1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上學 號： 課 程 設(shè) 計題 目 換熱器設(shè)計學 院能源與動力工程學院專 業(yè)能源與動力系統(tǒng)及自動化 班 級能動zy1401 姓 名指導教師胡甫才2013年09月13日 專心-專注-專業(yè) 課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級： 能動zy1401 指導教師： 胡甫才 工作單位： 能動學院熱能系 題 目:換熱器設(shè)計 初始條件：(1) 空調(diào)供暖熱水用量為： 30t/h；(2) 空調(diào)供暖用水出口水溫為：60(3) 空調(diào)供暖用水進口水溫為：85(4) 熱水鍋爐的進口水溫為：70；(5) 熱水鍋爐的出口水溫為：95；(6) 允許最大壓力降：0.1 MPa。要求完成的主要任務(wù): （包括課程

2、設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求） 1編制設(shè)計書1份，內(nèi)容包括：(1) 設(shè)計依據(jù)；(2) 設(shè)計原理；(3) 設(shè)計步驟；(4) 熱力計算過程；（采用平均溫差法或傳熱有效度_傳熱單元數(shù)法）(5) 阻力計算過程等；(6) 其它（包括密封墊片類型，框架支撐形式，流程與接管方位等） 2圖紙（至少畫1張圖紙）：1)安裝圖或外形結(jié)構(gòu)圖（2號）；2)流體流程圖（3號）； 3. 說明書撰寫嚴格按照附件中的格式書寫要求執(zhí)行。時間安排：序號內(nèi) 容所用時間1熟悉設(shè)計任務(wù)書、指導書、收集資料8學時2熱力和阻力計算等16學時3換熱面積計算等8 學時4部分結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和繪圖等20學時5設(shè)計說明書整理7學時6

3、答辯1學時合 計60學時指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，套管式換熱器是應(yīng)用最廣泛的換熱器之一。其主要作用是使熱量從溫度較高的流體流向溫度較低的流體，從而達到相應(yīng)的工藝指標。本文是采取平均溫差的方法設(shè)計換熱器。根據(jù)經(jīng)驗先假設(shè)相應(yīng)的傳熱系數(shù)以及流體在管道內(nèi)的流速。然后通過選取規(guī)定的換熱器對所假定的傳熱系數(shù)進行校核和對流體流速的修正。然后再校核其壓力降是否符合設(shè)計要求，進行相應(yīng)的計算和對選取換熱器的修改，最后確定所需的換熱器型號。關(guān)鍵詞：套管式換熱器 傳熱系數(shù) 流速 壓力降1. 緒論1.1換熱器概述換熱器是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的傳熱設(shè)備

4、之一。隨著現(xiàn)代對于節(jié)能的要求的提高，換熱器的種類也越來越多。而目前應(yīng)用最多的兩種換熱器分別為套管式換熱器和板式換熱器。而我選擇設(shè)計的為套管式的換熱器。套管式換熱器按結(jié)構(gòu)形式可分為：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器、雙重管式換熱器、填函式換熱器和雙管板換熱器等多種。通常管殼式換熱器的工作壓力可達4兆帕，工作溫度在200以下，在個別情況下還可達到更高的壓力和溫度。一般管子直徑在1800mm以下，長度在9000mm以下，在個別情況下還有其他特殊的換熱器。而這次我設(shè)計的流量為30t/h，管長為6000mm，工作溫度在100°C以下的2-4型換熱器。1.2管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和性能特

5、點:管殼式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內(nèi)部裝有平行管束或者螺旋管，,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進行換熱的兩種流體,一種在管內(nèi)流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程3。在殼體中設(shè)置有管束，管束的壁面即為傳熱面。管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程

6、，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。旁路滲流較小，鍛件使用較少，造價低，無內(nèi)漏。近年來國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強度等方面的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。1.3 換熱器的研究內(nèi)容及意義隨著換熱器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，誕生了許多新型的換熱器，這使得換熱器相關(guān)技術(shù)也得到不斷提高，傳熱理論不斷完善，換熱器研究、設(shè)計、技術(shù)、制造等技術(shù)不斷發(fā)展，換熱技術(shù)的發(fā)展同時又促進了各種

