管殼式換熱器設(shè)計(jì)說(shuō)明書

/課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：管殼式水-水換熱器姓名院系專業(yè)年級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師年月日目錄1前言…………………………12課程設(shè)計(jì)任務(wù)書……………23課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書……………33.1確定設(shè)計(jì)方案…………33.1.1選擇換熱器的類型………………33.1.2流動(dòng)空間及流速的確定…………33.2確定物性數(shù)據(jù)………………………33.3換熱器熱力計(jì)算………………………43.3.1熱流量……………43.3.2平均傳熱溫度差…………………43.3.3循環(huán)冷卻水用量…………………43.3.4總傳熱系數(shù)K………………………53.3.4計(jì)算傳熱面積……………………63.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸…………63.4.1管徑和管內(nèi)流速…………………63.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)………………63.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)……………………73.4.4傳熱管排列和分程方法…………73.4.5殼體內(nèi)徑…………73.4.6折流板……………83.4.7接管………………83.5換熱器核算……………83.5.1熱量核算…………83.5.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力………123.6換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸、計(jì)算結(jié)果…………………133.7換熱器示意圖、管子草圖、折流板圖………………144設(shè)計(jì)總結(jié)…………………155參考文獻(xiàn)…………………161前言在工程中.將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給他種流體的設(shè)備.成為熱交換器。熱交換器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍.例如動(dòng)力工業(yè)中鍋爐設(shè)備的過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)測(cè)器.電廠熱力系統(tǒng)中的凝汽器、除氧器、給水加熱器、冷水塔；冶金工業(yè)中高爐的熱風(fēng)爐.煉鋼和軋鋼生產(chǎn)工藝中的空氣和煤氣預(yù)熱；制冷工業(yè)中蒸汽壓縮式制冷機(jī)或吸收式制冷機(jī)中的蒸發(fā)器、冷凝器；制糖工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器.都是熱交換器的應(yīng)用實(shí)例。在化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中.應(yīng)用熱交換器的場(chǎng)合更是不勝枚舉。在航空航天工業(yè)中.為了及時(shí)取出發(fā)動(dòng)機(jī)及輔助動(dòng)力裝置在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量熱量；熱交換器也是不可或缺的重要部件。根據(jù)熱交換器在生產(chǎn)中的地位和作用.它應(yīng)滿足多種多樣的要求。一般來(lái)說(shuō).對(duì)其基本要求有：〔1滿足工藝過(guò)程所提出的要求。熱交換強(qiáng)度高.熱損失少。在有利的平均溫度下工作?！?要有與溫度和壓力條件相適應(yīng)的不易遭到破壞的工藝結(jié)構(gòu).制造簡(jiǎn)單.裝修方便.經(jīng)濟(jì)合理.運(yùn)行可靠?！?設(shè)備緊湊。這對(duì)大型企業(yè).航空航天、新能源開(kāi)發(fā)和余熱回收裝置更有重要意義?！?保證低的流動(dòng)阻力.以減少熱交換器的消耗。管殼式換熱器是目前應(yīng)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(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心.其中換熱管作為導(dǎo)熱元件.決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對(duì)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(yùn)行的安全可靠性。