列管式換熱器（熱水冷卻器）課程設(shè)計(jì)論文

1、 課程設(shè)計(jì)論文列管式換熱器（熱水冷卻器）tube heat exchanger(hot water cooler) 學(xué)院：生命科學(xué)學(xué)院班級(jí)：化工092 姓名：白秋媛 學(xué)號(hào)：2009033201目錄摘要 2一、設(shè)計(jì)題目：熱水冷卻器的設(shè)計(jì)3二、操作條件3三、設(shè)計(jì)方案33.1換熱器概述33.2、列管式換熱器的分類43.3換熱器材質(zhì)的選擇53.4管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)63.5列管式換熱器最終選型6四、傳熱過程計(jì)算74.1基本物性值74.2換熱器的殼程數(shù)及流程74.3估算傳熱面積8五、總結(jié)145.1設(shè)計(jì)心得145.2對(duì)這次設(shè)計(jì)過程總結(jié)14六、參考文獻(xiàn)15摘要換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的

2、設(shè)備。在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。這些過程均和熱量傳遞有著密切聯(lián)系，因而均可以通過換熱器來完成。本設(shè)計(jì)就是利用相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)出達(dá)到工藝所規(guī)定的要求，同時(shí)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)可靠，便于制造、安裝和檢修，以及經(jīng)濟(jì)上合理的列管式換熱器，滿足生產(chǎn)需要。本設(shè)計(jì)以循環(huán)水和熱水為介質(zhì)，按實(shí)際設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行計(jì)算、核算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容如下：1、對(duì)換熱器的分類、材料和運(yùn)用進(jìn)行闡述，了解換熱器的基本構(gòu)造和基本原理。2、通過查閱換熱器設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出的數(shù)據(jù)，對(duì)固定管板式換熱器的進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體分為換熱器的傳熱計(jì)算，核算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、。3、換熱器的外部設(shè)計(jì)包括它的管板的設(shè)計(jì)、封頭的設(shè)計(jì)、管箱和折流擋板的設(shè)計(jì)。 4、換熱器的內(nèi)部設(shè)計(jì)包括：它的換熱管的尺寸、固定管板的厚度以及折流擋板的尺寸。關(guān)鍵詞：換熱器、設(shè)計(jì)計(jì)算、固定管板式一、設(shè)計(jì)題目：熱水冷卻器的設(shè)計(jì)二、操作條件處理能力：噸/年熱水（每年按300天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行）1、 操作條件：熱水：入口溫度80，出口溫度60 冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度25，出口溫度35允許壓強(qiáng)：105pa2、 設(shè)備類型：列管式換熱器3、 建廠地址：大連地區(qū)三、設(shè)計(jì)方案3.1換熱器概述1、換熱器簡(jiǎn)介 換熱器是將熱流體的部分能量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱交換器。換

4、熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。而在工程實(shí)踐中，也會(huì)存在兩種以上的流體參加換熱。換熱器可應(yīng)用于化工、石油、制冷、食品等行業(yè)中，因此，是十分重要的設(shè)備。2、換熱器類型管殼式換熱器的突出優(yōu)點(diǎn)是單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果較好。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，管束兩端固定于管板上。在管殼式換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱的兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，其行程稱為管程；另一種在管外流動(dòng)，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。3.2、列管式換熱

5、器的分類根據(jù)列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常將其分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、u形管換熱器、釜式換熱器、填料函式換熱器等。1、固定管板換熱器 這種換熱器的兩端管板和殼體是連在一起的。主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，但由于殼程不易清理或檢修，管外物料應(yīng)是比較清潔、不易結(jié)垢的。適于處理兩流體溫差不大的情況。若兩流體溫差過大，可在殼體壁上安裝膨脹節(jié)。2、浮頭式換熱器 這種換熱器中兩端的管板，有一端不與殼體相連，可以沿管長(zhǎng)方向自由移動(dòng)，故稱浮頭。主要特點(diǎn)是整個(gè)管束可以由殼體中拆卸下來，便于清洗和檢修。但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，金屬耗量多，造價(jià)較高。3、u形管換熱器 這種換熱器每根管子都彎成u形，進(jìn)出口分別安裝在