7、新型高效換熱器的不斷發(fā)展。 目前各國為提高這類換熱器性能進行的研究主要是強化傳熱，強化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數(shù)、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數(shù)是強化傳熱的重點，主要是通過強化管程傳熱和殼程傳熱兩個方面得以實現(xiàn)。管殼式換熱器強化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及其表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴展表面；用添加內(nèi)插物的方法以增加流體本身的繞流；將傳熱管的內(nèi)外表面軋制成各種不同的表面形狀，使管內(nèi)外流體同時產(chǎn)生湍流并達到同時擴大管內(nèi)外有效傳熱面積的目的，提高傳熱管的傳熱性能；將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高總傳熱系數(shù)并可增加其抗污垢能

8、力；改變管束支撐形式以獲得良好的流動分布，充分利用傳熱面積等。換熱器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾發(fā)面：防腐技術(shù)，大型化與小型化并重，強化技術(shù)，抗振技術(shù)，防結(jié)垢技術(shù)，制造技術(shù)，研究手段。隨著工業(yè)中經(jīng)濟效益與社會環(huán)境保護的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路的與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟、環(huán)保的方向發(fā)展。本課題主要研究的是固定管板式換熱器，查閱換熱器相關(guān)標準，分析固定管板式各部分性能影響，并進行了換熱器的熱工計算、結(jié)構(gòu)計算。近年來，隨著制造技術(shù)的進步，強化換熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據(jù)不同的工藝條件與工況設(shè)計制造了不

9、同結(jié)構(gòu)形式的新型換熱器，也取得了較大的經(jīng)濟效益。故我們在選擇換熱設(shè)備時一定要根據(jù)不同的工藝、工況要求選擇。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。在即定的流體之間，在一定時間內(nèi)交換一定數(shù)量的熱量；也可以是以回收熱量為目的，用于余熱利用；也可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設(shè)備被破壞。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。本文的研究結(jié)果對指導換熱器的規(guī)模化生產(chǎn)，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，以在廣泛范圍內(nèi)逐步取代進口同類材料，降低使用成本具有重要意義。2. 管式換熱器設(shè)計

10、原理與步驟2.1設(shè)計依據(jù)管殼式換熱器分為逆流和順流，一臺好的換熱器應(yīng)該有良好的換熱性能，科學研究或生產(chǎn)生活的需要，這是設(shè)計的初衷和目的。本章節(jié)主要對固定管板式換熱器進行熱工設(shè)計的計算，它的設(shè)計程序或步驟隨著設(shè)計任務(wù)數(shù)和原始數(shù)據(jù)的不同而不同，要盡可能的使已知數(shù)據(jù)和要設(shè)計計算的項目順次編排，但由于許多項目之間互相關(guān)聯(lián)，無法排定順序，故往往先根據(jù)經(jīng)驗選定一個數(shù)據(jù)使計算進行下去，通過計算得到結(jié)果后再與初始假定的數(shù)據(jù)進行比較，知道達到規(guī)定的偏差要求，試算才告結(jié)束。2.2設(shè)計原理由于換熱器四個進、出口溫度及一側(cè)流體的流量已給定，要求計算出在滿足定壓力降限制條件下的有效換熱面積與流程、流道排列組合方式。傳熱

11、基本基本方程式： （2-1）式中：； )； ； 。換熱量的的計算式： （2-2） 式中：； ； ， 。總傳熱系數(shù)計算公式： （2-3） 式中：； ； 。2.3設(shè)計步驟 設(shè)計換熱器時一般按照以下幾個步驟進行：（1）確定換熱器設(shè)計指標（即設(shè)計條件或問題說明）；（2）初步確定換熱器的類型、結(jié)構(gòu)、材料及流動形式等參數(shù)（即總體布置）；（3）換熱器的傳熱計算、流阻計算和優(yōu)化分析（即熱力和水力設(shè)計，是我們課程設(shè)計的主要內(nèi)容）；（4）換熱器的結(jié)構(gòu)、強度及工藝等方面的設(shè)計（即結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計過程中應(yīng)與熱力、水力設(shè)計相互協(xié)調(diào)）；（5）根據(jù)其它具體的評價條件，從上述的幾套設(shè)計方案中進行方案的選擇（即最佳設(shè)計）。 3

