1、.河南理工大學管殼式換熱器課程設計姓名：李欽博學號：學院：機械與動力機械學院專業：熱能與動力工程班級：熱動 1201指導老師 ：王華河南理工大學機械與動力工程學院能源與動力工程系2016.3.下載可編輯 .管殼式換熱器課程設計任務書一、設計題目：設計一臺煤油冷卻的換熱器二、操作條件：1、煤油：入口溫度140，出口溫度 40。2、冷卻介質：循環水，入口溫度40。3、允許壓強降：不大于100kPa。三、設備型式：管殼式換熱器四、處理能力：14t/h五、設計要求：1、選定管殼式換熱器的種類和工藝流程。2、管殼式換熱器的工藝計算和主要的工藝尺寸的設計。3、設計結果概要或設計結果一覽表。4、設備簡圖。（

2、要求按比例畫出主要結構及尺寸）5、對本設計的評述及有關問題的討論。.下載可編輯 .目錄一 設計概述31.1 熱量傳遞的概念與意31.2 換熱器的概念及意義51.3 管殼式換熱器的簡介5二 . 試算并初選換熱器規格.62.1.流體流動途徑的確定62.2.物性參數及其選型62.3.計算熱負荷及冷卻水流量72.4.計算兩流體的平均溫度差72.5.初選換熱器的規格8三. 工藝計算93.1.核算總傳熱系數93.2.核算壓強降113.3 經驗公式12四. 設計評述13參考文獻13.下載可編輯 .一. 設計概述1.1 熱量傳遞的概念與意義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

3、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象。2. 化學工業與熱傳遞的關系化學工業與傳熱的關系密切。這是因為化工生產中的很多過程和單元操作，多需要進行加熱和冷卻，例如：化學反應通常要在一定的溫度進行，為了達到并保持一定溫度，就需要向反應器輸入或輸出熱量；又如在蒸發、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設備輸入或輸出熱量。此外，化工設備的保溫，生產過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產中，且具有極其重要的作用。總之，無論是在能源，宇航，化工，動力，冶金，

4、機械，建筑等工業部門，還是在農業，環境等部門中都涉及到許多有關傳熱的問題。應予指出，熱力學和傳熱學既有區別又有聯系。熱力學不研究引起傳熱的機理和傳熱的快慢，它僅研究物質的平衡狀態，確定系統由一個平衡狀態變成另一個平衡狀態所需的總能量；而傳熱學研究能量的傳遞速率，因此可以認為傳熱學士熱力學的擴展。3. 傳熱的基本方式根據載熱介質的不同，熱傳遞有三種基本方式：（ 1）熱傳導（又稱導熱）物體各部分之間不發生相對位移，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） 流體各部分之間發生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為

5、熱對流。熱對流僅發生在流體中，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。.下載可編輯 .此外，流體流過固體表面時發生的對流和熱傳導聯合作用的傳熱過程，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。1.2 換熱器的概念及意義在化工生產中為了實現物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設備。這種設備統稱為換熱器。在化工生產中，為了工藝流程的需要，往往進行著各種不同的換熱過程：如加

6、熱、冷卻、 蒸發和冷凝。 換熱器就是用來進行這些熱傳遞過程的設備，通過這種設備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動力，原子能和其他許多工業部門廣泛應用的一種通用工藝設備，對于迅速發展的化工煉油等工業生產來說，換熱器尤為重要。換熱器在化工生產中，有時作為一個單獨的化工設備，有時作為某一工藝設備的組成部分，因此換熱器在化工生產中應用是十分廣泛的。任何化工生產中，無論是國內還是國外，它在生產中都占有主導地位。【表】換熱器設計要求序特別要求號1 對事故工況的校核2 對管箱隔板強度的校核3 各部件吊耳安裝位置的校核4 浮頭式和 U 形管束固定管板外徑延伸

7、，使管板兼作試壓法蘭時的強度校核5 管板的剛度校核6 風載荷和地震載荷的校核7 進出口接管承受管線載荷的校核8 疊裝換熱器中，底下那臺換熱器的校核9 鞍式支座的校核10 外表油漆干膜厚度的檢測11 封頭熱壓成形時，終壓溫度的檢測12 殼體直線度的檢測13 氫工況的判別及材料要求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、帶膨脹節式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱.下載可編輯 .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

8、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

9、廣泛，適用范圍大。二 試算并初選換熱器規格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生相變的傳熱過程，且均不易結垢，根據兩流體的情況，故選擇煤油走換熱器的管程，循環水走殼程。2.2. 確定流體的定性溫度、物性數據，并選擇列管換熱器的型式冷卻介質為循環水，取入口溫度為：30，出口溫度為：（25 510） 煤油的定性溫度 Tm1404090o c2水的定性溫度： tm403035o c2兩流體的溫差： Tmtm9035 55o c由于兩流體溫差不大于60，故選用固定管板式列管換熱器.下載可編輯 .查換熱器設計手冊機械工業出版社P265 圖 421 表 433可有：u煤油0.381cp

10、 =0.604mPa· s水 0.825cp =0.825mPa· sP238 圖 415 表 4 16可有：cp煤油2.33KJ/(· oC)Cp 水 4.176KJ/(· oC)P274 圖 4 28(2) 液體導熱系數可有：煤油0.128W/( m· oC)水 =0.613W/( m·oC)查換熱器設計手冊機械工業出版社兩流體在定性溫度下的物性數據如下:物性密度/m3比熱 KJ/( · oC)粘度 mPa·s導熱系 W/( m· oC)流體煤油74420330.6040.1028水996.354.1