6、同一管板兩側(cè)。每根管子都可以自由收縮，且與其他管子和外殼無關(guān)。但管程不易清洗，適用于潔凈而不易結(jié)垢的流體。4、釜式換熱器 這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體上部設(shè)置適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)空間。釜式換熱器清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。適用于液-汽式換熱。5、填料函式換熱器 這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是管板只有一端與殼體固定相連，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。填料函式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單，制造方便，耗材小，造價(jià)低，管束可以自由從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進(jìn)行清洗，維修方便。缺點(diǎn)是耐壓不高。適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢

7、，需經(jīng)常清洗且壓力不高的場(chǎng)合。由于，本次設(shè)計(jì)冷熱流體溫差不大，且該換熱器用循環(huán)水冷卻，熱流體為熱水，為不易結(jié)垢和清潔的流體，故可采用固定管板的結(jié)構(gòu)。該種換熱器管板和殼體連在一起，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在同樣的殼體直徑內(nèi)，排管較多。同時(shí)管板式換熱器制造簡(jiǎn)單，造價(jià)低，傳熱效率大，換熱表面清洗方便，適用于本次任務(wù)的熱水冷卻。3.3換熱器材質(zhì)的選擇1、換熱器考慮到設(shè)備的操作壓力、溫度、流體的腐蝕性和經(jīng)濟(jì)合理性等因素，換熱器一般采用的材料有碳鋼和不銹鋼兩種。由于碳鋼的價(jià)格低，強(qiáng)度高，且本次設(shè)計(jì)對(duì)材料的抗腐蝕行要求不高，所以換熱器材料選用碳鋼。2、管板管板的作用是將管束連接在一起，是管程和殼程分開。管板和管子的連接方

8、式一般為脹接和焊接。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼且壓力和溫度都不太高的情況。3、封頭和管箱封頭和管箱位于殼體兩端，作用是控制和分配管程流體。殼徑較小時(shí)采用封頭，封頭與殼體之間用螺紋連接，方便拆卸；殼徑較大時(shí)采用管箱，其結(jié)構(gòu)大多是方便拆卸的。3.4管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)1、傳熱系數(shù)大由于流體在板片間流動(dòng)湍動(dòng)程度高，而且板片厚度又薄，所以，傳熱系數(shù)k大。2、結(jié)構(gòu)緊湊單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大，每立方米體積可具有250m2以上的傳熱面積。3、操作靈活性大只需要在適當(dāng)位置安排中間擋板，便可以進(jìn)行多段操作；還可以通過增減板片數(shù)以增減傳熱面積。4、板片加工制造容易，金屬消耗量低。但管板式換熱器也

9、存在一定的缺點(diǎn)，比如允許操作壓力、溫度和處理量都較低。3.5列管式換熱器最終選型1、合理安排流程，由于，循環(huán)水較易結(jié)垢，為方便清洗，循環(huán)水走管程，熱水走殼程。2、換熱器的管子是傳熱元件，管子尺寸大小對(duì)傳熱有很大的影響。小直徑的管子能使換熱器的傳熱面積大些，但管徑小也會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用高，不易清洗等問題。根據(jù)本次設(shè)計(jì)條件，選用規(guī)格的鋼管。3、管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列兩種。由于，三角形排列布管數(shù)多，能夠獲得較高的對(duì)流傳熱系數(shù)，并且適合于清潔的殼程介質(zhì)。因此，選擇正三角形排列。 (a) 正方形直列 （b）正方形錯(cuò)列 (c) 三角形直列 (d) 三角形錯(cuò)列4、流速的選擇 列管式換熱器內(nèi)常用流速

