船舶柴油机高温淡水冷却器设计任务书

武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 1 - - 1 - 船舶柴油机高温淡水冷却器设计任务书 第 1 章 绪论 热器的概述 换热器 在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。 此外，换热器也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。 在工业生产中，船舶柴油机的高温淡水冷却器 ，电厂热力系统中的冷水塔，制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器等都是热交换器的应用实例。在各个生产领域中，要挖掘能源利用的潜力，做好节能减排，必须合理组织热交换 过程并利用和回收余热，这往往和正确地设计与使用热交换器密不可分 ，本文的设计正是基于此 。 热器的分类 换热器按用途可分为预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等 ;根据流体流动方式可分为顺流式、逆流式、错流式及混流式 ;根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分三大类 :混合式、蓄热式和间壁式。 混合式换热器依靠冷、热流体直接接触进行传热，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡是允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗漆与冷却、循环水的冷 却、汽汽的冷凝等等。 蓄热式换热器内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等彻成火格子（有时用金属波形带等）。换热分两个阶段进行 :第一阶段，高温气体通过火格子，将热量传给火格子而蓄起来。第二阶段，低温气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当高温气体进入一器时，低温气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 2 - - 2 - 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔 开，并通过间壁进行热量交换，因此又称表面式换热器。这类换热器的应用最为广泛。间壁式换热器根据换热面的结构形式不同可分为管式换热器、板式换热器以及其他类型换热器。 定管板式换热器简介 固定管式换热器是管式换热器的一种，它主要由 壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成 ，壳侧流体与管侧流体通过管束壁面进行传热。管束可以采用光管、螺纹管、翅片管及波节管等各种管形式，同时也可采用管内插入物等手段强化传热，并在成本较低的情况下获得传热均句，传热系数较大的效果。 壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端 固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热系数大 。 正方形排列 时 管外清洗方便，适用于易结垢的流体。 图 1固定管板式换热器的结构图。 图 1定管板式换热器 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 3 - - 3 - 计前换热器的选型以及前期的准备 热器的选型 固定 管板式换热器作为管壳式换热器中应用最广泛的换热器之一，结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。故选用固定管板式换热器。 程流体和管程流体的选取 由于 两程流体 均为液态淡水，无毒、没有腐蚀性，不用考虑粘性， 对材质没有什么特殊的要求， 而且淡水易清洁，其对流传热系数与流速关系较小，同时 两程温差、压力相差不大 。故综合考虑下安排高温淡水通入壳程以便于被冷却，用于冷却的低温淡水则走管程。 程数与管程数的选择 根据初算换热面 积和管程流通截面积，选取一台 1固定管板式换热器。 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 4 - - 4 - 第 2 章 设计计算的基本公式和设计步骤 计算的基本方程 热交换器的热计算主要目的在于找到热负荷和流体的进出口温度、传热系数、传热面积以及这些量之间的关系式，其中常用的基本关系式有两个，即传热方程式和热平衡方程式。 传热方程式 在工程中，常用的传热方程式的基本形式是 （ 2 式中： Q 热负荷， W； F 传热面积， 两种流体之间的平均温度， 。 平衡方程式 如果不考虑散至周围环境的热损失，则冷流体所吸收的热量就应该等于热流体所放出的热量。这时的热平衡方程式可写为： 1 1 1 1 2 2 2 2( ) ( )c M t t c M t t （ 2 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 5 - - 5 - 实际上任何热交换器都有散向周围环境的热损失，这时热平衡方程式就可写成： 1 1 1 1 2 2 2 2( ) ( )c M t t c M t t （ 2 式中： 分别为热流体与冷流体的质量流量， kg/s； 分别为热流体与冷流体温度 0C ，其右上角“ ”代表流体的进口状态，“ ”代表流体的出口状态； 以放热量为准的对外热损失系数，通常为 均温差 流体在热交换器内的流动形式有顺流、逆流、混流和错流等，其中以顺流和逆流最为简单。