換熱器課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目 換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)學(xué)院（系）： 機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)： 能源與動(dòng)力工程班 級(jí)：姓 名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)老師： 完成日期： 新余學(xué)院換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一部分確定設(shè)計(jì)方案 3\o"CurrentDocument"選擇換熱器的類(lèi)型 3\o"CurrentDocument"流動(dòng)空間及流速的確定 3\o"CurrentDocument"第二部分確定物性數(shù)據(jù) 4\o"CurrentDocument"第三部分工藝流程圖 5\o"CurrentDocument"第四部分計(jì)算總傳熱系數(shù) 6\o"CurrentDocument"熱負(fù)荷的計(jì)算 6\o"CurrentDocument"平均傳熱溫度 6\o"CurrentDocument"估K值 6\o"CurrentDocument"由K值估算傳熱面積 6\o"CurrentDocument"冷卻水用量 7\o"CurrentDocument"第五部分換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸 8\o"CurrentDocument"管徑，管長(zhǎng)，管數(shù) 8\o"CurrentDocument"管子的排列方法 8\o"CurrentDocument"殼體內(nèi)徑的計(jì)算 9\o"CurrentDocument"折流板 9\o"CurrentDocument"計(jì)算殼程流通面積及流速 10\o"CurrentDocument"計(jì)算實(shí)際傳熱面積 11\o"CurrentDocument"傳熱溫度差報(bào)正系數(shù)的確定 11\o"CurrentDocument"管程與殼程傳熱系數(shù)的確定 11\o"CurrentDocument"傳熱系數(shù)K0的確定 13\o"CurrentDocument"傳熱面積 13\o"CurrentDocument"附件 13\o"CurrentDocument"換熱器流體流動(dòng)阻力 14\o"CurrentDocument"第六部分設(shè)計(jì)結(jié)果 17\o"CurrentDocument"第七部分總結(jié) 18\o"CurrentDocument"第八部分主要參考文獻(xiàn) 20\o"CurrentDocument"第九部分附錄 21換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第一部分確定設(shè)計(jì)方案選擇換熱器的類(lèi)型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度130℃,出口溫度40℃。冷流體進(jìn)口溫度30℃,出口溫度40℃。從兩流體溫度來(lái)看，估計(jì)換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差很大，因此初步確定選用浮頭式列管換熱器，而且這種型式換熱器管束可以拉出，便于清洗；管束的膨脹不受殼體約束。流動(dòng)空間及流速的確定由于煤油的粘度比水的大，井水硬度較高，受熱后易結(jié)垢，因此冷卻水走管程，煤油走殼程。另外，這樣的選擇可以使煤油通過(guò)殼體壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果。同時(shí)，在此選擇逆流。選用噠5X2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取uj0.75m/s。換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第二部分確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)、出口溫度的平均值。殼程煤油的定性溫度為：T=(130+40)/2=85℃管程冷卻水的定性溫度為：t=(30+40)/2=35℃根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。煤油在90℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 P=810kg/m3定壓比熱容 cpo=2.3kj/(kgr)導(dǎo)熱系數(shù) 入：=0.13W/(m?℃)粘度 u=0.00091Pa?s冷卻水在32℃下的物性數(shù)據(jù)：密度 P=994kg/m3定壓比熱容 cpj4.187kJ/(kgr)導(dǎo)熱系數(shù) 匕=0.626W/(mr)粘度 匕=0.000727Pa?s換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第三部分工藝流程圖換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)部分計(jì)算總傳熱系數(shù)熱負(fù)荷的計(jì)算以煤油為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)算它所需要被提走的熱量：Q=qcAt=2-39x108x2.22x(130-40)=7.034x106KJ/h=1953.8KW330x24平均傳熱溫度計(jì)算兩流體的平均傳熱溫差，暫按單殼程、多管程計(jì)算。逆流時(shí)：煤油：130℃-40℃,自來(lái)水：40℃-30℃,從而，At=90—W=46.25℃,m嘮)此時(shí)，P=貯0=0.10,R二空-竺二9.00,由公式易算得力=0.84>0.8，符130-30 40-30合要求。估K值估算傳熱系數(shù)為450W/(m2?℃)由K值估算傳熱面積取傳熱系數(shù)為450W/(m2?℃),則由公式可得傳熱面積為Ap=1953-8x103=93.88m2450x46.25換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)冷卻水用量忽略熱損失，由公式易得，冷卻水用量為：Q= 1953.8 =46.81kg/s=168516kg/ho4.174X(35-25)換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第五部分換熱器工藝結(jié)構(gòu)尺寸已知兩流體允許壓降均不大于35KPa,與煤油相比，水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大。由于循環(huán)冷卻水易結(jié)垢，會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應(yīng)該讓循環(huán)自來(lái)水走管程，煤油走殼程。