2課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2.1設(shè)計(jì)題目管殼式水-水換熱器設(shè)計(jì)2.2設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)處理能力為2.4x106噸/年熱水的管殼式換熱器.熱水入口溫度85℃.出口溫度60℃.冷卻介質(zhì)為循環(huán)水.入口溫度為25℃.出口溫度為40℃.允許壓強(qiáng)降不大于10^5Pa。每年按照280天計(jì)算.每天連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行。試設(shè)計(jì)一臺(tái)管殼式換熱器.完成該生產(chǎn)任務(wù)。2.3設(shè)計(jì)原始資料〔技術(shù)參數(shù)熱水在72.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度恒壓比熱容=4.189kJ/<kg.℃>導(dǎo)熱系數(shù)=0.6695W/<m℃>粘度Pa循環(huán)水在32.5℃下的物性數(shù)據(jù)：密度=994.8㎏/m3恒壓比熱容=4.174kJ/<kg℃>導(dǎo)熱系數(shù)=0.6233w/<m℃>粘度3課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書3.1確定設(shè)計(jì)方案3.1.1.選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度85℃.出口溫度60℃。冷流體〔循環(huán)水進(jìn)口溫度25℃.出口溫度40℃。該換熱器冷卻熱的熱水.傳熱量較大.可預(yù)計(jì)排管較多.因此初步確定選用固定管板式換熱器。3.1.2流動(dòng)空間及流速的確定單從兩物流的操作壓力看.熱水操作壓力達(dá)0.1MPa.應(yīng)使熱水走管程.循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢.若其流速太低.將會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度.使換熱器的熱流量下降；且兩流體溫度相差較大.應(yīng)使α較大的循環(huán)水〔一般氣體α<液體走管內(nèi)。所以從總體考慮.應(yīng)使循環(huán)水走管程.熱水走殼程。選用Φ25mm×2.5mm的碳鋼管.管內(nèi)循環(huán)水流速取1m/s。3.2確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程熱水的定性溫度為T=<85+60>/2=72.5℃管程流體的定性溫度為t=〔25+40/2=32.5℃根據(jù)定性溫度.分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。熱水在0.1MPa.72.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度=977kg/m3定壓比熱容=4.189/<kg·℃>導(dǎo)熱系數(shù)=0.6695W/<m·℃黏度=39.335×10-5Pa·s循環(huán)水在0.1MPa.32.5℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度=994.8kg/m3定壓比熱容=4.174/<kg·℃>導(dǎo)熱系數(shù)=0.6233W/<m·℃黏度=76.4×10-5Pa·s3.3換熱器熱力計(jì)算3.3.1熱流量=<T1－T2>〔3-1式中:——熱源熱流量.單位W；——定壓比熱容.單位/〔kg·k>；——熱源進(jìn)口溫度.單位K；——熱源出口溫度.單位K。則：=2.4*10^9/〔3600*24*280×4.189×103×〔85-60=7969.57×<w>3.3.2平均傳熱溫度差有效平均溫度差：〔3-2式中：.——分別為換熱器兩端冷熱流體的溫差.K。將=K.=K代入式〔3-2得：則：40。3.3.3．循環(huán)冷卻水用量冷卻水熱流量：mo=〔3-3式中：——冷源熱流量.單位；kg/s；——定壓比熱容.單位/〔kg·k>；——冷源進(jìn)口溫度.單位K；——冷源出口溫度.單位K。則：=7969.57×103/[4.174×103×<40-25>]=127.29<kg/s>3.3.4總傳熱系數(shù)K管程傳熱系數(shù)計(jì)算雷諾數(shù)〔3-4式中：——雷諾數(shù)；——換熱管內(nèi)徑.單位mm。則雷諾數(shù)：=26041.88計(jì)算管程換熱系數(shù)〔3-5式中：——雷諾數(shù)；——普朗特?cái)?shù)；——導(dǎo)熱系數(shù).單位W/<m·k>；——換熱管內(nèi)徑.單位mm。