11、760.8520.6132.3 計算熱負荷和冷卻水流量Q3220003600Wct1)4.176 103 (3015.4kg / hCp(t 225)Q Wh C phT1T21.141081.828 103(80 40) / 3600 3.22 105W300242.4 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：，t 2t180 3040 25tmt 28029.07 C30lnln25)t1(40而t 2t13025PT1800.091T225.下載可編輯 .RT1T280408t2t13025由換熱器原理查圖419 可得 :t 0.82所以tmtt m，0.9

12、629.0727.9 C又因為 0.96> 0.8 ，故可選用雙殼程的列管換熱器。2.5 試算和初選換熱器的規格根據低溫流體為水，高溫流體為有機物有K 值的范圍： 430 850W/( m2 · oC）,假設 K 400W / m2 oC又因為煤油走管程且初選192.mm， L= 4.5m的列管，所以設ui0.9m / s由 V uidi2 ni 可求得：4單管程的管子根數：niV115369 428根3002436000.01523.14ui 420.9diS0Qtm3.2210528.85m2K 040027.9LiS0106.634.82d0 ni3.140.02539管

13、程數：N pLi34.826L6所以n N pni428108根將這些管子進行排列有圖如下：據此初選固定管板式換熱器規格尺寸為：殼徑 D473 管子尺寸 25×2.5mm管 程 數 N p4管 長 L4.5 m管子總數 n68管子排列方法正三角形實際傳熱面積 Sn d L108 3.14 0.015 4.522.89m2若采用此傳熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數為：.下載可編輯 .Q3.22105433W /( m2 ? ）S t m22.8932.5三 工藝計算3. 1. 核算總傳熱系數1）計算管程對流傳熱系數in21080.015 20.00477 m2Aidi4444Vs

14、1140000000.925 m s（與假設ui0.00477 300 24 3600 996.325Ai相一致 合適）diui0.015 0.925 996.325104湍流Rei0.8521031.6225C p4.176 1030.852 103Pri0.6135.8圖殼程摩擦系數f 0 與 Re0 的關系所以.下載可編輯 .i 0.023 Re0.8 Pri0 .3 (煤油被加熱）di0.0230.613(1.6225 104 )0.85.80.40.0154432W/ m2C2）計算殼程對流傳熱系數0換熱器中心附近管排中流體流通截面積為：AhD 1d00.150.410.0190.0

15、244m20t0.032式中 h折流擋板間距，取300 mm；t管中心距，對252.5mm， t32mm。因為 WC15.4kg / h所以u0Vs1140000000.22m / sA0360030024863.60.0244由正三角形排列得：4(3 t 2d02 )4(30.03223.14 0.0192 )de2424md03.14 0.0190.05因為Re0 在 2103 1106范圍內，故可用下式計算00.36Re 00.55Pr0103d ePr0C p1.8281030.381 1030.1514.6殼程中水被加熱，取1.05 ，0.1511所以00.36(24154) 0.5

16、5 ( 4.6) 31.05484 W / m2C0.053 ）確定污垢熱阻管內、外側污垢熱阻分別取為：Rsi 0.0002m 2C / W (有機液體）， Rso 0.00017 m 2C /W（井水） 4 ）總傳熱系因為煤油為有機物，管子材料選用不銹鋼，取其導熱系數為w 16.5W /.下載可編輯 .( m· oC)，總傳熱系數 K 0為：K 011d 0d0RsoRsi0dii d i111.71042.0104191915484154432360W / m2C由前面計算可知， 選用該型號換熱器時， 要求過程的總傳熱系數為W/m2C，443在傳熱任務所規定的流動條件下，計算出的

17、 K 0為 526W / m2C ，其安全系數為：443360100 20.2 360故所選擇的換熱器是合適的。3.2.核算壓強降1）計算管程壓強降PiP1P2 Ft N p Ns前面已算出： ui0.925 m s， Rei1.6225104 （湍流）取不銹鋼管壁粗糙度0.1mm則0.10.0067 ，由熱交換器原理上di15冊第一章 P54 的Re 關系圖中查得：0.0338P1Lui24.5996.3250.9252所以di20.0330.01524322 PaP3ui23 996.3250.925 25115 Pa222對于192mm的管子4 ， Ns=1Pi432251151.441

18、 52847Pa2 ）計算殼程壓強降PP ，P， FNs012s其中Fs，Ff 0nc N Bu021.15 Ns 1P112.下載可編輯 .管子為正三角形排列，取F=0.4nc1.19n1.110812取折流擋板間距h0.15m折流擋板數：N BL14.5129h0.15殼程流通面積A0h Dncd 00.150.4120.0190.025m2u0Vs1140000000.2m / sA0360030024836.60.025Re0d0 u00.0190.2 836.68344 5000.381103f 05.0Re00.2285.08344 0.2280.64，0.40.641229183

19、6.60.22所以 P127710 Pa，2hu0220.15836.6 0.22N B3.5293.5P2D20.421334PaP0771013341.15110401Pa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。3.4. 經驗公式1. 管程對流傳熱系數i ，可用迪特斯和貝爾特關聯式：i0.023Re0.8 Pri0 .3di2. 殼程對流傳熱系數0 ，可用關聯式計算：0.55100.36Re 0Pr0 3de3. 管程壓強降可用：PiP1P2 Ft N p Ns4. 殼程壓強降可用埃索法：， ，P0P1P2 Fs N s.下載可編輯 .四. 設計評述通過

20、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。換熱器是化工廠中重要的化工設備之一，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， 我發現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不合適，使規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，安全系數為 16.8%，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，