管殼式換熱器.

課程設(shè)計(jì) 3.4 106 噸 /年熱水的管殼式換熱器設(shè)計(jì) 姓 名 郭寧 院 系 食品工程學(xué)院 專 業(yè) 熱能與動(dòng)力工程 年 級(jí) 熱能本 1201 學(xué) 號(hào) 20122916107 指導(dǎo)教師 鄒欣華 2015年 1月 20 日 目錄 緒論 ................................................................ 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù) .......................................................... 1 2 換熱器設(shè)計(jì)方案的確定 .............................................. 1 2.1 確定流體的流量、壓力、溫度、熱負(fù)荷 ........................... 1 2.2 管殼等材料的選擇 ............................................. 1 3 換熱器熱力計(jì)算 .................................................... 1 3.1 流體物性數(shù)據(jù) ................................................. 1 3.2 傳熱溫差 ..................................................... 2 3.3 傳熱面積 ..................................................... 2 4 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................... 2 4.1 管數(shù)和管程數(shù)和管束的分程、管子的排列的確定 ................... 3 4.2 管子在管板上的排列方式 ....................................... 4 5 換熱器校核設(shè)計(jì) .................................................... 4 5.1 核算總傳熱系數(shù) ............................................... 5 5.2 確定污垢熱阻 ................................................. 6 5.3 核算壓強(qiáng)降 ................................................... 6 6 圖紙繪制 .......................................................... 9 7 主要參考文獻(xiàn) ...................................................... 9 緒論 換熱器的發(fā)展動(dòng)向： 換熱器的傳熱與流體流動(dòng)計(jì)算的準(zhǔn)確性， 取決于物性模擬的準(zhǔn)確性。 因此，物性模擬一直為傳熱界重點(diǎn)研究課題之一， 特別是兩相流物性的模擬。兩相流的物性基礎(chǔ)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室實(shí)際工況的差別。 純組分介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)基本上準(zhǔn)確， 但汽油組成物的數(shù)據(jù)就與實(shí)際工況相差較大， 特別是帶有固體顆粒的流體模擬更復(fù)雜。 為此，要求物性模擬在手段上更加先進(jìn)， 測(cè)試的準(zhǔn)確率更高。從而使換熱器計(jì)算更準(zhǔn)確， 材料更節(jié)省。 物性模擬將代表?yè)Q熱器的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平。 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 處理能力為 3.4 10 6 噸 / 年熱水的管殼式換熱器，熱水入口溫度 90℃，出口 溫度 70℃，冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度為 30℃，出口溫度為 40℃， 允許壓強(qiáng)降不大于 105Pa。每年按照 320 天計(jì)算，每天連續(xù) 24 小時(shí)運(yùn)行。 