則管程換熱系數(shù)：=4693.67W/<m·k>殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)λ0=390W/<m2·℃>污垢熱阻：熱水側(cè)的熱阻＝0.000344m2·℃/W冷卻水側(cè)的熱阻＝0.000172m2·℃/W鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ＝45W/<m·℃>總傳熱系數(shù)：〔3-6式中：——對(duì)數(shù)平均直徑.取0.0225mm；——傳熱管壁厚.m。——導(dǎo)熱系數(shù)；——換熱管外徑.單位mm。將數(shù)值依次代入〔3-6得：280.5W/<m·℃>3.3.5計(jì)算傳熱面積計(jì)算傳熱面積=/Kt〔3-7式中：——傳熱系數(shù).W/<m·k>；——與值對(duì)應(yīng)的傳熱面積.m——有效平均溫差.K;——交換的熱量.W。則=591.91〔考慮15％的面積裕度.S=×1.15=680.70〔3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.4.1管徑和管內(nèi)流速選用φ25×2.5mm的傳熱管<碳鋼管>.可設(shè)管內(nèi)冷卻水流速＝1m/s。3.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)〔3-8式中：——流體的流量.m/s；——管子內(nèi)徑.m；——單程管管數(shù)<必須取為整數(shù)>。則：407.5=408〔根按單程管計(jì)算.所需的傳熱管長(zhǎng)度L為〔3-9代入數(shù)據(jù)<3-9>有：=26.6m按單管程設(shè)計(jì).傳熱管過(guò)長(zhǎng),宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=8m.則該換熱器管程數(shù)為Np=L/l〔3-10式中：——按單程計(jì)算的管長(zhǎng).m；l——選定的每程管長(zhǎng).m。則該換熱器管程數(shù)：Np=26.6/8≈4<管程傳熱管總根數(shù)N=408×4=1632〔根3.4.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)R==P==按單殼程、四管程結(jié)構(gòu).溫差校正系數(shù)查教材圖可得=0.95平均傳熱溫差=<3-11>代入數(shù)據(jù)有：=0.95×40=36.8<℃>3.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法.即每程內(nèi)均按正三角形排列.隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25.則：〔3-12t=1.25×25≈31.25＝32〔mm橫過(guò)管束中心線的管數(shù)：〔3-13代入數(shù)據(jù)有：=1.19=48〔根3.4.5殼體內(nèi)徑采用單管程結(jié)構(gòu).取管板利用率η=0.7.則殼體內(nèi)徑為：〔3-14代入數(shù)據(jù)有：。圓整可取D=1700mm。3.4.6折流板采用弓形折流板.取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%.則切去的圓缺高度為h=0.25×1700=425mm.故可取h=425mm.取折流板間距B=0.3D.則：B=0.3×1700=510〔mm為了便于制造和維修.減小阻力.取B為500mm。折流板數(shù)〔3-15式中：——傳熱管管長(zhǎng)；——折流板間距。代入〔3-15數(shù)據(jù)有：=15<塊>折流板圓缺面水平裝配。3.4.7接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)熱水流速為u=20m/s.則接管內(nèi)徑為〔3-16式中：——流體的流量.m/s；代入數(shù)據(jù)有：取標(biāo)準(zhǔn)管徑為102mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.5m/s.則接管內(nèi)徑為〔3-17代入〔3-17數(shù)據(jù)有：取標(biāo)準(zhǔn)管徑為377mm。3.5換熱器核算3.5.1熱量核算⑴殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)于圓缺形折流板.可采用Kern公式：〔3-18式中：——雷諾數(shù)；——普朗特?cái)?shù)；——導(dǎo)熱系數(shù).單位W/<m·k>；——當(dāng)量直徑.單位mm。①水做冷卻劑時(shí).粘度校正為②當(dāng)量直徑.管子為正三角形排列時(shí)＝〔3-19式中：——換熱管外徑.單位mm?！獡Q熱管管心距.單位mm。代入數(shù)據(jù)〔3-19有：＝＝0.020〔m③殼程流通截面積So=BD<1－>〔3-20式中：——折流板間距?！獑喂艹探Y(jié)構(gòu).殼體內(nèi)徑。