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过程装备与控制工程类 160 平方米 固定 板式 装置 设计 过程 装备 控制工程 说明书 CAD

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160平方米固定管板式换热装置设计【过程装备与控制工程类】【说明书+CAD】,过程装备与控制工程类,160,平方米,固定,板式,装置,设计,过程,装备,控制工程,说明书,CAD

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沈阳化工大学科亚学院本科毕业论文题 目： 160固定管板式换热装置设计 院 系： 机械与交通工程系 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 1201 学生姓名： 王儒韬 指导教师： 汤方丽 论文提交日期： 2016年 5 月 23 日论文答辩日期： 2016年 6 月 6 日毕 业 设 计 任 务 书机械与交通工程系 机械设计制造及其自动化专业1201王儒韬毕业设计题目：160固定管板式换热装置设计毕业设计内容：相关文献检索并翻译设计计算书一份 绘图折合A0号图2张毕业设计专题：换热器结构设计指 导 教 师： 签字 年 月 日教研室主任： 签字 年 月 日院 长： 签字 年 月 日摘要 本设计是双管程固定管板式换热器，也是目前应用比较广泛的一种换热器主要完成的是水蒸气-水之间的热量交换固定。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。本次设计的题目是固定管板式换热装置的设计，课题预期达到的目标为：换热器面积的计算（实际换热面积：160m2），管程壳程压力降的计算（小于等于0.9MPa），工艺结构尺寸的计算：管程数（2管程），换热管的确定（内径：19mm 数量：450根），壳体内径（600mm），壳程数（1壳程）的计算，折流板的选型（形式：弓形折流板，数量：13）等。 换热器的强度计算：对筒体、管箱厚度的计算和校核，对壳体及管箱各处开孔补强，对延长部分兼做法兰的计算及强度核算。经水压试验、压力校核后显示结果全部合格。换热器的结构设计：折流板、法兰（甲型平焊法兰）、换热管、支座（鞍式支座）、垫片（石棉橡胶板垫片）的规格及选型。完善设计图纸及设计说明书。关键词： 换热器； 工艺； 结构； 强度AbstractFixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. This type of heat exchanger has the characteristics of a simple structure, compact, high reliability and wide adaptability , and low cost of the production, wide choice of used materials, more convenient of cleaning heat exchanger the surface . Fixed tube plate heat exchanger can withstands the higher operating pressure and temperature, so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and large.This design topic is naphtha condenser design, the goal which the topic anticipated achieved.In this design the craft design of heat exchanger, the heat transfer area computation(actual heat transfer area:160); the tube side pressure drop computation(0.4MPa); the craft structure size computation: number of tube passes(2 tube passes). The number of heat exchange tube(inside diameter: 19mm, number: 900), the inside diameter of shell(1000mm), number of shell passes(1 shell passes), the lectotype of baffle board(form: segmental baffle, number: 13) etc. The strength calculation of heat exchanger: the computation and check of cylinder thinckness and channel thinckness, the shell and the reinforcement for opening supplements the intensity, the extension part concurrently makes the flange the computation and the intensity calculation. Examinatation part carried on the hydraulic pressure test, the pressure examination and so on, in which all results has been all qualified.The structural design of the heat exchanger the specification and lectotype of baffle plate, flange(type a manhole weded flange), heat exchange tube、suppot(saddle support)、gasket(paronite gasket)Consummates the design paper and the design instruction booklet.Key words:Heat exchanger; Craft; Structure; Intensity;目 录第一章引言11.1 换热器的用途11.2 换热器的分类11.3 换热器的发展趋势1第二章固定管板式换热器的工艺计算32.1传热量与冷水流量32.1.1 选择换热器的类型32.1.2 流程安排32.1.3 确定物性数据32.1.4 估算传热面积42.2 工艺结构尺寸42.2.1 管径和管内流速42.2.2 管程数和传热管数42.2.4 传热管排列和分程方法52.2.5 壳体内径62.2.6 折流板62.2.7 其他附件72.2.8 接管72.3 换热器核算72.3.1 热流量核算72.3.2 壁温核算102.3.3 换热器内流体的流动阻力102.