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1、word 課 程 設(shè) 計(jì) 設(shè)計(jì)題目：管殼式水-水換熱器 姓 名 院 系 專 業(yè) 年 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 年 月 日 16 / 18 目錄 1前言…………………………………………………………………………………………1 2課程設(shè)計(jì)任務(wù)書……………………………………………………………………………2 3課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書……………………………………………………………………………3 …………………………………………………………………………3 3.1.1選擇換熱器的類型 ………………

2、………………………………………………3 3.1.2流動(dòng)空間與流速確實(shí)定 …………………………………………………………3 3.2確定物性數(shù)據(jù) ………………………………………………………………………3 ………………………………………………………………………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 ………………………………………………………………………5 3

3、.3.4計(jì)算傳熱面積 ……………………………………………………………………6 …………………………………………………………………………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平均傳熱溫差校正與殼程數(shù) ……………………………………………………7 3.4.4傳熱管排列和分程方法 …………………………………………………………7 3.4.5殼體內(nèi)徑 …………………………………………………………………………7 3.4.6折

4、流板 ……………………………………………………………………………8 3.4.7接收 ………………………………………………………………………………8 ……………………………………………………………………………8 3.5.1熱量核算 …………………………………………………………………………8 ………………………………………………………12 3 .6換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸、計(jì)算結(jié)果 …………………………………………………13 3.7換熱器示意圖、管子草圖、折流板圖………………………………………………14 4設(shè)計(jì)總結(jié)…………………………………………………………………………………1

5、5 5參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………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(shè)備，成為熱交換器。熱交換器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，例如動(dòng)力工業(yè)中鍋爐設(shè)備的過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)測(cè)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(fēng)爐，煉鋼和軋鋼生產(chǎn)工藝中的空氣和煤氣預(yù)熱；制冷工業(yè)中蒸汽壓縮式制冷機(jī)或吸收式制冷機(jī)中的蒸發(fā)器、冷凝器；制糖工業(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(yīng)用實(shí)例。在化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用熱交換器的場(chǎng)合更是

6、不勝枚舉。在航空航天工業(yè)中，為了與時(shí)取出發(fā)動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力裝置在運(yùn)行時(shí)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(yīng)滿足多種多樣的要求。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)其根本要求有： 〔1〕滿足工藝過(guò)程所提出的要求。熱交換強(qiáng)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(yīng)的不易遭到破壞的工藝結(jié)構(gòu)，制造簡(jiǎn)單，裝修方便，經(jīng)濟(jì)合理，運(yùn)行可靠。 〔3〕設(shè)備緊湊。這對(duì)大型企業(yè)，航空航天、新能源開(kāi)發(fā)和余熱回收裝置更有重要意義。 〔4〕保證低的流動(dòng)阻力，以減少熱交換器的消耗。 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

7、: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(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。另一個(gè)對(duì)換熱器熱力性能有較大影響的根本元件是折流板〔或折流桿〕。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力與操作運(yùn)行的安全可靠性。 2課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 管殼式水-水換熱器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一個(gè)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℃，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(qiáng)降不大于10^

8、5Pa。每年按照280天計(jì)算，每天連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行。試設(shè)計(jì)一臺(tái)管殼式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。 2.3設(shè)計(jì)原始資料〔技術(shù)參數(shù)〕 熱水在℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 恒壓比熱容 =kJ/(kg.℃) 導(dǎo)熱系數(shù)=/(m℃) 粘度Pa 循環(huán)水在℃下的物性數(shù)據(jù)： 密度=994.8㎏/m3 恒壓比熱容J/(kg℃) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6233w/(m℃) 粘度 3課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 3.1 確定設(shè)計(jì)方案 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度85℃，出口溫度60℃。冷流體〔循環(huán)水〕進(jìn)口溫度25℃，出口溫度40℃。該換熱器冷卻熱的熱水

9、，傳熱量較大，可預(yù)計(jì)排管較多，因此初步確定選用固定管板式換熱器。 MPa，應(yīng)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(jié)垢，假如其流速太低，將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度，使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大，應(yīng)使α較大的循環(huán)水〔一般氣體α<液體〕走管內(nèi)。所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，熱水走殼程。選用Φ25mm×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(jìn)出口溫度的平均值。 殼程熱水的定性溫度為 ℃ 管程流體的定性溫度為 ℃ 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)。 ℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下

10、： 密度 =977 kg/m3 定壓比熱容 =4.189 /(kg·℃) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6695 W/(m·℃〕 黏度 ×10-5Pa·s ℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 =994.8 kg/m3 定壓比熱容=4.174 /(kg·℃) 導(dǎo)熱系數(shù) =0.6233 W/(m·℃〕 黏度 ×10-5 Pa·s 3.3 換熱器熱力計(jì)算 3.3.1 熱流量 = (T1－T2) 〔3-1〕 式中:——熱源熱流量，單位W； ——定壓比熱容，

11、單位/〔kg·k)； ——熱源進(jìn)口溫度，單位K； ——熱源出口溫度，單位K。 如此：=2.4*10^9/〔3600*24*280〕××10 3××(w) 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： 如此：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； ——定壓比熱容，單位/〔kg·k)； ——冷源進(jìn)口溫度，單位K；

