工程热力学课程设计--管式换热器.doc

武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书目录1.绪论21.1管壳式换热器概述2 1.2管壳式换热器的结构及性能特点2 1.3 换热器的研究内容及意义32.计算设计说明书52.1 设计准备5 2.1.1设计依据5 2.1.2设计原理5 2.1.3设计步骤6 2.2 初步确定设备结构6 2.2.1定性温度6 2.2.2物性参数7 2.2.3初选管材及管内流速7 2.2.4对数平均温差7 2.2.5确定所选管材9 2.3 校核换热系数10 2.3.1管程换热系数10 2.3.2板管计算10 2.3.3 壳程传热系数11 2.3.4 污垢热阻和管壁热阻12 2.3.5计算传热系数12 2.4 折流板计算122.5 阻力计算14 2.5.1管程流体阻力14 2.5.2壳程阻力152.6 参数总表173.设计小结194.参考文献20 摘要 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。换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。换热器按操作过程可以将其分为间壁式、混合式及回热式三大类，本次设计主要是间壁式，在这类换热器中，冷、热流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。管壳式换热器是间壁式换热器的一种主要形式。化工厂中的加热器、冷却器，电厂中的冷凝器、冷油器以及压缩机的中间冷却器等都是管壳式换热器的实例。本文采用固定管板式。这种结构形式的优点是结构简单，应用广泛1。 关键词：换热器、管壳式、交换热量、固定管板式1.绪论1.1管壳式换热器概述 换热器是工程技术中广泛采用的冷热流体交换热量的设备。按结构分为管壳式换热器和板式换热器。而管壳式换热器是壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器按照结构形式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等多种2。前三种应用比较普遍。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，管壳式换热器在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常管壳式换热器的工作压力可达4兆帕，工作温度在200以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下,在个别情况下也有更大或更长的。1.2管壳式换热器的结构及性能特点 图1-1 固定管板式换热器 管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束或者螺旋管，,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程3。在壳体中设置有管束，管束的壁面即为传热面。管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数4。管壳式换热器结构简单，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。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。旁路渗流较小，锻件使用较少，造价低，无内漏。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。1.3 换热器的研究内容及意义 随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断发展。 目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并可增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积等。换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段5。随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展。本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算。近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。 2.计算设计说明书2.1设计准备2.1.1设计依据 管壳式换热器分为逆流和顺流，一台好的换热器应该有良好的换热性能，科学研究或生产生活的需要，这是设计的初衷和目的。本章节主要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先根据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。2.1.2设计原理由于换热器四个进、出口温度及一侧流体的流量已给定，要求计算出在满足定压力降限制条件下的有效换热面积与流程、流道排列组合方式。 传热基本基本方程式： 式中：； )； ； 。换热量的的计算式： 式中：； ； ， 。总传热系数计算公式： 式中：； ； 。2.1.3设计步骤1、确定换热器设计指标（即设计条件或问题说明）；2、初步确定换热器的类型、结构、材料及流动形式等参数（即总体布置）；3、换热器的传热计算、流阻计算和优化分析（即热力和水力设计，是课程设计的主要内容）；4、换热器的结构、强度及工艺等方面的设计（即结构设计，在设计过程中应与热力、水力设计相互协调）；5、根据其它具体的评价条件，从上述的几套设计方案中进行方案的选择（即最佳设计）。