代入數(shù)據(jù)〔3-20有：So=0.5×1.7×〔1－0.025/0.032＝0.1860〔④殼程熱水的流速及其雷諾數(shù)分別為0.546〔3-21式中：——當(dāng)量直徑?！獰崴?.1MPa.72.5℃下的密度?！獰崴?.1MPa.72.5℃下的粘度。則代入數(shù)據(jù)有：=27123⑤普朗特準(zhǔn)數(shù)〔3-22式中：——普朗特?cái)?shù)；——導(dǎo)熱系數(shù).單位W/<m·k>；——粘度.單位m/s。則代入數(shù)據(jù)有：因此.殼程熱水的傳熱膜系數(shù)為〔3-33式中：——雷諾數(shù)；——普朗特?cái)?shù)；——導(dǎo)熱系數(shù).單位W/<m·k>；——換熱管當(dāng)量直徑.單位mm。則由式〔3-6得：==4495W/<m·k><2>管程對(duì)流傳熱系數(shù)〔3-34式中：——雷諾數(shù)；——普朗特?cái)?shù)；——導(dǎo)熱系數(shù).單位W/<m·k>；——換熱管內(nèi)徑.單位mm。①管程流通截面積0.2562〔②管程循環(huán)水的流速及其雷諾數(shù)分別為同〔3-21>代入數(shù)據(jù)有：=12995③普朗特準(zhǔn)數(shù)〔3-35因此.管程循環(huán)水的傳熱膜系數(shù)代入數(shù)據(jù)〔3-34有：2660<3>總傳熱系數(shù)Ki冷卻水側(cè)的熱阻＝0.000172m2·℃/W熱水側(cè)的熱阻＝0.000344m2·℃/W鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ＝45W/<m2·℃>根據(jù)〔3-36式中：——對(duì)數(shù)平均直徑.取0.0225mm；——傳熱管壁厚.m。將數(shù)值依次代入〔5-6得：=737.4W/<m2·℃>知此計(jì)算值與前面的初設(shè)值Ki‘=280.5W/<m2·℃>的關(guān)系：滿足換熱器設(shè)計(jì)要求.初選的換熱器合適?！?傳熱面積＝/<△>〔3-37代入數(shù)據(jù)有：＝7969.57×103/〔356.9×40＝558.2<m2面積裕度為〔3-38=〔680.70-558.2/558.2=21.9％所用管程數(shù)取值與所求相差不大。3.5.2換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力〔1管程流動(dòng)阻力總壓降：〔3-39式中：——管程數(shù)；——?dú)こ虜?shù)；——結(jié)構(gòu)校正系數(shù)。取Ns=1Np=4Ft=1.4①直管部分的壓降=〔3-40由管內(nèi)流體：Re=12995,傳熱管相對(duì)粗糙度e/d=0.1/20=0.005查莫狄摩擦系數(shù)圖.得：λi=0.028代入數(shù)據(jù)〔3-40有：1220.2②彎管回路中的壓降300.8〔3-41因此總壓降為=〔1220.2+300.8×1.4×4×1=8517.6Pa<100kPa管程流動(dòng)阻力在允許范圍之類?！?殼程阻力總壓降：〔3-42式中：——結(jié)垢校正系數(shù).對(duì)流體；——?dú)こ虜?shù).。①流體橫過(guò)管束的壓降△p’1=<NB+1>〔3-43式中：=0.5=5.0×<27123-0.228=0.4877=48=15=0.546m/s所以.△’p1=0.5×0.4877×48×<15+1>×<90×0.5462>/2＝2512.36〔Pa②流體流過(guò)折流板缺口的阻力〔3-44式中：B=0.50mD=1.70m代入數(shù)據(jù)有：6360.6<Pa>因此計(jì)算總阻力將數(shù)值代入〔3-43：=<2512.36.6+6360.6×1×1=8872.96Pa<Pa殼程流動(dòng)阻力也比較適宜。3.6換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸、計(jì)算結(jié)果列表根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果判斷該換熱器設(shè)計(jì)合理.具體結(jié)果見(jiàn)表3-1。3-1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果換熱器型式：列管式換熱器換熱面積/m2680.70工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水熱水操作壓力Pa不大于不大于操作溫度〔進(jìn)/出/℃25/4085/60流量/<kg/s>127.2913.89流體密度/<kg/m3>994.8977流速/<m/s>0.4990.546傳熱量/kW7969.57總傳熱系數(shù)/[W/<m2·K>]356.9對(duì)流傳熱系數(shù)/[W/<m2·K>]26604495污垢熱阻/[m2·K/W]0.0003440.000172阻力降/KPa8.5188.872程數(shù)4