12、——冷源出口溫度，單位K。 如此：×10 3×10 3×(40-25)]=127.29(kg/s) 管程傳熱系數(shù) 計(jì)算雷諾數(shù) 〔3-4〕 式中：——雷諾數(shù)； ——換熱管內(nèi)徑，單位mm。 如此雷諾數(shù)： 計(jì)算管程換熱系數(shù) 〔3-5〕 式中：——雷諾數(shù)； ——普朗特?cái)?shù)； ——導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·k)； ——換熱管內(nèi)徑，單位mm。 如此管程換熱系數(shù)： =46

13、93.67W/(m·k) 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)λ0=390W/(m2·℃) 污垢熱阻： 熱水側(cè)的熱阻＝344m2·℃/W 冷卻水側(cè)的熱阻＝172m2·℃/W 鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ＝45W/(m·℃) 總傳熱系數(shù)： 〔3-6〕 式中：——對(duì)數(shù)平均直徑，取0.0225mm； ——傳熱管壁厚，m。 ——導(dǎo)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(jì)算傳熱面積 計(jì)算傳熱面積=/Kt 〔3-7〕 式中

14、：——傳熱系數(shù)，W/(m·k)； ——與值對(duì)應(yīng)的傳熱面積，m ——有效平均溫差，K; ——交換的熱量，W。 如此=591.91〔〕 考慮15％的面積裕度， S=×1.15=680.70〔〕 3.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 3.4.1 管徑和管內(nèi)流速 選用φ25×2.5mm的傳熱管(碳鋼管)，可設(shè)管內(nèi)冷卻水流速＝1m/s。 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))。 如此：407.5=408

15、〔根〕 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度L為 〔3-9〕 代入數(shù)據(jù)(3-9)有： 按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng),宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng) l= 8 m ，如此該換熱器管程數(shù)為 Np=L/l 〔3-10〕 式中：——按單程計(jì)算的管長(zhǎng)，m； l——選定的每程管長(zhǎng)，m。

16、 如此該換熱器管程數(shù)：Np≈4(管程〕 傳熱管總根數(shù) N = 408×4= 1632〔根〕 平均傳熱溫差校正系數(shù) R== P== 按單殼程、四管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查教材圖可得 平均傳熱溫差= (3-11) 代入數(shù)據(jù)有：×40=36.8 (℃) 3.4.4 傳熱管排列和分程方法 ，如此： 〔3-12〕 ×25≈31.25＝32〔mm〕 橫過(guò)管束中心線的管數(shù)：

17、 〔3-13〕 代入數(shù)據(jù)有： =48〔根〕 3.4.5 殼體內(nèi)徑 采用單管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.7，如此殼體內(nèi)徑為： 〔3-14〕 代入數(shù)據(jù)有：。 圓整可取D=1700mm。 3.4.6 折流板 ×1700=425mm ，故可取h=425mm. 取折流板間距B=0.3D，如此： ×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(zhǎng)；

18、 —— 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 接收 殼程流體進(jìn)出口接收：取接收內(nèi)熱水流速為u=20m/s，如此接收內(nèi)徑為 〔3-16〕 式中：——流體的流量，m/s； 代入數(shù)據(jù)有： 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 102 mm。 管程流體進(jìn)出口接收：取接收內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s，如此接收內(nèi)徑為 〔3-17〕 代入〔3-17〕數(shù)據(jù)有： 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為

19、377 mm。 3.5 換熱器核算 3.5.1 熱量核算 ⑴殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)于圓缺形折流板，可采用Kern公式： 〔3-18〕 式中：——雷諾數(shù)； ——普朗特?cái)?shù)； ——導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·k)； ——當(dāng)量直徑，單位mm。 ①水做冷卻劑時(shí)，粘度校正為 ②當(dāng)量直徑，管子為正三角形排列時(shí) ＝ 〔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：＝ ＝20〔m〕 ③殼程流通截面積 So

20、 = BD(1－) 〔3-20〕 式中：—— 折流板間距。 —— 單管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑。 代入數(shù)據(jù)〔3-20〕有：So =0.5×1.7×〔1－〕＝0.1860〔〕 ④殼程熱水的流速與其雷諾數(shù)分別為 〔3-21〕 式中：——當(dāng)量直徑。 ——℃下的密度。 ——℃下的粘度。 如此代入數(shù)據(jù)有：=27123 ⑤普朗特準(zhǔn)數(shù) 〔3-22〕 式中：——普朗特?cái)?shù)； ——

21、導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·k)； ——粘度 ，單位m/s。 如此代入數(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?cái)?shù)； ——導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·k)； ——換熱管當(dāng)量直徑，單位mm。 如此由式〔3-6〕得：== 4495W/(m·k) (2)管程對(duì)流傳熱系數(shù) 〔3-34〕 式中：——雷諾數(shù)； ——普朗特?cái)?shù)； ——導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/(m·k)； ——換熱管內(nèi)徑，單位mm。 ①管程流通截面積 0.2562〔