2 換熱器設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 確定流體的流量、壓力、溫度、熱負(fù)荷 流量：熱水流量 3.4 106 噸/年=122.97 kg/s 冷卻水流量 =246kg/s 溫度：熱水入口溫度 90℃，出口溫度 70℃，冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，入口溫度 為 30℃，出口溫度為 40℃。 熱負(fù)荷： Q m1c1 t1' t 2" 122.97 4200 90 70 1.033 107 w 2.2 管殼等材料的選擇 選取規(guī)格為 25*2.5mm的無(wú)縫鋼管， d 0 mm d i 20 mm 25 , 3 換熱器熱力計(jì)算 管程流體的定性溫度 ： T1 90 70 80 ℃ 2 殼程流體的定性溫度 ： T2 40 30 35 ℃ 2 3.1 流體物性數(shù)據(jù) 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下 : 表 3-1 物性 密度 ㎏/m3 比熱 KJ/( ㎏· oC ) 導(dǎo)熱系 W /mo C 粘度 mpa / s 流體 水 35 993.95 4.174 727.4 0.6265 水 80 971.8 4.195 355.1 0.674 1 3.2 傳熱溫差 t 2 t1 90 40 70 30 o t m1 t2 ln 90 40 44.8 C ln t1 70 30 殼程參數(shù) P、R: t 2 '' t2 ' 40 30 0.167 P t1 t1' 90 40 P 5 t1 ' t 2 ' 90 30 t2 ' t2 ' 40 30 溫差修正系數(shù) R2 1 ln 1 P 2 R-1 1 PR 2 1 1P1.PR P1RR2 1 ln 1 P1. PR P1 RR2 1 2 1 52 1 ln 1 1 0.167 2 5-1 0.167 5 2 1 1 0.167 1. 0.167 5 0.1671 5 52 1 ln 1 0.167 1. 0.167 5 0.1671 5 52 1 2 1 =0.954 有效平均溫差 tm 的計(jì)算： t m t m1 44.8 0.954 42.74 ℃ 3.3 傳熱面積 由于熱負(fù)荷過(guò)大，采用五臺(tái)換熱器并聯(lián) Q Q總 /5 2.066 106 w 假設(shè)傳熱系數(shù) K=1000 /( m 2 C ) W Q k A t , A Q t 2.066 106 w 46.12m2 k 1000 42.74 實(shí)際傳熱面積 A1 46.12 1.15 53m2 （要求實(shí)際傳熱面積比所需傳熱面積 大 10-20%） 4 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 確定換熱器的結(jié)構(gòu)，包括流體流速、換熱管直徑和長(zhǎng)度、管程數(shù)、殼程數(shù)、殼體尺寸、折流板尺寸、管子排列方式、管間距等。 QL 3600 換熱器熱水用量 ： M C p (t2 t1) 2 式中： QL ———— 冷凝器的熱負(fù)荷； C p ———— 冷卻水的定壓比熱；水可取 4200； t1 ———— 冷卻水進(jìn)入溫度， K 或℃； t 2 ———— 冷卻水出口溫度， K 或℃。 M 2.066 106 w (90 24.6kg / s 4200 70) 換熱器冷卻水體積流量 ： V M 1000kg / m3 V M24.6kg / s 0.0246 m3 s 1000kg / m3 4.1 管數(shù)和管程數(shù)和管束的分程、管子的排列的確定 確定單程管數(shù) n 換熱器內(nèi)熱水在管內(nèi)流速可選取 2m/s。設(shè)計(jì)中選用 25×2.5mm鋼管作為換熱器內(nèi)換熱管。 V n d 2 u 4 式中： V ——— 管內(nèi)流體的體積流量， ㎡/s ； d ——— 管子內(nèi)直徑， m； u ——— 流體流速， m/s。 n 0.0246 39.1 圓整為 40 3.14 2 0.02 2 4 4V 4 0.0246 2 m / s 取整后的實(shí)際流速 u 2 3.14 40 0.022 nd 管程數(shù) 管束長(zhǎng)度 L  A n d 式中： A ——— 傳熱面積，㎡； L ——— 按單程計(jì)算的管長(zhǎng)， m。 53 L 21.09 m 40 3.14 0.02 L 管程數(shù) NT l 式中： l 為選定的每程管長(zhǎng) NT ，考慮到管材的合理利用， l 取 6m。 3 N T 21 .09 5 圓整為 4 3. 