管殼式熱交換器

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)殼管式換熱器設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)：熱能與動(dòng)力工程 班級(jí)：11-03班 姓名：王術(shù)成 學(xué)號(hào)：311104000321摘要熱交換器是指以傳熱內(nèi)主要過(guò)程(或目的)的設(shè)備。在工業(yè)中的有些設(shè)備，例如制冷設(shè)備、精餾設(shè)備等，在其完成指定的生產(chǎn)工藝過(guò)程的同時(shí)，都伴隨著熱的交換.但傳熱并非它們的主要目的，對(duì)它們的研究就不屬于熱交換搖的范疇。本次設(shè)計(jì)的煤油冷卻的管殼式換熱器，設(shè)計(jì)用冷卻水將煤油由180冷卻到40的管殼式換熱器，其處理能力為10t/h，且允許壓強(qiáng)降不大于100kPa。操作條件是：1）煤油：入口溫度140，出口溫度40； （2）冷卻水介質(zhì)：入口溫度26，出口溫度40。煤油冷卻的管殼式換熱器設(shè)計(jì)包括

2、：管殼式熱交換器的結(jié)構(gòu)計(jì)算；管殼式熱交換器的結(jié)構(gòu)計(jì)算；管殼式熱交換器的傳熱計(jì)算；管殼式熱交換器的流動(dòng)阻力計(jì)算；管殼式熱交換器的合理設(shè)計(jì)等內(nèi)容。由于時(shí)間的原因我們沒(méi)有進(jìn)行關(guān)于管殼式熱交換器的流動(dòng)阻力計(jì)算。關(guān)鍵詞：管殼式換熱器目錄1 緒論······························

3、83;····························（01） 1.1 管殼式熱交換器的類(lèi)型··················&#

4、183;·····················（01） 1.1.1固定管板式熱交換器·························&

5、#183;···········（01） 1.1.2 U形管式熱交換器···································

6、·····（01） 1.1.3浮頭式熱交換器·········································（02） 1.

7、1.4填料函式熱交換器·······································（03） 1.2 管殼式熱交換器的標(biāo)準(zhǔn)······

8、·································（06） 1.3 管子在管板上的固定與排列·············

9、83;·····················（07） 1.3.1 管子在管板上的固定·························&

10、#183;···········（07） 1.3.2 管子在管板上的排列···································

11、;··（07）2 工程概況和設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算·········································（06） 2.1 工程概況··

12、;··················································

13、;（10） 2.2 參數(shù)計(jì)算···············································

14、3;····（10） 2.2.1 流體的物性參數(shù)·········································（10） 2.2.2

15、 傳熱量及平均溫差·······································（11） 2.2.3 估算傳熱面積及傳熱面結(jié)構(gòu)·····

16、3;·························（12） 2.2.4 管程計(jì)算······················&

17、#183;························（13） 2.2.5 殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算······················

18、;···············（13） 2.2.6 需要的傳熱面積································

19、;·········（17）3 總結(jié)·······································

20、83;···················（19）4致謝·····························&#

21、183;······························（20）5參考文獻(xiàn)··················

22、;······································（21）1.緒論1.1管殼式熱交換器的類(lèi)型 管殼式熱交換器按其結(jié)構(gòu)的不同一般可分固定管板式、U形管式、浮頭式和填料函式四種類(lèi)型。1.1.1固定

23、管板式熱交換器熱交換器是將管子兩端固定在位于殼體兩端的固定管板上，由于管板與殼體固定在一起，所以稱(chēng)之為固定管板式熱交換器。與后述幾種相比，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，重里輕，在殼程程數(shù)相同的條件下可排的管數(shù)多。但是它的殼程不能檢修和清洗，因此宜于流過(guò)不易結(jié)垢和清潔的流體，當(dāng)管束與殼體的沮差太大而產(chǎn)生圖1.1 具有膨脹節(jié)的熱交換器不同的熱膨脹時(shí)，常會(huì)使管子與管板的接口脫開(kāi)，從而發(fā)生流體的泄漏.為避免后患可在外殼上裝設(shè)膨脹節(jié)，如圖1. 1所示.但它只能減小而不能完全消除由于溫差而引起的熱應(yīng)力，且在多程熱交換器中，這種方法不能照顧到管子的相對(duì)移動(dòng)。1.1.2 U形管式熱交換器U形管式熱交換器(圖1.2)的管束