2.2初步确定设备结构 初始条件：（1）高温冷却淡水流量为：65； （2）高温淡水进口水温为：84； （3）高温淡水出口水温为：73； （4）低温淡水进口水温为：36； （5）低温淡水出口水温为：45； （6） 允许最大压力降0.1MPa。2.2.1定性温度由于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 其壳程高温淡水的平均温度： 管程流体的定性温度： 综合分析，高温水流经管程，低温水流经壳程。2.2.2物性参数根据定性温度，分别查得壳程和管程流体的有关物性数据7。 管程淡水在78.5 下的有关物性数据如下： 密度1=972.7定压比热容Cp1=4.1938热导率1=0.6731粘度普朗特数Pr=2.261无量纲 表2-1物性参数壳程淡水在40.5下的物性数据：密度2=991.995定压比热容Cp2=4.174热导率2=0.6357粘度普朗特数Pr=4.2715无量纲 表2-2 物性参数2.2.3初选管材及管内流速材料形式排列方式 管径/mm管长/m流速m/s管程数无缝碳钢 光管三角形252.562.0 2 表2-3 换热管规格 2.2.4对数平均温差 根据前面公式有： 又有： 将已知数据代入得： 式中：； ； ； 。 实际换热量： 根据对数平均温差公式计算： 按逆流计算将已知数据代入得： 式中： 逆流的对数平均温差，；热流体进出口温差，；冷流体进出口温差，；可按图2-1中（b）所示进行计算。图2-1 列管式换热器内流型再根据P和R的值确定温差修正系数，1、2分别代表壳侧和管侧： 根据P，R查图10-238得： 2.2.5确定所选管材查资料2可知工程上水-水换热器的换热系数在8001500,根据经验假定。则总换热面积为： 前面已经选取管内流速为，假设所需管数为，则有： ，取。已知， 则所需管长为： 由L管长管程数=12m，故知与初选管材符合。由于需要两个管程，所以总管数为： 根 2.3校核换热系数2.3.1管程换热系数的计算 式中； ； 。一般Re10000即为湍流，查资料知： 式中； ； ； 。 式中。2.3.2板管计算 中心管排数： 管间距： 壳体内径： 2.3.3 壳程传热系数 壳程流通面积: 壳程流速: 当量直径: 壳侧热流体的雷诺数: ,故知壳侧是湍流。由资料6查得流体横向外掠单管时的努塞尔准则式： 式中； ； 。壳侧的换热系数2.3.4 污垢热阻和管壁热阻查资料6知污垢热阻和管壁热阻可取： 管内侧污垢热阻 管外侧污垢热阻 查表可得碳钢在该条件下的热导率为 将已知数据代入得： 式中：管壁热阻， 传热管壁厚，； 管壁热导率，。2.3.5计算传热系数 由于是工程上计算，可略去管壁导热阻力，则有： 绝对误差=相对误差=误差在工程计算允许范围以内，故换热系数校核符合要求。2.4折流板计算 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。单壳程的换热器仅需要设置横向折流板。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%，取则切去的圆缺高度为： 故可取140mm查资料9可知折流板板间距一般为,结合一般标准取值，则取折流板间距 折流板数 折流板圆缺面水平装配。 图2-2 弓性折流板（水平圆缺）2.5 阻力计算2.5.1 管程流体阻力 管程总阻力包括单程直管阻力和局部阻力。 查资料2得 ，式中 ； ； ，对的管子，取1.2；单程直管阻力： 由，查工程流体力学3 表4-1知 传热管绝对粗糙度 传热管相对粗糙度 查资料2知，对光管，当时， ，将已知数据代入得： 式中 ； ； ； ； ； 。查资料2可知，局部阻力按下式计算， 将已知数据代入得： 式中 ； ； ；管程总阻力为： 0.1MPa 则管程流体阻力在允许范围之内。2.5.2壳程阻力计算 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。查资料2可知，壳程阻力按下式计算： 查资料2得， ， ， 式中 ； ； ； ； ； 查资料2得流体流经管束的阻力按下式计算 将已知数据代入：式中 ； ； ； ； ； ； ； 查资料2知，流体通过折流板缺口的阻力依下式计算： 将已知数据代入： 式中 ； ； ； ； ； ；壳程总阻力： 0.1MPa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。2.6参数总表 表2-4 换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程 流量/（ m3/h）6595.66 进/出口温度/84/7336/45物性 定性温度/78.540.5 密度/m3972.7991.995定压比热容/kJ/()4.1744.2715 黏度/pas 导热率/W/m0.67310.6357 普朗特数2.2614.2715 设备结构参数 形式U型管台数1 壳体内径/mm350壳程数1 外管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列 管数目/根56折流板个数/个39 传热面积/m2 24.99折流板间距/mm150 管程数2材质碳钢 主要设计结果管程壳程 流速/(m/s) 2.00.387 表面传热系数/W/(m2)10670.42294.76 污垢热阻/(m2/W) 阻力/MPa0.0431 0.0114 热流量/kW990.24 传热温差/37.61 传热系数/W/(m2)1053.6 3.设计小结 4.参考文献1 李志勇,喻健良,刘志军