5.1管徑，管長(zhǎng)，管數(shù)列管式換熱器內(nèi)的適宜流速范圍流體和類(lèi) 流速，人）管程殼程冷卻水n.r一般液體（黏度不島J0.5'".00.2^1.5低鉆油u.u.4"工ij高鉆油0.5匕50.3"0.8則初步選擇“25X2.5mm的碳鋼管，管內(nèi)徑d=25-2.5x2=20mm,i管內(nèi)流速取ui=1.2m/s。n=_q^=4&81/9917=124.8^125根snd2u 0.785X0.022X1.24ii按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng)==ndn 9388 =9.58m。3.14x0.025x125若按照單管程設(shè)計(jì)，則管長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，不宜使用，故采用多管程設(shè)計(jì)。取傳熱管長(zhǎng)為5m,則換熱器管程數(shù)應(yīng)為Np=2,傳熱管總數(shù)為Nt=125X2=250根。管子的排列方法管子在管板上的排列方式最常用的如下圖（a）（b）（c）（d）所示，包括正三角形排列（排列角為300）、同心圓排列、正方形排列（排列角為900）、轉(zhuǎn)角正方形排列（排列角為450）。當(dāng)管程為多

換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)程時(shí)，則需采取組合排列，如下右圖。0OO0。O。。。方形排列。程時(shí)，則需采取組合排列，如下右圖。0OO0。O。。。方形排列。換熱管中心距查表如下（mm）：殼體內(nèi)徑的計(jì)算采用多管程設(shè)計(jì)，取管板利用率為、=0.7,則殼體內(nèi)徑為D=1.05t卜=1.05X32X招=634.9mm按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔可取D=700mm。折流板折流板間距多為100mm,150mm,200mm,300mm,450mm,600mm,800mm,1000mm。換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，如下表（mm）：殼體公稱(chēng)力徑/nn相鄰兩折流板間距/urn<303300-450450^600600-750>750200—250356ICIDdCO-7335610IC12nillul?16GIC12IC16支承板厚度一般不應(yīng)小于上表數(shù)據(jù)，支承板不允許的最大間距參考下表：殼冰直空/mm<430如1?SOO9ni--12CO管子外徑，m192557支承板厚度/nan6&IC最大間距Ami1500ISOO2E003400經(jīng)選擇，采用弓形折流板，取弓形折流圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為h=25%X700mm=175mm。取折流板間距B=0.3D,則B=0.3X700mm=210mm,可取B=200mm,因而查表可得，折流板厚度為5mm,支承板厚度為8mm,支承板允許不支承最大間距為1800mm。折流板數(shù)為Nb二理-1=24塊。200折流板圓缺面水平裝配。計(jì)算殼程流通面積及流速殼程流通截面積：BD(1-do)=0.2x0.7(1—0.025So=t 1 0.032J=0.0306m2殼程流體最小流速為：qq 1400x1000u=—0=-m-= =0.53m/s0A0pA0 24x3600x624.89x0.048930176.8/(3600x825)= 0.0306 =0.33m/so10

換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)際傳熱面積該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：Sp=叫LN=3.14X0.025X5.0X250=98.125m2傳熱溫度差報(bào)正系數(shù)的確定P=40-30=0.10,R=130-40=9.00,查溫差校正系數(shù)圖匚口；130-30 40-30=0.84>0.8,符合要求。管程與殼程傳熱系數(shù)的確定管程傳熱系數(shù)：管道流通面積:Si=0.785X0.022X125=0.0393m2管程流體最小流速:168516/(3600x995.7) , /0.0393ui= 二1.196m/s0.0393ui=雷諾準(zhǔn)數(shù)為0.02x1.196x995.7 -29734Re= 0.000801i普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：4174x0.000801r =5.42Pr= 0.6167i11

換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：a=0.023義0,6167*297340.8義5.420.4=5284.14 ,門(mén)i 0.02 W/m2℃殼程傳熱系數(shù)：對(duì)圓缺形的折流板，可采用克恩公式：a=0.36Lq）（W）（上）o」4od日九R計(jì)算殼程當(dāng)量直徑，由正三角形排列可得：4（當(dāng)t2-三*）4（^0.0322—0.785x0.0252）e 兀d0 = 3.14x0.025 =0.020m雷諾準(zhǔn)數(shù)為：Jup_0.02x0.32x825_7384Re=oRo0.000715o °普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：2220x0.00071807142220x0.0007180714=11.34R、 /R、Re0.55Pri/3(——)0.14 (——)0.14Nu=0.36 Rw 。物料被冷卻，粘度校正Rw 取1,將數(shù)值代入上式:1Nu=0.36x78340.55x11.343=112.08a=NuIda=NuIdoI=11208x0.14+0.02=784.57W/m2℃12換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)5.9傳熱系數(shù)Ko的確定根據(jù)冷熱流體的性質(zhì)及溫度，選取污垢熱阻：管外側(cè)污垢熱阻：Rsi=0.00058m2℃/W，管內(nèi)側(cè)污垢熱阻:Rs=0.00017m2℃/Wo管壁的導(dǎo)熱系數(shù)：九=45m2℃/W管壁厚度：b=0.0025內(nèi)外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數(shù)據(jù)，可得K= L- TOC\o"1-5"\h\z0ddbd 1oT~+R以+ +R+ -adsid Ad soaii i i o0.0255284.14x0.02+0.000580.0255284.14x0.02+0.00058x0.0250.020.0025x0.02545x0.0225+0.00017+1784.57=595.24W/m2℃5.10傳熱面積由K0計(jì)算傳熱面積s'S'=Q=［鄴緲?=88.4946^2KA，折二592破招醞=海w5m25.11附件水泵，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，蝶閥。