顺流和逆流情况下的平均温差为： m a x m i n1,m a xm i （ 2 计算其他流动方式的平均温差时，先按顺流和逆流形式计算出平均温差，再乘以相应的修正系数即可。 定管板式热交换器的设计步骤 管壳式热交换器的一般设计步骤为： （ 1） 根据设计任务搜集 有关的原始资料，并选定热交换器的型式； （ 2） 确定定性温度，并查取物性数据； （ 3） 由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量； （ 4） 选择壳体和管子的材料； （ 5） 选定流动方式，确定流体的流动空间； （ 6） 求出平均温差； （ 7） 初选出传热系数，并初算传热面积； （ 8） 设计热交换的结构； （ 9） 管程换热计算及阻力计算； 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 6 - - 6 - （ 10）壳程换热计算； （ 11）校核传热系数和传热面积； （ 12）核算壁温； （ 13）计算壳程阻力，使之小于允许压降； （ 14）绘制正式图纸、编写材料表等。 以上一些步骤可以根 据设计时的具体情况进行适当调整，对设计结果应进行分析，发现错误及时纠正，保证结果的准确。 第 3 章 固定管板式换热器的初步设计 始数据 （ 1）高温淡水进口水温为： 85； （ 2）高温淡水出口水温为： 72； （ 3）高温冷却淡水流量为： 58m3/h； （ 4）低温淡水进口水温为： 33； （ 5）低温淡水出口水温为： 45； （ 6）允许最大压力降： 定物性参数 性温度 由于壳程和管程流体都不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 壳程高温淡水的平均温度为 ： 1118 5 7 2 7 8 . 522 （ 3 管程低温淡水的平均温度： 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 7 - - 7 - 2223 3 4 5 3922 （ 3 性参数 根据参考文献 2 录 9 ，得管程低温淡水和壳程高温淡水在各自的定性温度 下的物性参数如表 3 表 3性参数 密度 kg/压比热容 ） 导热系数 W/（ m K） 动力 粘度 S 普朗特数 程低温淡水（ 39） 程高温淡水（ 热量及平均温差的计算 壳程高温冷却水的质量流量： 1 5 8 9 7 2 . 7 1 5 . 6 7 /3600M k g s（ 3 传热量： 1 1 1 1( ) 1 5 . 6 7 4 . 1 9 3 5 ( 8 5 7 2 ) 0 . 9 8 8 3 7 . 1 7 C t t K W （ 3 由此可得管程低温淡水的质量流量： 2 2 2 28 3 7 . 1 7 1 6 . 7 1 /4 . 1 7 4 ( 4 5 - 3 3 )()k g sc t t （ 3 式中： L 以放热量为准的对外热损失系数，取 由传热学知识求得：0o，9武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 8 - - 8 - 按图 3示计算逆流式的对数平均温差 ： m a x m i n1,m a xm i 3 9 3 9 . 540 （ 3 图 3管式换热器逆流型温度变化图 故有效平均温差： 1, 0 . 9 8 3 9 . 5 3 8 . 7 om m ct t C （ 3 式中： 温差修正系数，由参数 ： 11 228 5 - 7 2 1 . 0 8 34 5 - 3 3 22124 5 - 3 3 0 . 2 38 5 - 3 3 查图 3 0 =。 图 3差修正 系数 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 9 - - 9 - 热面结构设计 算传热面积 查参考文献 2附录 A 得传热系数取值范围 1000 ，初选传热系数 K =1200W/。 估算传热面积： 2 837170 1 8 . 0 31 2 0 0 3 8 . 7 （ 3 热管束 的选取 传热管束根据管侧冷流体的流量及管内流速来确定。流速是换热器设计的重要参数，提高流速可以提高传热系数（减 少传热面积）；减少在管子表面生成污垢的可能性，但同时压力降和功耗也随之增加。水在管道中的最大允许速度与管道的材质有关，本文中 管子材料选用碳钢无缝钢管，型号为 25其外径 5径 0初步计算时选定管内水的流速为2 1m/s 。 管程所需流通截面： 22221 6 . 7 1 0 . 0 1 6 89 9 2 . 6 1 （ 3 每程管数： 224 4 0 . 0 1 6 8 5 3 . 50 . 0 2 根 （ 3 取整 n=54根。 每根管长： 101 8 . 0 32 0 . 0 0 6 2 0 . 0 5 0 . 0 0 6 2 . 2 35 4 2 0 . 0 2 5 d （ 3 取标准管长 2m。 式中： 总管程数，在本设计中其值为 2； N； 管板厚度（固定取为 管子布置的结构参数如表 3 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 10 - - 10 - 表 3热管分布的结构参数 管子排列方式 管间距 S（ 分程隔板槽处管间距 平行于流向的杆 S（ 垂直于流向的管距 等边三角形 32 44 6 束布置 管子排布形式有正三角、正方形、转角正方形，转角三角形、同心圆几种排布形式。