換熱器原理與設計課程設計 換熱器原理與設計 課程設計計算說明書設計題目換熱器原理與設計課程設計學院（系）：機電工程學院專 業： 能源與動力工程班 級：姓 名：學 號：指導老師：完成日期： 新 余 學 院目 錄第一部分 確定設計方案31.1選擇換熱器的類型31.2流動空間及流速的確定3第二部分 確定物性數據4第三部分 工藝流程圖5第四部分 計算總傳熱系數64.1熱負荷的計算64.2平均傳熱溫度64.3估K值64.4由K值估算傳熱面積64.5冷卻水用量7第五部分 換熱器工藝結構尺寸85.1 管徑，管長，管數85.2管子的排列方法85.3 殼體內徑的計算95.4折流板95.5 計算殼程流通面積及流速105.6計算實際傳熱面積115.7傳熱溫度差報正系數的確定115.8管程與殼程傳熱系數的確定115.9傳熱系數K0的確定135.10傳熱面積135.11附件135.12換熱器流體流動阻力14第六部分 設計結果17第七部分 總結18第八部分 主要參考文獻20第九部分 附錄21第一部分 確定設計方案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130，出口溫度40。冷流體進口溫度30，出口溫度40。從兩流體溫度來看，估計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。1.2流動空間及流速的確定 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殼體壁面向空氣中散熱，提高冷卻效果。同時，在此選擇逆流。選用252.5的碳鋼管，管內流速取ui=0.75m/s。 22第二部分 確定物性數據定性溫度：可取流體進、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 根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。 煤油在90下的有關物性數據如下： 密度 o= 810kg/m3定壓比熱容 cpo=2.3kJ/(kg)導熱系數 o=0.13W/(m)粘度 o=0.00091 Pas冷卻水在32下的物性數據： 密度 i=994kg/m3定壓比熱容 cpi=4.187kJ/(kg)導熱系數 i=0.626 W/(m)粘度 i=0.000727 Pas第三部分 工藝流程圖第四部分 計算總傳熱系數4.1熱負荷的計算以煤油為計算標準算它所需要被提走的熱量：Q=qct=2.3910833024x2.22x（130-40）=7.034x106KJ/h=1953.8KW4.2平均傳熱溫度計算兩流體的平均傳熱溫差，暫按單殼程、多管程計算。逆流時： 煤 油：13040， 自來水：4030，從而，tm=90-10ln(9010)=46.25,此時，P=40-30130-30=0.10， R=130-4040-30=9.00，由公式易算得=0.840.8,符合要求。4.3估K值估算傳熱系數為450 W/(m2)4.4由K值估算傳熱面積取傳熱系數為450 W/(m2)，則由公式可得傳熱面積為Ap=1953.810345046.25=93.88m24.5冷卻水用量忽略熱損失，由公式易得，冷卻水用量為： Q=1953.84.174（35-25）=46.81kg/s=168516kg/h。第五部分 換熱器工藝結構尺寸 已知兩流體允許壓降均不大于35KPa，與煤油相比，水的對流傳熱系數一般較大。由于循環冷卻水易結垢，會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，考慮到散熱降溫方面的因素，應該讓循環自來水走管程，煤油走殼程。5.1 管徑，管長，管數 列管式換熱器內的適宜流速范圍則初步選擇252.5mm的碳鋼管，管內徑di=25-2.5x2=20mm，管內流速取ui=1.2m/s。 ns=qv4di2ui = 46.81/995.70.7850.0221.2 =124.8125 根按單管程計算，所需的傳熱管長度為L= Apdons = 93.883.140.025125=9.58m。若按照單管程設計，則管長過長，不宜使用，故采用多管程設計。取傳熱管長為5m，則換熱器管程數應為Np=2，傳熱管總數為Nt=1252=250根。5.2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）、轉角正方形排列（排列角為450）。當管程為多程時，則需采取組合排列，如下右圖。 采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列。換熱管中心距查表如下（mm）：則橫過管束中心線的管束為n=1.1NT=1.1250=17.3918。5.3 殼體內徑的計算采用多管程設計，取管板利用率為=0.7，則殼體內徑為D=1.05tNT=1.05322500.7=634.9mm按卷制殼體的進級檔可取D=700mm。5.4折流板 折流板間距多為100mm，150mm，200 mm，300mm，450 mm，600 mm，800 mm，1000 mm。 折流板厚度與殼體直徑和折流板間距有關，如下表（mm）：支承板厚度一般不應小于上表數據，支承板不允許的最大間距參考下表：經選擇，采用弓形折流板，取弓形折流圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為h=25%700mm=175mm。取折流板間距B=0.3D，則B=0.3700mm=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。折流板數為Nb=5000200-1=24塊。折流板圓缺面水平裝配。5.5 計算殼程流通面積及流速殼程流通截面積：So=0.0306殼程流體最小流速為： =0.33m/s。5.6計算實際傳熱面積該換熱器的實際傳熱面積為：Sp=3.140.0255.0250 =98.125m25.7傳熱溫度差報正系數的確定P=40-30130-30=0.10， R=130-4040-30=9.00，查溫差校正系數圖=0.840.8,符合要求。5.8管程與殼程傳熱系數的確定管程傳熱系數： 管道流通面積： Si=0.7850.022125=0.0393m2 管程流體最小流速： ui=雷諾準數為Rei=普蘭特準數為：Pri= 管內表面傳熱系數： W/m2殼程傳熱系數： 對圓缺形的折流板，可采用克恩公式：計算殼程當量直徑，由正三角形排列可得：=0.020m雷諾準數為：Reo=普蘭特準數為：Pro= Nu=0.36。