給定的流體的進(jìn)出口溫度，選擇設(shè)計(jì)溫度為20C；設(shè)計(jì)壓力為0.6Mpa。2.1.1 殼體材料的選擇由于所設(shè)計(jì)的換熱器屬于常規(guī)容器，公稱直徑小于400mm的可用無縫鋼管制作，市面上的常見的無縫鋼管的材質(zhì)為20號(hào)鋼，故選擇20號(hào)鋼管為殼體的材料。20號(hào)鋼屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性、塑性和焊接性均好。2.1.2 圓筒殼體厚度的計(jì)

12、算公稱直徑小于400mm的可用無縫鋼管制作，選用鋼管標(biāo)準(zhǔn)為：219*8,20號(hào)剛。根據(jù)GB6654壓力容器用鋼板規(guī)定可知對(duì)20號(hào)鋼其C1=0;C2=2mmC1=0;C2=2mm。驗(yàn)證該厚度滿足條件:名義厚度6n=6d+C1+=8mm（其中u為向上圓整量）設(shè)計(jì)厚度6d=6+C2=6+2=8mm；假設(shè)材料的許用應(yīng)力bt】=125Mpa（厚度為616mm寸），殼體計(jì)算厚度=6mm應(yīng)力。=0.6"273-16）=25.7Mpa<125Mpa,6則此時(shí)厚度滿足要求，故合適。2.1.3 管板和封頭的厚度計(jì)算管板采用碳鋼材料的固定式管板，查取國(guó)標(biāo)，螺栓采用M20*12（參考課本128,校核參

13、考設(shè)計(jì)269）DN(mm)D(mm)D1(mm)D2(mm)D3(mm)D4(mm)D5(mm)bf(mm)b(mm)d2(mm)219335295207259207183223管板的重量是：、=把d2-D22n2bfd426D524D32Th-d«bn;4且其深度較半球形封頭小得多,封頭采用橢圓形管箱，這是因?yàn)闄E圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻,易于沖壓成型。查JB/T47462002鋼制壓力容器用封頭可得封頭的型號(hào)參數(shù)如下:表3-1DN219標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭參數(shù)DN(mm)直邊高度H1（mm）曲面圖度（m）厚度（mm）封頭質(zhì)里（kg）21955.025.06.01.944短節(jié)部分的厚度同

14、封頭處厚度，為6mm此時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故K=1,且同上K=1Ci=0;C2=2mm,則封頭計(jì)算厚度為:C1=0;C2=2mm驗(yàn)證許用應(yīng)力：名義厚度6nh=6dh+01+A=6mm（|_1為向上圓整量）；設(shè)計(jì)厚度6dh=6h+C2=6mm；KPcDia=（cL+0.5Pc）/2=17.7<125;故此封頭合適,.h2.1.4 拉桿查取標(biāo)準(zhǔn)，拉桿的選用為：拉桿直徑（mm）數(shù)量螺紋公稱直徑（mm）LaLbb1241215三402.02.2 換熱管換熱管的規(guī)格為619M2mm,數(shù)量40根，長(zhǎng)為2m,材料選為ND鋼。2.2.1 換熱管的排列方式換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和

15、正方形錯(cuò)列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點(diǎn)：正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；正方形錯(cuò)列：可以提高給熱系數(shù)。正三角形排列（二）正方形排或（3）正方形錯(cuò)列在此，考慮換熱效果，選擇三角形排列，考慮流速的原因，我們采取單殼程、兩管程的設(shè)計(jì)。查GB151-1999可知，換熱管的中心距sT=25mm2.2.2 排管排管方式正三角形排列方式，如下:2.2.3 折流圈個(gè)數(shù)折流圈之間的間距一般為0.152m,因?yàn)槲覀兊膿Q熱管取2m,所以這里折流圈的個(gè)數(shù)為:2/0.152-1=12。2.2.4 熱管與管板的連接熱管與管板的連接方式有強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹以及脹焊并