其中正三角排布形式和正方形排布用的较多，正方形排布有益于清扫污垢，常用在易生成污垢的场合，而正三角排布有结构紧凑，工艺方便，能获得更大的传热系数的特点，本例题设计中，污垢形成相对较少，因此总要从结构紧凑等方面考虑选择正三角布置。 中心管排数： 0 . 5 0 . 50 1 . 1 1 . 1 1 0 8 1 1 . 4 3 根 （ 3 取值为 11。 由以上数据初步画出换热管分布草图，如附图 1。 杆的选取 查文献 1表 得拉杆有关数据，如表 3计壳体直径在 400间 )。 表 3杆结构数据参数 换热管直径 （ 拉杆直径 （ 拉杆数量 （ 25 16 4 程结构设计 步估算壳内径 如附图 1，用 草图量得管束中心至最外层管中心距离为 管束外缘直径： . 1 9 9 6 2 0 . 0 2 5 0 . 4 2 4 m （ 3 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 11 - - 11 - 壳体内径： 32 0 . 4 2 4 2 0 . 0 0 8 0 . 4 4 b m （ 3中： 不小于 8取 因此可取换热器壳体标准直径 ,即公称直径 由文献 4可初选壳内径为 换热管长度与壳体直径之比为 2 / 。目前所采用的换热管长度与壳体直径之比为 4间，所以初选的壳体与换热管结构参数较为匹配。 流板设计 管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其扰动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。本文采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 20% 25%，取 25%，则切去的圆缺高度为： 2 0 （ 3 折流 板的圆心角： 120o 查参考资料 2可知折流板板间距为 5001005001 ）（）（ ， 结合一般标准取值，则取折流板间距 : 150 折流板数 : b = l / l 1 2 0 0 0 / 1 5 0 1 1 2 . 3 （ 3 取值： 12 折流板与结构布局相关的参数见表 3 表 3流板结构布局相关参数 折流板形式 折流板缺口高度 h 折流板的圆心角 折流板间距流板数目流板直径形 20 2 汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 12 - - 12 - 第 4 章 校核传热系数及传热面积 程换热系数计算 管程接管直径： 22221 6 . 7 1 41 . 1 3 1 . 1 3 0 . 1 4 6 69 7 2 . 6 1 （ 4 由 钢管取标准值： 1465。 管程雷诺数： 62 2 2 2R e / 1 9 9 2 . 6 0 . 0 2 / ( 6 6 8 . 1 2 1 0 ) 2 9 7 1 3 （ 4 一般 0000 即为湍流。 管程换热系数： 0 . 8 0 . 4 0 . 8 0 . 4 222 2 2 0 . 6 3 30 . 0 2 3 R e P r 0 . 0 2 3 2 9 7 1 3 4 . 4 2 4 9 9 6 / ( )0 . 0 2iW m （ 4 程换热系数计算 折流板缺口面积： 222 1s i n)221s i n)21(214A （ 4 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 13 - - 13 - 错流区内管数占总管数的百分比： c c o c c o ss i ar c c o s (2)2(s i n a r c c o s)2 （ 4 缺 口处管子所占面积 : 2212 0 0 88 0 2 (8 （ 4 流体在缺口处的面积： 2mA （ 4 流体在两折流板间错流流通截面积： （ 4 壳程流通截面积： （ 4 壳程接管直径按 211 0 7 14 D 计算得： 由钢管标准选相近规格，选取 80。 错流区管排数，由附图 2 知： 11每一缺口内的有效错流管排数： 根 （ 4 旁流通道数：1E；旁流挡板数： 0错流面积中旁流面积所占分数： 4 （ 4 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 14 - - 14 - 一块折流板上管子与 管孔间泄露面积： 21000 0 2 8 （ 4 折流板外缘与壳体内壁之间的泄露面积： r c c o r c c o （ 4 壳侧热流体的雷诺数： 5 4 4 10 2 4 1 C 4 故知壳侧是湍流。 壳程传热因子： 0H 0 . 0 5 1 0 . 7 5 0 . 9 5 0 . 0 0 3 6j j j j （ 4 式中： 理想管束传热因子，查图 4 ； 口校正因子，查图 4 1 流 板 泄 露 校 正 因 子 ， 根 据 2 6 1 2 8 2 3 6 2 8 2 3 6 0 2 3 6 A A 查图 4 据 0 011N N 及 6.0 。 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 15 - - 15 - 图 4-1 图 4-2 图 4 图 4壳程质量流速： 21 1 5 . 6 7 5 7 8 . 2 3 /0 . 0 2 7 1k g m （ 4 假定壳侧壁面温度为 5，且查表得该壁温下的水粘度为：- 6 21 7 2 7 . 4 1 0 / ( / )w k g m s 。 壳程换热系数： 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 16 - - 16 - 0 . 