12、. 確定基本物性參數(shù)3.1初始條件：(1) 空調(diào)供暖熱水用量為： 30t/h；(2) 空調(diào)供暖用水出口水溫為：60；(3) 空調(diào)供暖用水進口水溫為：85；(4) 熱水鍋爐的進口水溫為：70；(5) 熱水鍋爐的出口水溫為：95；(6) 允許最大壓力降：0.1 MPa。3.2物性參數(shù) 由于殼程不存在相變，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。其管程熱流體的平均溫度為： （3-1）式中：殼程流體的定性溫度； 殼程流體的進口溫度； 殼程流體的出口溫度。由（3-1）式得：殼程冷流體的定性溫度為 （3-2）式中：管程流體的定性溫度； 管程流體的進口溫度； 管程流體的出口溫度。由（3-2）式得：查物性參數(shù)表

13、有 3-1 水的物性參數(shù)表溫度密度比熱容普朗克數(shù)（無量綱）運動粘性系數(shù)導熱率82.5965.124.212.143.4×10-70.67672.5971.774.182.454.0×10-70.6703.3初選管材3-2 初選管材參數(shù)料料形式排列方式管徑/mm管長/m流速m/s管程數(shù)縫碳鋼光管三角形62.0 43.4傳熱量的計算3.4.1冷量計算根據(jù)能量守恒，有： （3-3）式中：殼程流體的散熱量； 管程流體的吸熱量。知 （3-4）式中：殼程流體的理論換熱量； 殼程流體的質(zhì)量流量； 殼程流體的定壓比熱容； 殼程流體的進出口溫度差。由式（3-4）得：考慮到熱損失系數(shù)，實際換熱

14、量為 3.4.2殼程流量計算可算出殼程流體質(zhì)量流量為： （3-5）式中：管程流體的質(zhì)量流量； 管程內(nèi)流體的定壓比熱容； 管程內(nèi)流體的進出口溫度差。由（3-4）得：體積流量為 （3-6）式中：管程內(nèi)流體的體積流量； 管程內(nèi)流體的密度。由（3-6）式得：3.4.3平均溫差的計算：知對于不同變化情況的溫度變化形式如下所示：3-3 不同情況下溫度變化形式因為，所以算數(shù)平均溫差與對數(shù)平均溫差差別可以忽略【1】，故算數(shù)平均溫差即為平均溫差：溫差修正系數(shù)的確定：知： (3-7)故查圖知： （殼側(cè)2程） (3-8) 式中：溫差修正系數(shù)。所以有： （3-9）式中：修正后的換熱溫差。由（3-9）式得： 知工程上水

15、-水換熱器的的換熱系數(shù)K為1000-2000,此處初選換熱 管數(shù)為1800【2】.3.5傳熱面積的計算則可得換熱總面積為： （3-10）式中：所需換熱面積。由式（3-10）得：所以可算出所需的每流程管數(shù)為： （3-11）式中：所需的每流程管數(shù)； 管程內(nèi)流體流速； 管內(nèi)徑。由式（3-11）得：取.取管外側(cè)直徑，則所需有效管長為： （3-12）式中：所需有效管長； 管外徑。由式（3-12）得：但查表知，當管數(shù)為30時，不存在有效管長為44.8m的情況.故根據(jù)所需的換熱面積根據(jù)換熱器手冊查管徑基本參數(shù)可知：當管程數(shù)為4，總管程數(shù)為200（即每流程管數(shù)）時，換熱面積可為。此時換熱器的基本參數(shù)如下表：3