16、用。強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力小w4.0Mpa；設(shè)計(jì)溫度w300C；操作中無劇烈振動(dòng)、無過大的溫度波動(dòng)及無明顯應(yīng)力腐蝕等場(chǎng)合。除了有較大振動(dòng)及有縫隙腐蝕的場(chǎng)合，強(qiáng)度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場(chǎng)合。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動(dòng)和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復(fù)合管板等的場(chǎng)合。在此，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及操作狀況選擇換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊接。這是主要是因?yàn)闊峁軆啥耸敲芊獾模荒苡妹浗印?.3冷熱流體進(jìn)出口接管與法蘭進(jìn)出口管直徑管程進(jìn)出口管：2.2=992.60.153=151.87取管程流量則進(jìn)出口流通截面積為進(jìn)出口管道內(nèi)徑:取管子為65*5.0mm,取對(duì)應(yīng)法蘭標(biāo)

17、準(zhǔn);殼程進(jìn)出口管:：-1.1=9700.211=204.67取殼程流量Qm11.1112a(N1=0.0054m則進(jìn)出口流通截面積為進(jìn)出口管道內(nèi)徑:Dn1aN1=0.083m,3.14：1v1204.67取管子為76*6.0mm,取對(duì)應(yīng)法蘭標(biāo)準(zhǔn);接管外伸長(zhǎng)度又稱接管伸出長(zhǎng)度，是指接管法蘭面到殼體（管箱殼體）外壁的長(zhǎng)度，計(jì)算公式為:l_hh115式中，1表示接管外伸長(zhǎng)度；h表示接管法蘭厚度；h1表示接管法蘭螺母厚度;1_hh1、151_hh1,5-156表示保溫層厚度。冷水進(jìn)出口伸出長(zhǎng)度取120mm。熱水進(jìn)出口伸出長(zhǎng)度取120mm。2.3.3接管位置的尺寸（參考課本127）在換熱器設(shè)計(jì)中，為了使

18、傳熱面積得以充分利用,殼程接管的最小尺寸（不帶補(bǔ)強(qiáng)圈）：進(jìn)口接管應(yīng)盡量靠近下端管板，出口在正上方。dL1H(b-4)Cmm2其中C之4s(S為管箱殼體厚度，mm且之30mmC之4黑8=32，取32mm76L.一萬(32-4)32=98mm11取98mm管箱接管的最小尺寸（不帶補(bǔ)強(qiáng)圈）：管箱接管位置的最小尺寸，可按下式進(jìn)行計(jì)算：dHL2hfCmm2其中C>4S（S為管箱殼體厚度，mm）l至30mm,75L23232-101.5mm2li取102mm2.4其他部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排污孔及排氣排液孔設(shè)計(jì)排污孔及排氣排液孔都取25X3mm與筒體采取焊接的方式連接。鞍座設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712,采

19、用BI219標(biāo)準(zhǔn)件。.換熱器強(qiáng)度計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB150表8-1,允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑是689mm,本設(shè)計(jì)的開孔外徑都小于允許不另行不強(qiáng)的最大接管外徑，因此不需要另行考慮其補(bǔ)強(qiáng)。筒體強(qiáng)度校核圓筒選自標(biāo)準(zhǔn)管，壁厚為8mm,則內(nèi)徑為203mm。壓力實(shí)驗(yàn)應(yīng)力校核液壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力由GB150-1989式（1-5）確定：二PT-1.25P=1.250.61-0.75Mpa，取兩者中的較大值，所以取0.75Mpa。PT=P0.1=0.7Mpa?一設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，125Mpa;?T實(shí)驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力，125Mpa。壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，圓筒的薄膜應(yīng)力按下式計(jì)算:PTDi、e2、e:0.752036=13.18Mpa在進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，圓筒的薄膜應(yīng)力不得超過試驗(yàn)溫度下材料屈服點(diǎn)的90%,即112.5Mpa,所以符合要求。最大工作壓力和計(jì)算應(yīng)力最大許用工作壓力：PW=2、e一2612512036