換熱器設(shè)計(jì)——固定管板式式換熱器

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1、 課 程 設(shè) 計(jì) 設(shè)計(jì)題目：換熱器設(shè)計(jì)——固定管板式式換熱器 姓 名 院 系 專(zhuān) 業(yè) 熱能與動(dòng)力工程 年 級(jí) 2012級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 2015年 1月 21日 目錄 0設(shè)計(jì)任務(wù) …………………………………………………………… 2 0.1設(shè)計(jì)目的 ………………………………………………………

2、2 0.2 操作條件 ……………………………………………………… 2 1 前言 ………………………………………………………………… 2 1.1熱量傳遞的概念 ………………………………………………… 2 1.2傳熱的基本方式 ………………………………………………… 2 1.3管殼式換熱器的簡(jiǎn)介 …………………………………………… 2 2 試算并初選換熱器規(guī)格 …………………………………………… 3 2.1流體流動(dòng)途徑的確定 …………………………………………… 3 2.2定性溫度、物性數(shù)據(jù)，選擇換熱器型式 ………………………… 3 2.3計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量 …………………

3、…………………… 4 2.4計(jì)算兩流體的平均溫度差………………………………………… 4 2.5試算和初選換熱器的規(guī)格………………………………………… 5 3 工藝計(jì)算 …………………………………………………………… 6 3.1核算總傳熱系數(shù) ………………………………………………… 6 3.2核算壓強(qiáng)降 ……………………………………………………… 8 4 經(jīng)驗(yàn)公式 …………………………………………………………… 9 5 設(shè)備及工藝流程圖 …………………………………………………11 6 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 ……………………………………………………12 7 設(shè)計(jì)評(píng)述 ……………………

4、………………………………………13 8 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………15 0 設(shè)計(jì)任務(wù) 0.1設(shè)計(jì)目的 設(shè)計(jì)一臺(tái)管殼式換熱器 0.2 操作條件 ⑴、水：入口溫度80℃，出口溫度55℃。 ⑵、冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度30℃，出口溫度40℃ ⑶、允許壓強(qiáng)降：不大于105Pa。 ⑷、每年按290天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 1 前言 1.1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(chēng)傳熱。由熱力學(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。 1.2傳

5、熱的基本方式 （1）熱傳導(dǎo)（又稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為熱對(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。 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(chēng)為對(duì)流傳熱。 （3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電

6、磁波在空間的傳遞稱(chēng)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。 1.3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

7、熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱(chēng)為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱(chēng)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(lèi)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、選材廣泛，適用范圍大。 2 換熱器設(shè)計(jì) 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)流體的情況，故選擇熱水走換熱器的管程，循環(huán)水走殼程。

8、 2.2定性溫度、物性數(shù)據(jù)，選擇換熱器型式 冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，取入口溫度為：30℃，出口溫度為：40℃ 熱水的定性溫度： ℃ 循環(huán)水的定性溫度： ℃ 兩流體的溫差： ℃ 由于兩流體的溫差不大于50℃，故選用固定管板式列管換熱器 查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》——（美）沙拉 塞庫(kù)利克 著 程林 譯 機(jī)械工業(yè)出版社 0.417=0.417 mPas 熱水 0.767=0.727 mPas 循環(huán)水

9、 4.188 KJ/(㎏oC) 熱水 4.180 KJ/(㎏oC) 循環(huán)水 =0.575 W/(moC) 熱水 =0.535 W/(moC) 循環(huán)水 2.3計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量 2.4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： 而 查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》——（美）沙拉 塞庫(kù)利克 著 程林 譯 機(jī)械工

10、業(yè)出版社 所以 又因?yàn)?.96>，故可選用單殼程的列管換熱器。 2.5試算和初選換熱器的規(guī)格 根據(jù)低溫流體為水，高溫流體也為水，有K值的范圍：430～850W/(oC）,假設(shè) 又因?yàn)闊崴吖艹糖页踹x，L= 4.5m的列管，所以設(shè) 由 可求得： 單管程的管子根數(shù)： 管程數(shù)： 所以： 據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為 殼 徑 D 600㎜ 管 子 尺 寸 Φ192mm 管 程 數(shù) 3 管 長(zhǎng)L 4.5 m 管子總數(shù) n 87 管子排列方法 正三角形 實(shí)際傳熱面積 若采用此傳熱面積的換熱器，則

11、要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為： ℃） 3 工藝計(jì)算 3.1核算總傳熱系數(shù) ）計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) （與假設(shè)相差不多，合適） 所以 2）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 換熱器中心附近管排中流體流通截面積為： 式中 折流擋板間距，取300； 管中心距，對(duì)，。 因?yàn)? 所以 由正三角形排列得： 因?yàn)?在～范圍內(nèi)，故可用下式計(jì)算 殼程中水被加熱，取 ， 所以 ）確定污垢熱阻 管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為： ）總傳熱系數(shù) 管子材料選用不銹鋼，取其導(dǎo)熱系數(shù)為(moC)，總傳熱系數(shù)為： 由前面計(jì)算可知，選用該