物料被冷卻，粘度校正取1， 將數值代入上式：Nu=112.08=784.57W/m25.9傳熱系數K0的確定根據冷熱流體的性質及溫度，選取污垢熱阻：管外側污垢熱阻：Rsi=0.00058m2/W ，管內側污垢熱阻：Rso=0.00017 m2/W管壁的導熱系數： =45 m2/W管壁厚度： b=0.0025內外平均厚度： dm=0.0225在下面的公式中，代入以上數據，可得 = =595.24W/m25.10傳熱面積由K0計算傳熱面積=5.11附件水泵，電動調節閥，蝶閥。5.12換熱器流體流動阻力因為殼程和管程都有壓力降的要求，所以要對殼程和管程的壓力降分別進行核算。5.12.1管程流動阻力核算管程壓力降的計算公式為：Fs已知此情況下Rei=29734，為湍流。取絕對粗糙度查另外，式子中：殼程數Ns=1管程數Np=2代入公式中，有：Fs=（6231+2136）121.5=25101Pa35kpa，故符合要求。5.12.2殼程流動阻力 由于殼程流體的流動狀況比較地復雜，所以計算殼程流體壓力降的表達式有很多，計算結果也相差很大。下面以埃索法計算殼程壓力降：殼程壓力降埃索法公式為：流體橫過管束的壓力降，Pa；流體通過折流擋板缺口的壓力降，Pa；Fs殼程壓力降的垢層校正系數，無因次，對于液體取1.15，對于氣體取1.0；Ns殼程數；而=0.656，nc=1.12500.5=17.39，NB=24,uo=0.33m/s。代入數值得：=0.50.65617.3925=5139.4Pa而，其中h=0.2m，d=0.7m，NB=29,D殼徑，mh折流擋板間距，mdo換熱器外徑，m代入數值得： =24（3.5-） =2634.5Pa對于液體=1.15，于是我們有：=1.151（5139.4+2634.5）=8939.9Pa35kpa。經過以上的核算，管程壓力降和殼程壓力降都符合要求。第六部分 設計結果換熱器型式：浮頭式列管換熱器換熱器面積（）：93.88工藝參數名稱管程殼程物料名稱水煤油操作壓力，Pa251018939.9進、出口溫度，30/40130/40流量，kg/h6877717000流體密度，kg/997.7825.0流速，m/s1.1960.330傳熱量，kw1953.8總傳熱系數，w/k595.24對流傳熱系數，w/k5240494污垢系數，k/w0.000580.00017阻力將，Pa6523012841程數41使用材料碳鋼碳鋼管子規格.5管長，mm5000管間距，mm200排列方式正三角形殼體內徑，mm700管數，根250第七部分 總結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。這種換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種結構材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型，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，內部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數，通常在殼體內安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。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，管外流體湍動程度高，傳熱分系數大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結垢的流體。 流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。為提高管內流體速度,可在兩端管箱內設置隔板，將全部管子均分成若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。由于管內外流體的溫度不同，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，換熱器內將產生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過50時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。進行換熱的冷熱兩流體，按以下原則選擇流道：不潔凈和易結垢流體宜走管程，因管內清洗較方便；腐蝕性流體宜走管程，以免管束與殼體同時受腐蝕；壓力高的流體宜走管程，以免殼體承受壓力；飽和蒸汽宜走殼程，因蒸汽冷凝傳熱分系數與流速無關,且冷凝液容易排出；若兩流體溫度差較大,選用固定管板式換熱器時，宜使傳熱分系數大的流體走殼程，以減小熱應力。固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結構較緊湊，排管較在相同直徑下面積較大，制造較簡單，最后一道殼體與管板的焊縫無法檢測。它的優點是：（1）傳熱面積比浮頭式換熱器大20%30%；（2）旁路漏流較小；（3）鍛件使用較少，成本低20%以上；（4）沒有內漏。它的缺點； （1）殼體和管子壁溫差t50時必須在殼體上設置膨脹節；（2）管板與管頭之間易產生溫差應力而損壞；（3）殼程無法機械清洗；（4）管子腐蝕后造成連同殼體報廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，相對較低；（5）殼程不適用于易結垢場合。第八部分 主要參考文獻1 換熱器原理與設計教學書2 王志魁 .化工原理，化學工業出版社，20063 潘永亮 .化工設備機械基礎，科學出版社，20064 任曉光 .化工原理課程設計手冊S.第三版,北京：化學 工業出版社，20055 柴誠敬主編，化工原理課程設計，天津大學出版社，20026 譚天恩，麥本熙，丁惠華編著，化工原理（上、下冊），化工出版社，19987 王蓮琴編，物性數據的計算與圖表，化工出版社，19928 國家醫藥管理局上海醫藥設計院編，化工工藝手冊，上、下冊，化工出版社，19869 華南理工大學教研室編，化學工業出版社，198610 王荷琴，化學工程手冊，化學工業出版社，198211 天津大學化工原理教研室編,化工原理天津大學出版社. （1999）12 秦叔經、葉文邦等 ，換熱器化學工業出版社（20