換熱器設計——固定管板式式換熱器

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1、 課 程 設 計 設計題目：換熱器設計——固定管板式式換熱器 姓 名 院 系 專 業(yè) 熱能與動力工程 年 級 2012級 學 號 指導教師 2015年 1月 21日 目錄 0設計任務 …………………………………………………………… 2 0.1設計目的 ………………………………………………………

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管殼式換熱器的簡介 …………………………………………… 2 2 試算并初選換熱器規(guī)格 …………………………………………… 3 2.1流體流動途徑的確定 …………………………………………… 3 2.2定性溫度、物性數(shù)據，選擇換熱器型式 ………………………… 3 2.3計算熱負荷和冷卻水流量 …………………

3、…………………… 4 2.4計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 工藝計算 …………………………………………………………… 6 3.1核算總傳熱系數(shù) ………………………………………………… 6 3.2核算壓強降 ……………………………………………………… 8 4 經驗公式 …………………………………………………………… 9 5 設備及工藝流程圖 …………………………………………………11 6 設計結果一覽表 ……………………………………………………12 7 設計評述 ……………………

4、………………………………………13 8 參考文獻 ……………………………………………………………15 0 設計任務 0.1設計目的 設計一臺管殼式換熱器 0.2 操作條件 ⑴、水：入口溫度80℃，出口溫度55℃。 ⑵、冷卻介質：循環(huán)水，入口溫度30℃，出口溫度40℃ ⑶、允許壓強降：不大于105Pa。 ⑷、每年按290天計，每天24小時連續(xù)運行。 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移，簡稱傳熱。由熱力學第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時，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領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（又稱導熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導。熱傳導的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 （2）熱對流（簡稱對流） 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中，產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，使流體質點產生相對位移的自然對流；二是因泵或攪拌等外力所致的質點強制運動的強制對流。 此外，流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過程，通常稱為對流傳熱。 （3）熱輻射 因熱的原因而產生的電

6、磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉移。 1.3管殼式換熱器的簡介 管殼式換熱器是目前應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、管束等主要元件構成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個對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、熱管內構成的流體通道稱為管程，換熱管外構成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時，溫度較高的流體通過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，進而實現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。 （2）主要技術特性： 一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術特性： ①、耐高溫高壓，堅固可靠耐用； ②、制造應用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術成熟； ③、選材廣泛，適用范圍大。 2 換熱器設計 2.1流體流動途徑的確定 本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，且均不易結垢，根據流體的情況，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，選擇換熱器型式 冷卻介質為循環(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《換熱器設計手冊》——（美）沙拉 塞庫利克 著 程林 譯 機械工業(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計算熱負荷和冷卻水流量 2.4計算兩流體的平均溫度差 暫按單殼程、多管程進行計算，逆流時平均溫度差為： 而 查《換熱器設計手冊》——（美）沙拉 塞庫利克 著 程林 譯 機械工

10、業(yè)出版社 所以 又因為0.96>，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 根據低溫流體為水，高溫流體也為水，有K值的范圍：430～850W/(oC）,假設 又因為熱水走管程且初選，L= 4.5m的列管，所以設 由 可求得： 單管程的管子根數(shù)： 管程數(shù)： 所以： 據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L 4.5 m 管子總數(shù) n 87 管子排列方法 正三角形 實際傳熱面積 若采用此傳熱面積的換熱器，則

11、要求過程的總傳熱系數(shù)為： ℃） 3 工藝計算 3.1核算總傳熱系數(shù) ）計算管程對流傳熱系數(shù) （與假設相差不多，合適） 所以 2）計算殼程對流傳熱系數(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，。 因為 所以 由正三角形排列得： 因為 在～范圍內，故可用下式計算 殼程中水被加熱，取 ， 所以 ）確定污垢熱阻 管內、外側污垢熱阻分別取為： ）總傳熱系數(shù) 管子材料選用不銹鋼，取其導熱系數(shù)為(moC)，總傳熱系數(shù)為： 由前面計算可知，選用該