10、范圍流體種類流速u/(m/s)管程殼程一般流體0.530.21.5易結(jié)垢流體10.5氣體530315可選流速為0.5m/s5、折流擋板的選用 安裝折流擋板的目的是為了提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。因?yàn)?，間距太大，不能保證流體垂直通過管束，是管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失也大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.21.0倍。四、傳熱過程計(jì)算4.1基本物性值水進(jìn)主換熱器的溫度：80 水出主換熱器的溫度：60 循環(huán)水進(jìn)主換熱器的溫度：25 循環(huán)水進(jìn)主換熱器的溫度：35 熱水的定性溫度tm=(80+60)/2=70查表得70下水的物性值為：h=9

11、97.8kg/m3 冷水的定性溫度tm=(35+25)/2=30查表得30下水的物性值為：c=995.7kg/m3 4.2換熱器的殼程數(shù)及流程1、換熱器的殼程數(shù)ns的確定初選換熱器的殼程數(shù)為1，管程數(shù)為4。2、流程確定由于冷熱流體的物性及流量均相近，且循環(huán)冷卻水比較容易結(jié)垢，同時(shí)為增加熱損失，選擇熱流體走殼程，冷流體走管程。選用選用規(guī)格鋼管，設(shè)管內(nèi)的流速。4.3估算傳熱面積1、平均溫差： 在列管式換熱器中由于加折流擋板或多管程，冷熱兩流體并非純逆流，以上應(yīng)加以校正，其校正系數(shù)按一下步驟求得： p=由r，p，查下圖可得：，于是得傳熱溫度差的校正值為2、傳熱面積由于殼層走熱水，管層走冷水，根據(jù)下圖

12、可取經(jīng)驗(yàn)值k=860 kj/(m2h) 列管式換熱器中k值大致范圍熱流體冷流體傳熱系數(shù)k/水清油重油水水水850170034091060280傳熱面積： 根據(jù)傳熱溫差的大小，傳熱介質(zhì)的性質(zhì)以及結(jié)垢、清洗要求等條件選擇適宜的換熱器，為保證傳熱時(shí)流體適宜流動(dòng)狀態(tài)。管層冷流體體積流量選用規(guī)格鋼管，設(shè)管內(nèi)的流速，則單管程所需管子根數(shù)n應(yīng)選管束長(zhǎng)根據(jù)以上確定的條件，按列管式換熱器的標(biāo)準(zhǔn)系列，初選固定板式換熱器的主要性能參數(shù)如下：殼體內(nèi)徑 450mm公稱直徑 450mm管程數(shù) 4管長(zhǎng) 3000mm管子規(guī)格 排列方式 管間距 32mm管數(shù) nt 106中心排管數(shù) 133、換熱器核算管程：流通截面積si=0.

13、0083m2換熱器的核算 按以上數(shù)據(jù)可以分別求出管程和殼程流體流速及雷諾數(shù)管內(nèi)流速：式中 管程流速，m/s；管內(nèi)流體的質(zhì)量流量，kg/s；管內(nèi)流體的密度,kg/m3；=41061.59式中，管內(nèi)徑，m；管內(nèi)流體的粘度，。殼程：擋板的間距對(duì)殼程的流動(dòng)有重要的影響。間距太大不能保證流體垂直通過管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降，間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失也大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.21.0倍。我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有：100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm7種，因此選折流擋板間距b=200mm殼程流通截面積式中，殼體內(nèi)徑，

14、m；管外徑，m；t管間距，m。流速式中，殼體流速，m/s； 殼程流體的質(zhì)量流量，kg/s；殼程流體的密度,kg/m3.當(dāng)量直徑：雷諾數(shù)re016855.23式中，殼程流速，m/s；普朗特?cái)?shù) 式中，殼程流體定壓熱容，；殼程流體熱導(dǎo)率殼程流體的粘度，。管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi 管內(nèi)雷諾數(shù) =41061.5910000普朗特?cái)?shù) 管長(zhǎng)與管內(nèi)徑比：l/di=3000/0.02=50式中，管內(nèi)流體的定壓熱容，；管內(nèi)流體熱導(dǎo)率。管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) hi管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h0污垢熱阻及管壁熱阻 管壁內(nèi)外側(cè)污垢熱阻均取為鋼管壁熱導(dǎo)率 =45管壁熱阻 式中 管外污垢， ； 管內(nèi)污垢，;b管壁厚，m；管壁平均直徑，m。傳