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果12第三章强度计算133.1 筒体壁厚计算133.2 管箱短节、封头厚度的计算143.2.1 管箱短节厚度的计算143.2.2 封头厚度的计算143.3 管箱短节开孔补强的校核153.4 壳体接管开孔补强校核163.5 管板设计及校核173.5.1 管板计算的有关参数的确定173.5.2 计算法兰力矩193.5.3 管板的计算的相关参数193.5.4 确定和213.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算213.5.6 设计条件不同的组合工况21第四章结构设计264.1 折流挡板264.2 法兰264.3 换热管264.4 支座274.5 压力容器选材原则274.6 垫片28结论29参考文献30致谢31沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章 引言第一章引言1.1 换热器的用途换热器的作用是将热的流体的所具有的部分热量传递给冷的流体的转换设备。换热器在生产中和生活中应用广泛，例如楼体取暖的暖气散热片、汽轮机装置中的冷凝器等，都属于换热器。1。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率2。1.2 换热器的分类换热器的分类方法有很多种。按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器34。按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。在这其中，间壁式换热器在工业生产中的应用相对广泛。根据其换热面的形状可以分为板面式、管式、扩展表面等形式。在这其中管式换热器的应用较为广泛，管式管热气是通过换热的管壁传到热量的。管式换热器具有结构简单、制造简单、材料广泛等优点，应用较广泛5。管壳式换热器的形式：管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等68。1.3 换热器的发展趋势上个世纪20年代诞生板式换热器，它主要应用在食品行业中。板式换热器具有结构紧凑、导热效果佳等优点因此衍生成为很多种形式，知道上个世纪30年代，瑞典人提出螺旋板换热器912。到1930左右，瑞典人既上一次又制造出一台板壳式换热器，主要应用与纸浆生产13。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用 14。加强生产制造成本的标准系列化，促进设备结构的紧凑型，提高设备的传热效率是单签换热器发展的趋势。并在广泛的范围内继续向大型化发展，并CDF（Comptational Fluid Dynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系1516。板翅式换热器（冷箱）应用在乙烯裂解，天然气液化还有空气分离等。我国杭州制氧机集团有限公司（杭氧）在引进美国S-W公司技术和关键加工设备大型真空钎焊炉基础上，生产制造出的乙烯冷箱，设计水平和制造能力已基本达到国际先进水平，并在燕山，扬子，上海，天津，广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。板翅式换热器流道多达15股，单体外形尺寸达6m1.11.154m,最高设计压力达5.12Mpa。 管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和使用范围广等独特优点，一直被广泛应用。尤其在高温高压和大型化的场合下，以及制造工艺上的进一步自动化和机械化，管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展17。12沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章 固定管板式换热器的工艺计算第二章固定管板式换热器的工艺计算2.1 估算换热面积2.1.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度170，出口温度140；冷流体进口温度70，出口的温度为90，所以初步确定为固定式管板式换热器。2.1.2 流程安排从两物流的操作压力来看，应使温度低的走管程，温度高的走壳程。2.1.3 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程流体的定性温度为：管程流体的定性温度为：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。在155下的有关物性数据如下：密度 =1.38kg/定压比热容 =1.038kJ/kg热导率 =0.0545W/m粘度 =2.3PasN2在80下的物性数据：密度 =1.14kg/定压比热容 =1.038kJ/kg热导率 =0.051W/m粘度 =2.1Pas2.1.4 传热量与冷水流量1.热流量： （2-1）2.平均传热温差: （2-2）2.2 工艺结构尺寸2.2.1 管径和管内流速换热管的规格就是管长还有管径，换热管的管径越大，换热器的单位体积换热面积反之就小。对于干净的流体管径取值可以小一些，但是一些不是很洁净的流体管径，取值就应该大一些，避免发生堵塞现象。在本次设计中选用252较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速=10.8m/s2.2.