24、由U字形彎管組成.管子兩端固定在同一塊管板上，彎曲端不加固定，使每根管子具有自由伸縮的余地而不受其他管子及殼體的影響。這種熱交換器在需要清洗時(shí)可將整個(gè)管束抽出，但要清除管子內(nèi)壁的污垢卻比較困難。因?yàn)閺澢墓茏有枰欢ǖ膹澢霃?，因而在制造時(shí)需用不同曲率的模子夸管，且使管板的有效利用降低，此外，損壞的管子也難于調(diào)換，U形管管束的中心部分空間對(duì)熱交換器的工作有著不利的影響。由于這些缺點(diǎn)的存在，使得它的應(yīng)用受到很大的限制.圖1.2 U形管熱交換器1.1.3浮頭式熱交換器這種熱交換器如圖1.3所示。它的兩端管板只有一端與殼體以法蘭實(shí)行固定連接，這一端稱(chēng)為固定端.另一端的管板不與殼體固定連接而可相對(duì)于殼

25、體滑動(dòng)，這一端被稱(chēng)為浮頭端。因此，在這種熱交換器中，管束的熱膨脹不受殼體的約束，殼體與管束之間不會(huì)因差脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱交換器在需要清洗和檢修時(shí)，僅將整個(gè)管束從固定端抽出即可進(jìn)行。由于浮頭位于殼體內(nèi)部，故又稱(chēng)內(nèi)浮頭式熱交換器.它的缺點(diǎn)是，浮頭蓋與管板法蘭連接有相當(dāng)大的面積，結(jié)果使殼體直徑增大，在管束與殼體之間形成了阻力較小的環(huán)形通道，部分流體將由此處旁通 圖1.3浮頭式熱交換器 圖1.4填料函式熱交換器而不參加熱交換過(guò)程。上述優(yōu)缺點(diǎn)表明，對(duì)于管子和殼體間溫差大，殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢的情況，浮頭式熱交換器能很好適應(yīng)，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬消耗量多.也使它的應(yīng)用受到一定限制。 1.1.4填料

26、函式熱交換器這是一種使一端管板固定而讓另一端管板可在填料函中滑動(dòng)的熱交換器，其結(jié)構(gòu)如圈1.4所示，實(shí)際上它是將浮頭傅在殼體外面的浮頭式熱交換器，所以又稱(chēng)外浮頭式熱交換器。由于填料密封處容易泄漏，故不宜用于易揮發(fā)、易然、易爆、有毒和高壓流體的熱交換。而且由于制造復(fù)雜，安裝不便，因而此種結(jié)構(gòu)不常采用。管殼式熱交換搖的主要組合部件有前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)(包括管束)三部分，詳細(xì)分類(lèi)及代號(hào)見(jiàn)圖1.5，三個(gè)部分的不同組合，就形成結(jié)構(gòu)不同的熱交換器。為了搞清管殼式熱交換器的一般結(jié)構(gòu)，現(xiàn)以一個(gè)浮頭式熱交換器為例，將它示于圖1.6中.這臺(tái)浮頭式熱交換器的前端管箱，屬于圖1.5所示的A型(平蓋管箱)，也可用B

27、型(封頭管箱).而其殼體是一個(gè)單程殼體，屬于圖1.5中的E型.其后端結(jié)構(gòu)，是一個(gè)鉤圈式浮頭，屬于圖1.5中所示的S型。因而將此熱交換器命名為AES浮頭式熱交換器或BES浮頭式熱交換器，它的各個(gè)零部件名稱(chēng)示于表1.1。圖1.6 AES,BES浮頭式熱交換器圖1.5 主要部件的分類(lèi)及代號(hào)表2.1零部件名稱(chēng)表1.2 管殼式熱交換器的標(biāo)準(zhǔn)由于管殼式熱交換器的使用歷史悠久，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用普遍，因而對(duì)它的設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修和管理都已積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，各國(guó)在此基礎(chǔ)上形成了各自的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)定。例如美國(guó)的TEMA標(biāo)準(zhǔn)，日本的JIS B 8249標(biāo)準(zhǔn)，英國(guó)的BS 5500標(biāo)準(zhǔn)以及聯(lián)邦德國(guó)的AD規(guī)范

28、等，其中制定年代較早、廣為熟知和采用的當(dāng)推美國(guó)管式換熱器制造商協(xié)會(huì)(Tubular Exchanger Manufactures Association)所訂的TEMA標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)、制造方面也已有了自己的經(jīng)臉，隨著設(shè)計(jì)和制造水平的提高，不斷進(jìn)行總結(jié)并制訂出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在經(jīng)過(guò)多次修訂的基礎(chǔ)上，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局在1989年發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼制管殼式換熱器（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB 151- 1989)。后來(lái)，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局又在1999年對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，公布了新的標(biāo)準(zhǔn)管殼式換熱器(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB 151-1999)，它規(guī)定了非直接受火管殼式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收的要求。國(guó)標(biāo)GB 151-