16、-4 換熱器的基本參數(shù)表公稱直徑公稱壓力管程數(shù)管子根數(shù)中心排數(shù)管程流積換熱管長度 計算換面積4500.6、1.0、1.64200160.0088600070.4故可知其管徑比 （3-13）所以可認為選材合適3.6管板計算中心管排數(shù)： （3-14）式中：中心管排數(shù)。由式（3-14）得：管間距： （3-15）式中：管間距。由式（3-15）得：標準后取 3.7折流板的計算：折流板的作用是使殼側(cè)流體能橫掠平板，增加擾動，提高對流換熱系數(shù)，常見折流板的形式有縱向折流板，橫向折流板，橫向折流板又包括（圓缺型折流板、盤環(huán)型折流板、扇形折流板）。縱向折流板主要用于U型管式換熱器中，圓缺型折流板，流體流動死角較

17、小，結(jié)構(gòu)簡單。而盤環(huán)式折流板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且不便清洗。工程中一般應(yīng)用圓缺型折流板【3】。因此，殼側(cè)的折流板選擇圓缺型折流板，圓缺型折流板的圓缺高度一般是殼體內(nèi)徑的，在此選擇，則圓缺高度為 （3-17）式中：圓缺高度； 殼體內(nèi)徑。由式（3-17）得： （3-18）式中：剩下的圓缺面積。由式（3-18）得：故可取查資料可知折流板板間距一般為,結(jié)合一般標準取值，則可取折流板間距為 所以可算出所需折流板為： （塊） （3-19）式中：單程管長； 折流板間距； 折流板數(shù)。由式（3-19）得；折流板水平裝配如圖所示： 圖3-5 圓缺型折流板4. 系數(shù)校核 4.1傳熱系數(shù)校核4.1.1管程熱交換系數(shù)的校核從新

18、確定流速： （4-1）式中：修正后的管道內(nèi)的流速。由式（4-1）得： （4-2）式中:管程雷諾數(shù)； 管道內(nèi)的流體速度，； 運動粘度。由式（4-2）得：知在工程計算中，當雷諾數(shù)時，可認為是湍流【4】，而此時，所以管程內(nèi)的流動情況為湍流。由物性參數(shù)表知：所以可用Dittus-Boelter公式算出管道內(nèi)強制對流換熱的努謝數(shù): (4-3)式中：管道內(nèi)的流體流動的雷諾數(shù)； 管道內(nèi)流體的普朗克數(shù)； 管道內(nèi)流體的努謝爾數(shù)； 修正系數(shù)；加熱流體時，；冷卻流體時此處取。由式（4-3）得：所以，管側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) （4-4）式中：管側(cè)的流體導熱率； 管側(cè)表面的換熱系數(shù)。由式（4-4）得：4.1.2殼側(cè)傳熱系數(shù)的計

19、算知殼程流通面積為 (4-5)式中：換熱器殼體內(nèi)徑； 殼程流通面積。由式（4-5）得：所以，算出流速為： （4-6）當量管徑為： (4-7)式中：當量管徑。由式（4-7）得：所以，同式（4-2）可得： 即可認為殼側(cè)流體流動也是湍流。根據(jù)流體橫掠單管的適用準則式計算得： (4-8)式中：殼側(cè)流體的努謝爾數(shù)； 殼側(cè)管束排列時的參數(shù)； 殼側(cè)流體流動時的雷諾數(shù)。由式（4-8）可得：所以，同式（4-4）可計算出殼側(cè)的換熱系數(shù)為查資料可知污垢熱阻和管壁熱阻為：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管外側(cè)污垢熱阻 查表可得碳鋼在該條件下的熱導率為故可算出管壁導熱熱阻： (4-8)式中：管壁熱阻，； 傳熱管壁厚，； 管壁熱導率，。