13換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)5.12換熱器流體流動(dòng)阻力因?yàn)闅こ毯凸艹潭加袎毫档囊螅砸獙?duì)殼程和管程的壓力降分別進(jìn)行核算。管程流動(dòng)阻力核算管程壓力降的計(jì)算公式為：Epi=(Ap-Ap)NNFs已知此情況下Re=29734，為湍流。1己=0.2mm,相對(duì)粗糙度為三=%2=0.01TOC\o"1-5"\h\z取絕對(duì)粗糙度 di 20查九-Re關(guān)聯(lián)圖，可得摩擦因數(shù):九=0.035，.l 5 11962 一??.Ap=X——pu2=0.035x——x995.7x =6231Pa2di 0.02 2Ap=3"=3x995.7x1j1962=2136Pa2 2另外，式子中：殼程數(shù)Ns=1管程數(shù)Np=2代入公式中，有：Epi=(Ap-Ap)NNps=(6231+2136)X1X2X1.5二25101Pa<35kpa,故符合要求。殼程流動(dòng)阻力由于殼程流體的流動(dòng)狀況比較地復(fù)雜，所以計(jì)算殼程流體壓力降的表達(dá)式有很多，計(jì)算結(jié)果也相差很大。下面以埃索法計(jì)算殼程壓力降：14換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)殼程壓力降埃索法公式為：工AP=(AP'+AP')FN0 1 2ssAP1——流體橫過(guò)管束的壓力降，Pa；切2——流體通過(guò)折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs——?dú)こ虊毫档墓笇有Ｕ禂?shù)，無(wú)因次，對(duì)于液體取1.15,對(duì)于氣體取1.0；Ns——?dú)こ虜?shù)；AP，=FfNCN+1)^V，其中F=0.5,f=5Re-0.228，N=23而10。B2 0 =0.656,nc=1.1X2500.5=17.39,NB=24,uo=0.33m/s。代入數(shù)值得：X0.332AP1'=0.5X0.656X17.39X25XX 2=5139.4PaQp'二N(3.5-2h)少而2Bd2，其中h=0.2m,d=0.7m,NB=29,D——?dú)?，mh——折流擋板間距，mdo——換熱器外徑，m代入數(shù)值得：Ap,=N(3.5-2h)?2bD22x0,2 950x0.332=24X(3.5-0.7)X2=2634.5Pa對(duì)于液體Fs=1.15,于是我們有：15換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)'”"(AP11+AP2)FsNs=1.15X1X(5139.4+2634.5)sss二8939.9Pa<35kpa。經(jīng)過(guò)以上的核算，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。16

換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第六部分設(shè)計(jì)結(jié)果換熱器型式：浮頭式列管換熱器換熱器面積（壯）：93.88工藝參數(shù)名稱(chēng)管程殼程物料名稱(chēng)水煤油操作壓力，Pa251018939.9進(jìn)、出口溫度，℃30/40130/40流量，kg/h6877717000流體密度，kg/m3997.7825.0流速，m/s1.1960.330傳熱量，kw1953.8總傳熱系數(shù)，w/tf-k595.24對(duì)流傳熱系數(shù)，w/m2*k5240494污垢系數(shù)，tf?k/w0.000580.00017阻力將，Pa6523012841程數(shù)41使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格①252.5管長(zhǎng)， 5000mm管間距，mm200排列方式正三角形殼體內(nèi)徑，mm700管數(shù)，根25017換熱器原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第七部分總結(jié)列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類(lèi)型，由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱(chēng)為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱(chēng)為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。流體每通過(guò)管束一次稱(chēng)為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次稱(chēng)為一個(gè)殼程。為提高管內(nèi)流體速度，可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過(guò)部分管子，因而在管束中往返多次，這稱(chēng)為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱(chēng)為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。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。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(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)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。進(jìn)行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：①不潔凈和易結(jié)垢流體宜走管程，因管內(nèi)清洗較方便；②腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時(shí)受腐蝕；③壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；④飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數(shù)與流速無(wú)關(guān),且冷凝液容易排出；⑤若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時(shí)，宜使傳熱分系數(shù)大的流體走殼程，以減小熱應(yīng)力。固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較在相同直徑下面積較大，制造較簡(jiǎn)單，最后一道殼體與管板的焊縫無(wú)法檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）傳熱面積比浮頭式換18換熱器原理與設(shè)計(jì)