29、1999的適用范圍為:(1)公稱(chēng)直徑DN大于或等于2600mm;(2)公稱(chēng)壓力PN大于或等于35 MPa ；(3)公稱(chēng)直徑(mm)和公稱(chēng)壓力(MPa)的乘積不小于1.75X104。適用的設(shè)計(jì)溫度范圍按金屬材料允許的使用溫度確定.此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定臥式和立式管殼式熱交換器型號(hào)的表示方法如表1. 2所示。表1. 2臥式和立式管殼式換熱器型號(hào)表示法1.3 管子在管板上的固定與排列管子構(gòu)成熱交換器的傳熱面，它的材料應(yīng)根據(jù)工作壓力、溫度和流體腐蝕性、流體對(duì)材料的脆化作用及毒性等決定，可選用碳鋼、合金鋼、銅、塑料、石墨等。1.3.1 管子在管板上的固定管子在管板上的固定方法應(yīng)能保證連接牢固，常用的方法有脹管法與焊

30、接法兩種。在高溫高壓且其接頭在操作中受反復(fù)熱變形、熱沖擊和熱腐蝕的作用時(shí)，為保證其可靠性，有時(shí)采取脹焊并用的方法，對(duì)于非金屬管及鑄鐵管也采用墊塞法固定.比較先進(jìn)的還有爆炸脹接法、爆炸焊接法、液壓脹管法、黏脹法等等。脹管法通常能保證連接的嚴(yán)密性，同時(shí)易于更換損壞的管子。脹接接頭不僅受溫的影響還受到操作壓力、材質(zhì)和其他條件的影響，因而不能簡(jiǎn)單地判定它的適用范圍.且于壓力低于4MPa和溫度低于30的條件下。因?yàn)楦邷匾构茏优c管板變;從而引起脹接處的松弛而泄漏，故對(duì)高溫、高壓以及易燃、易爆的流體，比較多的采用焊接法。另外，當(dāng)熱交換器內(nèi)壓力大于0.6MPa，或當(dāng)不論何種壓力但流體易揮發(fā)時(shí)，則在脹管前應(yīng)在

31、管孔中車(chē)以小槽，然后將管子脹好，以增加管子拔出時(shí)的阻力。焊接法在高溫高壓下仍能保持連接的緊密性，對(duì)管板孔的加工要求較低，同時(shí)比脹管的工藝簡(jiǎn)便.但它在焊接接頭處的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕和破裂，同時(shí)在管孔和管子間存在的間隙處也可能產(chǎn)生間隙腐蝕。為免此患，有時(shí)可先脹一下之后再焊。1.3.2 管子在管板上的排列在確定管子在管板上的排列方式時(shí)，應(yīng)該考慮下列原則：(1)要保證管板有必要的強(qiáng)度，而且管子和管板的連接要堅(jiān)固和緊密;(2)設(shè)備要盡量緊湊，以便減小管板和殼體的直徑，并使管外空間的流通截面減小，以便提高管外流體的流速;(3)要使制造、安裝和修理、維護(hù)簡(jiǎn)便。這些要求能否滿(mǎn)足，關(guān)鍵在于管子的排列方式和管

32、間距的正確選擇。管子的排列方式常用有:等邊三角形排列(或稱(chēng)正六角形排列)法、同心圓排列法和正方形排列法，如圖1.7所示。圖1.7管子在管排上的排列 按等邊三角形排列時(shí)，流體流動(dòng)方向與三角形的一條邊垂直，最內(nèi)層六邊形的邊長(zhǎng)等于S，通常在管板周邊與六邊形的邊之間的六個(gè)弓形部分內(nèi)不排列管子，但當(dāng)層數(shù)a>6時(shí)，則在這些弓形部分也應(yīng)排列管子，這時(shí)最外層管子的中心不應(yīng)超出最大六邊形的外接圓周。管子按同心圓排列時(shí)，管距s既為兩層圓周之間的距離，也作為圓周上管子的間距，但是直線(xiàn)間距和弧形間距稍有差別，因而在圓周上布置管子只取整數(shù)，從而采用這種排列方式時(shí)，各層圓周上的管間距是不相等的，這就使得管板上的劃線(xiàn)