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定传热管数： （2-4）传热管总根数 平均温差校正系数：按单壳程，两管程结构，查得：平均传热温差：（） （2-7）由于平均温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.2.4 传热管排列和分程方法管道的排列方式通常可以分为三种：三角形、正方形、转角正方形。通过比较，等边三角形排列是比较紧凑的，管道外部流体湍动程度较高，其表面的传热系数较大。正方形排列虽然比较松散传热较差，但是管道外部清洗比较方便，通常对于易长生污垢的流体更为适用。图2.1 换热管排列方式综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。取管心距 （焊接时），则 （2-8）隔板中心到力气最近一排管中心距离： （2-9）2.2.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为：=600(mm) （2-10）按卷制壳体的进级档，可取600mm。2.2.6 折流板折流板的安装是为了提高管道外部对流传热的系数，其挡板的间距与形状需要适当，本文所设计内容采用截面形状为弓形的折流板，弓形大小会增加流体的阻力，太小则不会利于传热。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：（mm）故可取h=1665（mm）取折流板间距，则：（mm）故可取B=333（mm）折流板数： （2-11）2.2.7 其他附件根据本换热器壳体的内径，故按标准取拉杆直径为，拉杆数量4根。壳程入口处应设防冲挡板19。如下表所得：表2-1 拉杆直径表换热管外径d 拉杆直径dn10d14 1014d25 1225d57 162.2.8 接管壳程流体进出口接管：取接管内流速为，则接管内径为: （2-12）圆整后可取内径为360mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为： （2-13）圆整后取管内径为300mm。2.3 换热器核算2.3.1 热流量核算（1）壳程表面传热系数用克恩法计算， （2-14）当量直径： （2-15）壳程流通截面积： （2-16）壳体流体流速及雷诺数分别为： （2-17） （2-18）普朗特数： （2-19）粘度校正：则： （2）管内表面传热系数： （2-20）管程流体流通截面积： （2-21）管程流体流速：普朗特数： （2-22）（3）污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：管内侧污垢热阻：碳钢在该条件下的热导率为管壁热阻为：（4）传热系数 （2-23） 2.3.2 壁温核算取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温 （2-27）式中液体的平均温度和为：（） （2-28）（） （2-29）传热管平均壁温：壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即。壳体壁温和传热管壁温之差为：由于换热器壳程流体的温差不大，壳程压力不高，因此，选用固定管板式换热器较为适宜。2.3.3 换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 （2-30） （2-31）传热管对粗糙度，查图得流速，（Pa）（Pa） （2-32） (Pa)管程流体阻力在允许范围之内19。（2）壳程阻力 （2-33） . （2-34） （2-35） m/s (Pa)流体流过折流板缺口的阻力： （2-36）m, m（Pa）总阻力：（Pa）由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。2.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果表2-2 物性参数表参数管程壳程流率/（Kg/h）148971347600进/出温度/110/6029/39压力/MPa0.90.4定性温度/80155密度/（Kg/m3）1.381.14定压比热容/KJ/(Kg.K)1.0381.038粘度/cp0.2110.23热导率/W/(m.)0.0510.054普朗特数4.424设备结构参数：壳体内径/mm：600 ， 壳程数：1 ，管径/mm：252， 材质：碳钢，管心距/mm ：25 ， 管数目/根：450，折流板数/个：11 ， 传热面积/：160，折流板间距/mm ：2000，管程数：2 。表2-3 计算结果表主要计算结果管程壳程流速/（m/s）10.820表面传热系数/W/(.)76371565污垢热阻/（.h./Kcal）0.00020.000176阻力/MPa0.02880.025传热温差/K62.3面积裕度17.9沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章 强度计算第三章强度计算3.1 筒体壁厚计算由工艺设计给定的设计温度155，设计压力=1.1=1.10.9=0.99，选低合金结构钢板16MnR卷制.材料170时的许用应力=170Mpa（假设厚度为616mm时）12取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=2mm.则计算厚度 （3-1）设计厚度 （3-2）对于16MnR，钢板负偏差，因而可取名义厚度。有效厚度 （3-3）水压试验压力 （3-4）所选材料的屈服应力 水压试验应力校核 （3-5） 水压强度满足要求.气密试验压力 3.2 管箱短节、封头厚度的计算3.2.1 管箱短节厚度的计算由工艺设计给定设计参数为:设计温度60,设计压力=1.1=1.10.4=0.44,选用16MnR钢板,材料许用应力=170Mpa,屈服强度,取焊缝系数计算厚度 （3-6）设计厚度 （3-7）名义厚度 （3-8）综合考虑结构,补强,焊接的需要,取有效厚度 （3-9）3.2.2 封头厚度的计算壳体封头选用标准椭圆封头计算厚度 （3-10）名义厚度 （3-11）为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同.