1 42131 0 1 462362 2 . 7 1 00 . 0 0 3 6 5 7 8 . 2 3 4 1 9 3 5 2 . 2 67 2 7 . 4 1 02 4 4 5 ( ) cW m C （ 4 算传热系数 由于是工程上计算， 可略去管壁导热阻力，查资料 2得管程、壳程淡水污垢热阻 2, 2 , 1= 0 . 0 0 0 0 8 8 ( ) /m C W 。则传热系数： 10 ,1 , 21212111 2 5 1 2 50 . 0 0 0 0 8 8 0 . 0 0 0 0 8 8 1 3 0 0 /2 4 4 5 2 0 4 9 9 6 2 0m C （ 4 传热面积： 2008 3 7 . 1 7 1 0 0 0 1 6 . 6 41 3 0 0 3 8 . 7 （ 4 传热面积之比：00F 1 6 . 9 6 1 . 0 2F 1 6 . 6 4，在允许范围以内。 检测壳侧壁温： 1 1 0 , 11117 8 . 5 1 3 0 0 0 . 0 0 0 0 8 8 3 8 . 7 3 5 . 3 72445w m S mt t K （ 4 与原假定值差 允许范围内。 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 17 - - 17 - 第 5 章 阻力计算 程流体阻力 由参考文献 1知，管程总阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进出口接管阻力。 沿程阻力： 0 . 1 422 2 22260 . 1 46424 9 9 2 . 6 1 6 6 8 . 1 2 1 04 0 . 0 0 7 ( ) 2 7 7 0 . 5 70 . 0 2 2 6 5 3 . 3 1 0 （ 5 回弯阻力： 2 222 9 9 2 . 6 14 4 2 3 9 7 0 . 4 P a （ 5 进出口接管阻力： 2 222 9 9 2 . 6 11 . 5 1 . 5 7 4 4 . 4 5 a （ 5 式中： 图 5 007.0 40,2 此处假定为假定温度 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 18 - - 18 - )/( 3 6-2 性表为壁温下水的粘度，查物； 2 1/ 流 体 流 经 管 道 的 速 度。 图 5 管程总阻力： 2 7 7 0 . 5 7 3 9 7 0 . 4 7 4 4 . 4 5 7 4 8 5 . 4 2t i t P P P a （ 5 因为 0 ， 则管程流体阻力在允许范围之内。 程阻力计算 壳程总阻力由流体流经管束的阻力和流体通过折流板缺口的阻力组成。 理想管束错流段阻力： 0 . 1 4212110 . 1 426421 5 . 6 7 1 1 6 6 8 . 1 2 1 04 0 . 1 9 4 4 52 0 . 0 2 4 5 9 7 2 . 7 7 2 7 . 4 1 0cb k （ 5 式中： 图 5可查得理想管束摩擦系数17.0汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 19 - - 19 - 图 5-2 理想管束缺口处阻力： 2( （ 5 壳程总阻力： 1 ( 1 ) 2 (1 )4 3 . 71 2 1 4 4 5 0 . 6 8 1 1 7 2 4 . 6 0 . 3 8 2 4 4 5 0 . 6 8 1 1117303b b k b b w k b k b P R N P R P R （ 5 式中： 图 5得 68.0 1图 5得 R ； 距相等，不需校正，故1 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 20 - - 20 - 图 5 图 51因为，则壳程流体阻力在允许范围之内。由于该换热器管程和壳程阻力均小于最大允许值，因此是满足设计要求的。 表 设计结构参数总表 设计结构参数总表 参数 管程 （冷水） 壳程 （热水） 质量流量 /（ kg/s） /出口温度 / 33/45 85/72 物性 定性温度 / 39 度 / /压比热容 / ) 力粘度 /s 热导率 /W/m 汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 21 - - 21 - 第 6 章 设计小结 为期 5天的课程设计就要结束了，这次设计的是管壳式换热器，虽然为期不长，但收获颇多。 首先，这次课程设计作为一门专业课程设计，需用到包括工程热力学、传热学、流体力学、机械设计基础等方 面的知识。这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局。计算过程中因考虑不全而重新来过应该算是“家常便饭”了吧，呜呜，但多亏了同学和甘老师的耐心指导，让我受益匪浅。 计算过程决不可能一步就计算成功，设计计算一定是一个边计算，边校核，边修正的过程，比如在本次的设计过程，最初假想的传热系数很小，最后计算出来的传热系数和面普朗特数 备结构参数 形式 膨胀节 台数 1 壳体内径 /00 换热 管外管径 /5 换热管壁厚 /热管管长 /000 管心距 /2 换热管总数 /根 108 管子排列 正三角 管束外缘直径 /24 总传热面积 / /管程数 1/2 材质 无缝碳钢 折流板数目 /块 12 折流板间距 /50 弓形折流板圆缺高度 h/25 最小拉杆数 4 拉杆直径 /6 主要设计结果 管程 壳程 表面传热系数 /W/( ) 4996 2425 污垢热阻 /( /