12、型號(hào)換熱器時(shí)，要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為，在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的為，其安全系數(shù)為： ％％ 故所選擇的換熱器是合適的。 3.2核算壓強(qiáng)降 ）計(jì)算管程壓強(qiáng)降 前面已算出：， （湍流） 取不銹鋼管壁粗糙度 則，8 所以 對(duì)于的管子 4，Ns=1 ）計(jì)算殼程壓強(qiáng)降 其中 管子為正三角形排列，取F=0.4 取折流擋板間距 折流擋板數(shù)： 殼程流通面積 ＞ 所以 \ 由上面計(jì)算可知，該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿(mǎn)足題目要求，故所選換熱器合適。 4 經(jīng)驗(yàn)公式 1.管程對(duì)

13、流傳熱系數(shù)，可用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式： 2.殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，可用關(guān)聯(lián)式計(jì)算： 3.管程壓強(qiáng)降可用： 4.殼程壓強(qiáng)降可用埃索法： 5 設(shè)備及流程圖 6 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 項(xiàng) 目 殼程（循環(huán)水） 管程（熱水） 流量，㎏/s 15.4 9.25 溫度，℃（進(jìn)/出） 30/40 80/55 物性參數(shù) 定性溫度，℃ 35 67.5 密度，㎏/m3 996.35 996.35 比熱，kJ/㎏℃ 4.18 4.1

14、88 粘度，Pas 0.72710-3 0.41710-3 導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/m℃ 0.535 0.575 普蘭特?cái)?shù) 5.29 5.29 結(jié)構(gòu)參數(shù) 殼體外徑，mm 600 管徑，mm Ф192 管長(zhǎng)，m 4.5 管數(shù) 87 傳熱面積，㎡ 18.44 管程數(shù) 3 臺(tái)數(shù) 1 殼程數(shù) 1 管心距，㎜ 32 管子排列 正三角形排列 折流板數(shù) 29 折流板距，m 0.3 材質(zhì) 不銹鋼 主要計(jì)算結(jié)果 殼程 管程 流速，m/s 1.19 0.16 污垢熱阻,(㎡℃)/W 1.7 1.7 傳熱系數(shù)，W/（㎡℃） 155

15、3 5214 7 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)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。 換熱器是制冷及制熱中重要的設(shè)備之一，而且種類(lèi)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(mǎn)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值為，計(jì)算結(jié)果為，安全系數(shù)為

16、10.81%，滿(mǎn)足要求。 其次，在滿(mǎn)足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類(lèi)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，管程約為3892.8Pa，殼程約為2447Pa，都低于要求值（10kPa），因此，可適當(dāng)加大流速，從而加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低污垢熱阻，然而，流速增加，流動(dòng)阻力也會(huì)隨之增大，動(dòng)力消耗就增多，因此，作出經(jīng)濟(jì)衡算在確定流速時(shí)是相當(dāng)重要的。 此外，其他因素（如加熱和冷卻介質(zhì)用量，換熱器的檢修和操作等），在設(shè)計(jì)時(shí)也是不可忽略的。根據(jù)操作要求。 在檢修和操作方面，固定管板式換熱器由于兩端管板和殼體連接成一體，

17、因此不便于清洗和檢修。 本次設(shè)計(jì)中，在滿(mǎn)足傳熱要求的前提下，考慮了其他各項(xiàng)問(wèn)題，但它們之間是相互矛盾的。如：若設(shè)計(jì)換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導(dǎo)致流體通過(guò)換熱器的壓強(qiáng)降（阻力）增大，相應(yīng)地增加了動(dòng)力費(fèi)用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)或壓強(qiáng)降減小，但卻又受到換熱器所能允許的尺寸限制，且換熱器的造價(jià)也提高了。因此，只能綜合考慮來(lái)選擇相對(duì)合適的換熱器。 然而在本次設(shè)計(jì)中由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識(shí)有限，還是存在著很多問(wèn)題。比如在設(shè)計(jì)中未考慮對(duì)成本進(jìn)行核算，僅在滿(mǎn)足操作要求下進(jìn)行設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)上是否合理還有待分析。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)板式換熱器采用同一板片組成不同幾何尺寸和形狀的流道（非對(duì)稱(chēng)流道）解決

18、了兩側(cè)水流量不等的問(wèn)題，同時(shí)與對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)相比具有相同的耐壓性和使用壽命?？傊?，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己需要繼 學(xué)習(xí)的知識(shí)還很多，我將會(huì)認(rèn)真請(qǐng)教老師，不斷提高自己的知識(shí)水平，擴(kuò)展自己的知識(shí)面。 8 參考文獻(xiàn) [1] 《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》 史美中 王中錚 編 東南大學(xué)出版社 [2] 《換熱器原理與設(shè)計(jì)》 余建祖 編著 北京航空航天大學(xué)出版社 [3] 《換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)》 （美）沙拉 塞庫(kù)利克 著 程林 譯 機(jī)械工業(yè)出版社 [4] 《化學(xué)工程手冊(cè)》 《化學(xué)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì) 化學(xué)工業(yè)出版社 [5] 《傳熱學(xué)》 楊世銘 陶文銓 編著 高等教育出版社 15