20、由式（4-8）可得：4.1.3計算傳熱系數(shù)：因為是工程計算，所以可略去管壁導熱阻力,故可計算出換熱器的實際換熱系數(shù)由式（2-3）可知： 知相對誤差為誤差在工程計算的允許范圍內(nèi)，所以，符合要求。4.2校核換熱面積實際換熱面積為： （4-9）式中：換熱器的單程管長； 換熱器殼體的壁厚； 換熱器的實際換熱面積。所以，由式（4-10）可知：而由前面計算可知，所需的換熱面積所以，有面積校核誤差且知實際換熱面積大于所需換熱面積，所以換熱面積符合設(shè)計要求。4.3壓降校核：4.3.1管程壓力降校核：管程壓力降包括單程直管阻力和局部阻力，可以按如下公式進行計算： (4-11)式中：流體流過直管因摩擦阻力引起的壓

21、力降； 流體流過回彎管因摩擦阻力引起的壓力降； 流體流經(jīng)管箱進出口的壓力降； 結(jié)構(gòu)校正因子，無因次；對于直徑為19mm的管子，取1.5； 管程數(shù)，在此，； 串聯(lián)的殼程數(shù)，在此取【5】。 （4-12）式中：管內(nèi)流速，； 管內(nèi)徑，； 管長，； 摩擦系數(shù)，無量綱，可根據(jù)雷諾數(shù)和相對粗糙度求取； 管內(nèi)流體密度；。對于光滑管，知道當雷諾數(shù)時，可以采用柏拉修斯式計算：帶入數(shù)據(jù)計算得：所以可以算出：所以管殼的壓降為所以管側(cè)壓降符合設(shè)計要求.4.3.2殼程壓降校核應(yīng)用埃索法計算殼程壓力降有： (4-13)式中：流體橫過管束的壓力降，； 流體流過折流板缺口時的壓力降，； 殼程壓力降的結(jié)垢修正系數(shù)，無因次，因為此

22、處為水-水換熱器，所以，取。 (4-14) (4-15)式中：管子排列方法對壓力降的修正系數(shù)，對三角形排列，取； 殼程流體摩擦系數(shù)，當時，； 橫過管數(shù)中心線的管子數(shù)，對三角形排列 ； 按殼程流通截面積計算的流速，計算出的流速； 折流板間距；。所以帶入數(shù)據(jù)可算得：所以殼程總的壓力降為：即所以殼程壓力降符合設(shè)計要求。5. 換熱器主要設(shè)計尺寸和計算結(jié)果5-1換熱器的主要參數(shù)表參數(shù)管程殼程 流量/（ m3/h）30.832.4 進/出口溫度/85/6095/70物性 定性溫度/72.582.5 密度/m3971.77965.12定壓比熱容/kJ/()4.184.21 黏度/pa·s 導熱率/

23、W/m·0.6760.670 普朗特數(shù)2.142.45 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 形式U型管臺數(shù)1 殼體內(nèi)徑/mm350殼程數(shù)2 外管徑/mm19×2管心距/mm25管長/mm6000管子排列 管數(shù)目/根200折流板個數(shù)/個39 傳熱面積/m270.4折流板間距/mm150 管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要設(shè)計結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.00.44表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(m2·)74188026污垢熱阻/(m2·/W)阻力/MPa0.0880.0512熱流量/kW894.98傳熱溫差/7.2傳熱系數(shù)/W/(m2·)1771.696. 課程設(shè)計小結(jié)這次學期初的課程設(shè)計最開始有點讓人措手不及，但是隨著時間的推移，也越來越理解老師說的，學期初的課程設(shè)計可以讓我們少很多借口，能夠更專心的做課程設(shè)計。現(xiàn)在快完成的時候，回頭看看，覺得收獲很多。這次課程設(shè)計，從最開始的茫然不知所措到后來思路的漸漸清晰，一路上經(jīng)歷了很多。這次課程設(shè)計并不如上學期期末課程設(shè)計，老師只是在必要的時刻給我們指點，大多數(shù)地方還是需要自己查閱資料，自己進行計算和檢查，反復(fù)修改以后才有自己的數(shù)據(jù)。但是老師在一些必要的地方也給予了我們幫助，使我們能夠更好的理解書