12、型號換熱器時，要求過程的總傳熱系數(shù)為，在傳熱任務所規(guī)定的流動條件下，計算出的為，其安全系數(shù)為： ％％ 故所選擇的換熱器是合適的。 3.2核算壓強降 ）計算管程壓強降 前面已算出：， （湍流） 取不銹鋼管壁粗糙度 則，8 所以 對于的管子 4，Ns=1 ）計算殼程壓強降 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 \ 由上面計算可知，該換熱器管程與殼程的壓強均滿足題目要求，故所選換熱器合適。 4 經驗公式 1.管程對

13、流傳熱系數(shù)，可用迪特斯和貝爾特關聯(lián)式： 2.殼程對流傳熱系數(shù)，可用關聯(lián)式計算： 3.管程壓強降可用： 4.殼程壓強降可用埃索法： 5 設備及流程圖 6 設計結果一覽表 項 目 殼程（循環(huán)水） 管程（熱水） 流量，㎏/s 15.4 9.25 溫度，℃（進/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 導熱系數(shù)，kJ/m℃ 0.535 0.575 普蘭特數(shù) 5.29 5.29 結構參數(shù) 殼體外徑，mm 600 管徑，mm Ф192 管長，m 4.5 管數(shù) 87 傳熱面積，㎡ 18.44 管程數(shù) 3 臺數(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 不銹鋼 主要計算結果 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 設計總結 通過本次課程設計，我對換熱器的結構、性能都有了一定的了解，同時，在設計過程中，我也掌握了一定的工藝計算方法。 換熱器是制冷及制熱中重要的設備之一，而且種類繁多，特點不一，因此，選擇合適的換熱器是相當重要的。在本次設計中，我發(fā)現(xiàn)進行換熱器的選擇和設計是要通過反復計算，對各項結果進行比較后，從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設計，為此，設計時應考慮很多方面的因素。 首先要滿足傳熱的要求，本次設計時，由于初選總傳熱系數(shù)不合適，使規(guī)定條件下的計算結果與初設值的比值不在要求范圍內，因此，經過多次計算，才選擇到合適的K值為，計算結果為，安全系數(shù)為

16、10.81%，滿足要求。 其次，在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類型，通過分析操作要求及計算，本次設計選用換熱器為上述計算結果。 再次，從壓強降來看，管程約為3892.8Pa，殼程約為2447Pa，都低于要求值（10kPa），因此，可適當加大流速，從而加大對流傳熱系數(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，流動阻力也會隨之增大，動力消耗就增多，因此，作出經濟衡算在確定流速時是相當重要的。 此外，其他因素（如加熱和冷卻介質用量，換熱器的檢修和操作等），在設計時也是不可忽略的。根據操作要求。 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。 本次設計中，在滿足傳熱要求的前提下，考慮了其他各項問題，但它們之間是相互矛盾的。如：若設計換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導致流體通過換熱器的壓強降（阻力）增大，相應地增加了動力費用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)或壓強降減小，但卻又受到換熱器所能允許的尺寸限制，且換熱器的造價也提高了。因此，只能綜合考慮來選擇相對合適的換熱器。 然而在本次設計中由于經驗不足，知識有限，還是存在著很多問題。比如在設計中未考慮對成本進行核算，僅在滿足操作要求下進行設計，在經濟上是否合理還有待分析。在設計的過程中我發(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（非對稱流道）解決

18、了兩側水流量不等的問題，同時與對稱結構相比具有相同的耐壓性和使用壽命?？傊ㄟ^本次設計，我發(fā)現(xiàn)自己需要繼 學習的知識還很多，我將會認真請教老師，不斷提高自己的知識水平，擴展自己的知識面。 8 參考文獻 [1] 《熱交換器原理與設計》 史美中 王中錚 編 東南大學出版社 [2] 《換熱器原理與設計》 余建祖 編著 北京航空航天大學出版社 [3] 《換熱器設計技術》 （美）沙拉 塞庫利克 著 程林 譯 機械工業(yè)出版社 [4] 《化學工程手冊》 《化學工程手冊》編輯委員會 化學工業(yè)出版社 [5] 《傳熱學》 楊世銘 陶文銓 編著 高等教育出版社 15