15、熱面積a0所選換熱器的實(shí)際傳熱面積ap=24.1m2換熱器傳熱面裕度4、管、殼程壓力降取管壁絕對(duì)粗糙度相對(duì)粗糙度有前面計(jì)算已得=41061.59 ，故可查的直管壁摩擦系數(shù)，于是得4管程壓力降回彎壓降 式中，阻力系數(shù)。管程總壓力降其中，校正系數(shù)ft=1.4管程數(shù)np=4串聯(lián)殼程數(shù)ns=1殼程的壓力降管束壓降 所以折流擋板數(shù)三角形排列f=0.5殼程流體的摩擦系數(shù)折流擋板缺口壓降殼程總壓力降殼程壓力降結(jié)垢校正系數(shù)對(duì)于液體可取殼程數(shù)0.1mpa 換熱器操作允許壓降換熱器操作壓力p/pa允許壓降 (表壓)0.10.55有校核可知，各項(xiàng)性能符合要求，換熱能力滿足生產(chǎn)需要，所選換熱器可以采用。五、總結(jié)5.1

16、設(shè)計(jì)心得這是我第一次做課程設(shè)計(jì)，以前都是被動(dòng)的學(xué)書本上的理論知識(shí)，這次做課程設(shè)計(jì)時(shí)要求將所學(xué)理論知識(shí)靈活運(yùn)用。所以，受益很多。主要有：1、 掌握了查閱資料、搜集數(shù)據(jù)和合理選用公式的能力。2、 學(xué)會(huì)了從多方面考慮問題，比如在設(shè)計(jì)冷卻器時(shí)，不僅要考慮設(shè)備本身的合理性，還要考慮到應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素。3、 我的計(jì)算能力和對(duì)一些軟件的熟悉度都有明顯的提高。4、 學(xué)會(huì)了運(yùn)用最簡(jiǎn)練的語(yǔ)言來表達(dá)問題，并且能夠用圖說明問題。5.2對(duì)這次設(shè)計(jì)過程總結(jié)換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器（heat exchanger）。在化工生產(chǎn)中，常常需要把低溫流體加熱或者把高溫流體冷卻。本次設(shè)計(jì)

17、主要研究的是固定管板式換熱器，它是換熱設(shè)備的一類。通過對(duì)換熱器的分類、材料和運(yùn)用等相關(guān)理論進(jìn)行闡述，進(jìn)而對(duì)換熱器進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)，讓我對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)流程和作用有了更深刻了解。無論換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算或是校核計(jì)算，一般均應(yīng)考慮下。1、首先必須滿足工藝要求。2、換熱設(shè)備中換熱介質(zhì)參數(shù)（流速、允許壓降、溫度等）的合理選取。在換熱設(shè)備中，介質(zhì)流速高，傳熱系數(shù)大，在熱負(fù)荷一定的情況下，可使傳熱面積減小，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，不僅節(jié)省投資，而且有利于減緩或抑制污垢的形成，但同時(shí)，介質(zhì)流速高，壓降增大，而且介質(zhì)對(duì)傳熱面積的沖蝕加劇，。因此介質(zhì)速度的選取應(yīng)考慮壓降的合理性，盡可能在允許壓降范圍內(nèi)，提高流速，以加大傳熱系數(shù)。3、合理安排流程，以便獲得較大的傳熱系數(shù)，并使熱、冷流體的流向盡可能接近逆流。4、換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇主要包括結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材質(zhì)等方面。5、設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意定性尺寸的計(jì)算。在雷諾數(shù)等的定義式中均有定性尺寸，通常是選取對(duì)流體運(yùn)動(dòng)或傳熱發(fā)生主導(dǎo)影響的尺寸作為定性尺寸。6、在達(dá)到所需工藝要求的前提下，應(yīng)考慮設(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)和維護(hù)費(fèi)之和最低。7考慮采用各種強(qiáng)化傳熱措施。由傳熱基本方程t可見，增大總傳熱系數(shù)、傳熱面積和有效