33、、制造和裝配都比較困難.這種排列方式的優(yōu)點(diǎn)是比較緊湊，且靠近殼體處布管均勻，在小直徑熱交換器中，這種方式的布管數(shù)比等邊三角形要多。但當(dāng)層數(shù)>s時(shí)，由于六邊形的弓形部分可排管子，故等邊三角形排列顯得有利，且層數(shù)越多越有利.同時(shí)從前面所提出的簡(jiǎn)單、緊湊和工藝方面的各項(xiàng)要求來(lái)說(shuō)，等邊三角形排列方式也都能得到滿(mǎn)足，因而它也是最合理的排列方式。對(duì)于正方形排列，在一定的管板面積上可排列的管數(shù)最少，但它易于清掃，故在易于生成污垢、需將管束抽出清洗的場(chǎng)合得到一定的應(yīng)用，例如在浮頭式和填料函式熱交換器采用這種排列法是比較多的。除上述三種方式外，也可采用組合的排列方式，例如在多管程熱交換器中，每一程都采用等

34、邊三角形排列，而在各程相鄰管排間，為便于安裝隔板，則采用正方形排列，如圖1.8。值得注意的是，在多管程熱交換器中，分程隔板要占一部分管板面積，因而實(shí)際排管數(shù)必須由作圖確定，此外，還有使流體的流動(dòng)方向與三角形的一條邊平行的轉(zhuǎn)角等邊三角形排列法以及使流體的流動(dòng)方向與正方形的一條對(duì)角線(xiàn)垂直的轉(zhuǎn)角正方形排列法，見(jiàn)圖1. 9。圖1.8組合排列法 圖1.9 轉(zhuǎn)角排列 轉(zhuǎn)角排列在清洗方面的條件與不轉(zhuǎn)角的類(lèi)似。對(duì)于臥式冷凝器，按轉(zhuǎn)角等邊三角形排列時(shí)，管板的軸線(xiàn)(指六邊形對(duì)角線(xiàn))與水平軸線(xiàn)問(wèn)比較有利的偏轉(zhuǎn)角。2. 工程概況和設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算2.1 工程概況 設(shè)計(jì)用冷卻水將煤油由180冷卻到40的管殼式換熱器，其處理

35、能力為10t/h，且允許壓強(qiáng)降不大于100kPa。設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 1、設(shè)備形式：管殼式換熱器 2、操作條件 （1）煤油：入口溫度140，出口溫度40 （2）冷卻水介質(zhì)：入口溫度26，出口溫度402.2 參數(shù)計(jì)算2.2.1 流體的物性參數(shù)由已知條件，選用兩臺(tái)(1-2)型管殼式熱交換器串聯(lián)工作，水的結(jié)垢性強(qiáng)，工作壓力也較離，故使其在管程流動(dòng)，而煤油的溫度、壓力均不高，且較潔凈，在殼程流動(dòng)也是合適的，計(jì)算過(guò)程和結(jié)果如下； tm1=( t1+ t 1')2 (2-01)式中：tm1-煤油的定性溫度，；t1-煤油出口溫度，；t 1'-煤油進(jìn)口溫度。 Pr1 = 1cp11 （2-02

36、）式中：Pr1-煤油普蘭特?cái)?shù)，1-煤油黏度，kg/(m·s)；cp1-煤油比熱，KJ/(kg·)；1-煤油導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)。水的普蘭特?cái)?shù)如上2.2.2 傳熱量及平均溫差 Q=m1cp1(t1-t1)L （2-03）式中：Q-傳熱量，kw；m1-煤油流量，kg/st1-煤油出口溫度，；t 1'-煤油進(jìn)口溫度。cp1-煤油比熱，KJ/(kg·)；L-熱損失系數(shù)。 M2=Q/cp2(t2-t2) （2-04）式中：M2-冷卻水量，kg/s；Q-傳熱量，kw；cp2-水的比熱，KJ/(kg·)；t2-冷卻水出口溫度，；t2-冷卻水進(jìn)口溫度

37、，。 t1m·c=(tmax-tmin)/In(tmax-tmin) （2-05）式中：t1m·c-逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差，；tmax-最大溫度，；tmin最小溫度，。參數(shù)P P=(t2-t2)/(t1-t2) （2-06）參數(shù)R R=(t1-t1)/(t2-t2) （2-07）式中： t1-煤油出口溫度，； t 1'-煤油進(jìn)口溫度。 t2-冷卻水出口溫度，；t2-冷卻水進(jìn)口溫度，。tm=t1m·c （2-08）式中：tm-有效平均溫差，；-溫差修正系數(shù)；t1m·c-逆流時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差，。2.2.3 估算傳熱面積及傳熱面結(jié)構(gòu) F=Q/(K*tm)