22、〕 ②管程循環(huán)水的流速與其雷諾數(shù)分別為 同〔3-21) 代入數(shù)據(jù)有：=12995 ③普朗特準(zhǔn)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(cè)的熱阻＝172m2·℃/W 熱水側(cè)的熱阻＝344m2·℃/W 鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ＝45W/(m2·℃) 根據(jù) 〔3-36〕 式中：——對(duì)數(shù)平均直徑，取0.0225mm； ——傳熱管壁厚，m。 將數(shù)值依次代入〔

23、5-6〕得： =737.4 W/ (m2·℃) 知此計(jì)算值與前面的初設(shè)值Ki‘=280.5 W/ (m2·℃)的關(guān)系： 滿足換熱器設(shè)計(jì)要求，初選的換熱器適宜。 〔4〕傳熱面積 ＝/(△) 〔3-37〕 代入數(shù)據(jù)有：×103×40〕＝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(dòng)阻力 〔1〕管程流動(dòng)阻力

24、 總壓降： 〔3-39〕 式中：——管程數(shù)； ——?dú)こ虜?shù)； ——結(jié)構(gòu)校正系數(shù)。 取 Ns=1 Np=4 Ft ①直管局部的壓降 =〔3-40〕 由管內(nèi)流體： Re=12995 查莫狄摩擦系數(shù)圖，得：λi 代入數(shù)據(jù)〔3-40〕有： ②彎管回路中的壓降 300.8 〔3-41〕 因此總壓降為 =〔1220.2+300.8〕××4×1 =8517.6Pa<100kPa 管程流動(dòng)阻力在允許X圍之類。 〔2〕殼程阻力 總壓降： 〔3-42〕

25、 式中：——結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)流體； ——?dú)こ虜?shù)，。 ①流體橫過(guò)管束的壓降 △p’1=(NB+1) 〔3-43〕 式中： ×(27123〕 =48 =15 /s 所以，△’p1××48×(15+1)×(90×2)/2 ＝2512.36〔Pa〕 ②流體流過(guò)折流板缺口的阻力 〔3-44〕 式中： B=0.50m 代入數(shù)據(jù)有：6360.6(Pa) 因此計(jì)算總阻力將數(shù)值代入〔3-43〕： =(2512.36.6+6360.6〕×1×1=8872.96Pa

26、 殼程流動(dòng)阻力也比擬適宜。 3.6 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸、計(jì)算結(jié)果列表 根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果判斷該換熱器設(shè)計(jì)合理，具體結(jié)果見(jiàn)表3-1。 3-1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 換熱器型式： 列管式換熱器 換熱面積/m2 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(jìn)/出〕/℃ 25/40 85/60 流量/(kg/s) 流體密度/(kg/m3) 977 流速/(m/s) 傳熱量/kW 總傳熱系數(shù)/[W/(m2·K)] 對(duì)流傳熱系數(shù)/[W/(m2·K)] 2

27、660 4495 污垢熱阻/[m2·K/ W] 阻力降/KPa 程數(shù) 4 1 推薦使用材料 碳鋼 碳鋼 管子規(guī)格 Ф25× 管數(shù) 1632 管長(zhǎng)/mm 8000 管間距/mm 32 排列方式 正三角形 折流板型式〔上下〕 間距/mm 500 切口高度 25％ 殼體內(nèi)徑/mm 1700 傳熱面積裕度/% 21.9％ 3.7換熱器示意圖、管子草圖、折流板

28、 3-1換熱器示意圖 3-2管子排列示意圖 3-3 折流板圖 4． 設(shè)計(jì)總結(jié) 固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子如此固定于管板上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在一樣的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比擬緊湊，本設(shè)計(jì)由于換熱任務(wù)較大，故管數(shù)較多。這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量做到： 1、增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力與不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的情況下，盡量選擇較高的流速。 2、提高平均溫差。對(duì)于無(wú)相變的流體，采用逆流的傳熱方式，不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。 3、妥善布置傳熱面。本設(shè)

29、計(jì)采用適宜的管間距和排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動(dòng)特性。 參考文獻(xiàn) [1] 王中錚，等. 熱交換器原理與設(shè)計(jì)：第2版 東南大學(xué)，2002 [1] 楊世銘，等. 傳熱學(xué)：第4版 高等教育，2013 [2] 夏清，等. 化工原理：上冊(cè).2版 某某：某某大學(xué)，2007 [3] 楊明，等. 管殼式換熱器的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]; 航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2009年 [4] 王福新,等. 管殼式換熱器殼程流體通道設(shè)計(jì)[J];管道技術(shù)與設(shè)備;2011年 [5] 某某理工大學(xué)化工原理教研室.化工原理課程設(shè)計(jì).某某理工大學(xué)，1994 [6] 王元文，等. 管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]; 某某化工; 2005年03期 [7] 柴誠(chéng)敬，X國(guó)維，李阿娜.化工原理課程設(shè)計(jì).某某：某某科學(xué)技術(shù)，1995