6 所以換熱器的總管數(shù) S S n m 40 4 160 根 4.2 管子在管板上的排列方式 管子的排列和擋板、 隔板的安排如花板布置圖采用組合排列法， 即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。 因?yàn)闅こ塘黧w壓力較大，故采用焊接法連接管子與管板。 取管心距 t=1.25d ，則 t=1.25 ×25≈32mm 隔板中心到離其最近一排管中心距離 S=t/2+6=32/2+6=22mm 則分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 X =2S=44mm 4.2 ． 1 殼體直徑的計(jì)算 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 η = 0.7 ，則殼體內(nèi)徑為： D 1.05 t NT 1.05 32 160 圓整可取 D=600mm 508mm 0.7 4.2 ． 2 殼體厚度 (s) 的計(jì)算 s PD C 2 P 式中： s ——— 外殼壁厚， cm； P ——— 操作時(shí)的內(nèi)壓力， N/cm2（表壓），根據(jù)壁溫查得為 80.8N/cm2 [ σ] —— 材料的許用應(yīng)力， N/cm 2；查得不銹無(wú)縫管 YB804-70 的許用 應(yīng)力是 13230 N/cm2 φ ——— 焊縫系數(shù)，單面焊縫為 0.65 ，雙面焊縫為 0.85 ；（取單面焊縫） C——— 腐蝕裕度，其值在（ 0.1 ～ 0.8 ）cm 之間，根據(jù)流體的腐蝕性而 定；取 0.7 D——— 外殼內(nèi)徑， cm。 s 80.8 600 0.7 1.64cm 13230 0.65 2 80.8 適當(dāng)考慮安全系數(shù)及開(kāi)孔的強(qiáng)度補(bǔ)償措施，決定取 s=17mm 5 換熱器校核設(shè)計(jì) 對(duì)已設(shè)計(jì)換熱器進(jìn)行校核計(jì)算， 包括熱流量校核、 傳熱系數(shù)校核、熱阻校核、壁面溫度計(jì)算、流通通道阻力等。并對(duì)前面所做的計(jì)算結(jié)果做出匯總表。 對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析， 判定是否合理， 否則需要改變參數(shù)或結(jié)構(gòu)尺寸，甚至改變結(jié)構(gòu)型式重新計(jì)算。 4 5.1 核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) Ai n 4 di2 160 4 0.022 0.012403 m 2 4 4 Vs 3.4 10 9 2 m s與假設(shè)相一致合 ui Ai 0.012403 320 24 3600 1000 Rei di ui 0.02 2 1000 1.127 105 0.355 10 3 Pri C p 4.2 10 3 0.355 10 3 2.42 0.613 所以 0.023 Re0.8 0. 3 i di Pri 0.023 0.613 (1.127 105 )0.8 2.42 0.4 0.02 1105W / m2 o C 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： A0 hD 1 d 0 0.3 0.4 1 0.025 0.0488m2 t 0.032 式中 h 折流擋板間距，取 300 mm； t 管中心距，對(duì) 25 2.5mm ， t 32mm 所以 u0 Vs 3.4 109 A0 3600 320 24 0.25m / s 0.0488 由正三角形排列得： 3 2 2 3 2 3.14 2 4( 2 t 4 d0 ) 4 ( 2 0.032 4 0.025 ) m d e d0 3.14 0.025 0.02 de u0 0.05 0.25 1000 Re 0 0.355 10 3 35211 .3 因?yàn)?Re0 在 2 103 ～1 106 范圍內(nèi)，故可用下式計(jì)算 0 5 0.55 1 0 0.36 Re 0 Pr0 3 de C p 4.2 103 0.355 10 3 Pr0 0.613 2.43 殼程中水被加熱，取 1.05 0.613 1 所以 0 0.36 (35211.3)0.55 (2.43)3 1.05 4918.7 W / m2 C 0.02 5.2 確定污垢熱阻 管內(nèi)外側(cè)污垢熱阻分別?。? R m2 o C W R m2 o C / W si 0.00017 / so 0.00017 總傳熱系數(shù) K 0 管子材料選用不銹鋼， 取其導(dǎo)熱系數(shù)為 w 16.5W / ·oC)，總傳熱系數(shù) K 0 ( m 為： K 0 1 1 Rsi d0 d0 Rso 0 di i d i 1 1 1.7 10 4 1.7 10 4 25 25 20 4918.7 o 20 1105 841.3W / m 2 C 由前面計(jì)算可知，選用該型號(hào)換熱器時(shí)，要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為 1 0 0W0 / m2 o C ， 在 傳 熱 任 務(wù) 所 規(guī) 定 的 流 動(dòng) 條 件 下 ， 計(jì) 算 出 的 K 0 為 841.3W / m 2 o C ，其安全系數(shù)為： 1000 841.3 100 ％ 18.9 ％故所選擇的換熱 841.3 器是合適的。 