38、 （2-09）式中：F-估算傳熱面積，m2；Q-傳熱量，kw；K-初選傳熱系數(shù)，W/(m2·)；tm-有效平均溫差，。 At=M2/(2*2) （2-10）式中：At-管程所需的流通截面，m2；M2-冷卻水量，kg/s；2-水的密度，kg/m2；2-管程內(nèi)水的流速，m/s。 n=4At/(di2) （2-11）式中：n-每程管數(shù)，At-管程所需的流通截面，m2平行于流向的管距sp sp=scos30° （2-12）垂直于流向的管距sn sn=ssin30° （2-13）式中：S-管中心距，mm。2.2.4 管程計(jì)算 D2=M2. (2-14)式中：D2-管程接管直

39、徑，mm；M2-冷卻水量，kg/s；2-水的密度，kg/m2；2-管程內(nèi)水的流速，m/s。 Re2=22d12 (2-15)式中：Re2-管程雷諾數(shù)，2-水的密度，kg/m2；2-管程內(nèi)水的流速，m/s。2-水的粘度，W/(m·)； 2=2diRe20.8Pr20.4*0.023 (2-16)式中：2-管程換熱系數(shù)，W/（m2·）；Re2-管程雷諾數(shù)，Pr2-水的普蘭特?cái)?shù)，2-水的導(dǎo)熱系數(shù)，kg/(m·s)。2.2.5 殼程結(jié)構(gòu)及殼程計(jì)算 h=0.25Ds （2-17）式中：h-折流板缺口高度，m；Ds-殼體內(nèi)徑，m。 Awg=Ds24(0.5-(1-2hDs)s

40、in2 (2-18)式中： Awg-折流板缺口面積，m2； Ds-殼體內(nèi)徑，m； -折流板的圓心角，度； h-折流板缺口高度，m。 Fc=1（+2（Ds-2h）DL）sin(cos-1(DS-2hDL)-2cos-1(DS-2hDL）) （2-18）式中：Fc-錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)；Ds-殼體內(nèi)徑，m；h-折流板缺口高度，m；DL-管束外緣直徑，m。 Awt=do28nt(1-Fc) (2-19)式中：Awt-缺口處管子所占面積，m2；nt-一臺(tái)管子數(shù)，根Fc-錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)。 Ab= Awg-Awt (2-20)式中： Ab-流體在缺口處流通面積，m2；Awg-折流板缺

41、口面積，m2；Awt-缺口處管子所占面積，m2。 Ac=Is(Ds-DL+DL-do)s(s-do) (2-21)式中：Ac-流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積，m2；Is-折流板間距，m；Ds-殼體內(nèi)徑，m；DL-管束外緣直徑，m；S-管中心距，mm。 As= Ab Ac (2-22)式中：As-殼程流通截面積，m2；Ab-流體在缺口處流通面積，m2；Ac-流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積，m2。 D1=4As （2-23）式中：D1-錯(cuò)流區(qū)管排數(shù)，排；As-殼程流通截面積，m2。Nsw=0.8hsp (2-24)式中：Nsw-每一缺口內(nèi)的有效錯(cuò)流管排數(shù)，排；h-折流板缺口高度，m；sp-于流向的

42、管距，m。Fbp=Is(Ds-DL+12NEIE)AC （2-25）式中： Fbp-錯(cuò)流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)， Is-折流板間距，m； Ds-殼體內(nèi)徑，m； DL-管束外緣直徑，m；IE-折流板間距，m；Nb-折流板數(shù)目，個(gè)；Ac-流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積，m2。Atb=0.5do(dH-do)(1+Fc)nt (2-26)式中：Atb-一快折流板上管子和管孔間泄露面積，m2；Fc-錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)，dH-折流板上管孔直徑，m；nt-一臺(tái)管子數(shù)，根。As=Ds(Ds-DL)2(-cos-1（1-2hDs） （2-27）式中：As-殼程流通截面積，m2；Ds-殼體內(nèi)徑，m；DL-管束外緣直徑，m；h-折流板缺口高度，m。Re1=M1do1Ac （2-28）式中：Re1-殼程雷諾數(shù)，m1-煤油流量，kg/s；Ac-流體在兩折流板間錯(cuò)流流通截面積，m2；1-煤油黏度，kg/(m·s)。jo=jHjCj1jb （2-29）