5.3 核算壓強(qiáng)降 5.3.1 計(jì)算管程壓強(qiáng)降 Pi P1 P2 Ft N p Ns 前面已算出： ui 2 m s ， Rei 1.125 105 （湍流）取不銹鋼管壁粗糙度 6 0.1mm 0.1 則 0.005 ，由 Re 關(guān)系圖中查得： 0.613 di 0.02 L ui 2 6 1000 2 2 P1 3678Pa di 2 0.613 2 0.02 P2 3 ui 2 3 1000 2 2 6000 Pa 2 2 對(duì)于 25 2.5mm 的管子 4，Ns=1 ， Pi 3678 6000 1.4 4 1 54197Pa 5.3.2 計(jì)算殼程壓強(qiáng)降 P0 P1 P2 Fs Ns 其中 Fs 1.15 Ns 1 P1 Ff 0 nc N B 1 u0 2 2 管子為正三角形排列， 取 F=0.4 nc 1.1 n 1.1 160 13.9 取折流擋板間距 h=0.3m 折流擋板數(shù)： L 1 6 1 19 N B 0.3 h A0 hD 1 d0 0.3 0.4 1 0.025 0.0488m 2 t 0.032 殼程流通面積 u0 Vs 114000000 0.2 m s A0 3600 300 24 836.6 / 0.025 Re0 d 0u0 0.025 2 1000 35211.3 ＞ 500 0.355 10 3 f 0 5.0Re0 0.228 5.0 35211.3 0 .228 0.46 所以 P1 0.4 0.46 12 19 1 1000 22 88320Pa 2 2h u0 2 2 0.3 1000 2 P2 N B 3.5 19 2 7800Pa D 2 3.5 0.4 2 P0 88320 7800 1.15 1 110538Pa 7 由上面計(jì)算可知， 該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿足題目要求， 故所選換熱器合適 表 5-1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 項(xiàng)目 殼程（冷卻水） 管程（熱水） 流量 ㎏/s 246 122.97 進(jìn)/ 出口溫度 / ℃ 30/40 90/70 壓力 /MPa 0.3 0.1 形式 管殼式中的固定管板式 臺(tái)數(shù) 5 殼體內(nèi)徑 / ㎜ 600 管心距/㎜ 32 管徑/ ㎜ Φ 25×2.5 管子排列 △ 管長(zhǎng)/ ㎜ 6 折流板數(shù) / 個(gè) 19 管數(shù)目/根 160 折流板間距 / ㎜ 30 傳熱面積 / ㎡ 53 拉桿數(shù) 4 程數(shù) 14547.257 流速 / （m/s） 2 0.22 污垢熱阻 ,( ㎡?℃ )/W 1.7 × 10 4 1.7 × 10 4 傳熱系數(shù)， W/（㎡ ·℃） 4918.7 1105 熱流量 /KW 1 傳熱溫差 / ℃ 42.74 提供面積與所需面積比 1.034 材質(zhì) 不銹鋼 8 6 圖紙繪制 圖 6.1 換熱器截面圖 圖 6.2 換熱器簡(jiǎn)圖 7 主要參考文獻(xiàn) [1] 李云飛、葛克山，《食品工程原理》。第一版 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社， 2002 [2] 余建祖，《換熱器原理與設(shè)計(jì)》。第一版 北京航空航天工程大學(xué)出版社， 2006 [3] 李銳，《換熱器》。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社， 2002 [4] 鄭賢得 .[制冷原理與裝置 ]. 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 2001 [5] 吳業(yè)正，韓寶琦等， 《制冷原理及設(shè)備》。第一版。西安：西安交通大學(xué)出版社， 1987 [6] 楊仕銘 陶文銓，《傳熱學(xué)》。第四版 高等教育出版社， 2006 [7] 曾丹玲 敖越 張新銘 劉朝，《工程熱力學(xué)》 。第三版 高等教育出版社 2002 9