有效厚度 压力试验应力校核水压试验压力 （3-12） （3-13）3.3 管箱短节开孔补强的校核开孔补强采用等面积补强法,由工艺设计给定的接管尺寸为考虑实际情况选20号热轧碳素钢管, ,腐蚀裕度 （3-14）接管计算壁厚 （3-15）接管有效壁厚 （3-16）开孔直径 （3-17）接管有效补强宽度 （3-18）接管外侧有效补强高度 （3-19）需要补强面积 （3-20）可以作为补强的面积为 （3-21） （3-22） （3-23）该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。3.4 壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强。选取20号热轧碳素钢管，钢管的许用应力，接管计算壁厚 （3-24）接管有效壁厚 （3-25）开孔直径 （3-26）接管有效补强宽度 （3-27）接管外侧有效补强高度 （3-28）需要补强面积 （3-29）可以作为补强的面积为 （3-30） （3-31） （3-32）无需另设补强结构。3.5 管板设计及校核3.5.1 管板计算的有关参数的确定计算壳程圆筒内直径横截面积 （3-33）圆筒壳壁金属的横截面积 （3-34）一根换热管管壁金属的横截面积 （3-35） （3-36）两管板间换热管有效长度(估计管板厚度为) （3-37）管束模数根据查得(换热管材料为) （3-38）管子回转半径 （3-39）管子受压失稳当量长度由,确定 （3-40）取 （3-41）管子稳定许用压应力根据查得4 （3-42）,由公式得为 （3-43）管板开孔后面积 （3-44）管板布管区面积 （3-45）管板布管区的当量直径 （3-36）系数为 （3-37）壳体不带波形膨胀节时,换热管束与圆筒刚度比 （3-38）系数、 （3-39） （3-40） （3-41）管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比 （3-42）3.5.2 计算法兰力矩根据,壳程直径,选用甲型平焊法兰,直径螺柱选用,数量,材料为。预紧状态下需要的最小螺栓面积 垫片选用石棉橡胶板垫片,公称直径,公称压力P=1.0Mpa垫片型号:1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根据表查得系数，比压力。 3.5.3 管板的计算的相关参数确定假定管板的计算厚度，则换热管的加强系数为 （3-43）刚度参数计算及某些系数的确定确定（根据） （3-44） （3-45） （3-46）3.5.4 确定和由和根据查得 （3-47）3.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算计算 （3-48）由和根据查得计算 （3-49） （3-50） （3-51）3.5.6 设计条件不同的组合工况壳程压力作用下的危险组合壳程压力 管程压力 不计膨胀 由和根据查得 则取与中较大的值 （3-5255）（1）管板应力 （3-56） （3-57） （3-58）（2）壳体法兰应力 （3-59）按 （3-60）（3）管子应力 （3-61） （4）壳程圆筒轴向应力 （3-62）（5）拉脱应力连接形式选用焊接 （3-63）管程压力作用下的危险组合壳程压力 管程压 不计膨胀差 （3-6467）由和根据查得 则 （3-6871）（1）管板应力 （3-72） （3-73） （3-74） （3-75）（2）壳体法兰应力 （3-76）按 （3-77）（3）管子应力 （3-78）（4）壳程圆筒轴向应力 （3-79）（5）拉脱应力连接形式选用焊接 （3-80）计算结果表明进行的管板设计合格。35沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章 结构设计第四章结构设计 4.1 折流挡板挡板的间距对于壳程的流动具有很重要的影响。挡板的间距过小，则不方便制造和维修，太大怎会造成管道外部流体系数下降。通常挡板的间距为壳体内径的0.2倍到1.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有 100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7种；浮头式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm 8种18。4.2 法兰设备法兰标准有：JB 4710甲型平焊法兰 选用压力范围为0.251.6 Mpa JB 4702 乙形平焊法兰 选用压力范围为0.254.0 Mpa JB 4703 长颈对焊法兰 选用压力范围为0.66.4 Mpa本设计选用JB 4701甲型平焊法兰 选用压力范围为0.251.6 Mpa。4.3 换热管目前我国试行的系列标准规定采用252和192两种规格，对于一般流体是适用的。此外还有382.5，572.5的无缝钢管。本设计选用252规格的换热管。我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管长合理截取。同时管长又应与壳径相适应，一般管长与壳径之比，即L/D为34.5。本设计选用3m的管长。管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对亦结垢流体更为适用。本设计选用等边三角形的排列方式18。4.4 支座化工压力容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大类：立式容器支座、卧式容器支座、球式容器支座。卧式容器支座又可分为鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最为广泛。鞍式支座的结构特征：1.鞍式支座标准分轻型（代号A）和重型（代号B）两种。轻型用于满足一般卧式容器使用要求；重型用以满足卧式换热器、盛装液体重度大和L/D大的卧式容器使用要求。2.根据安装形式，鞍式支座分固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种。3.鞍式支座适用于卧式容器直径DN159426（用无缝管件筒体）、3004000（用卷制筒体）的范围内22。本设计选用鞍式支座23 图4.1 鞍式支座4.5 压力容器选材原则1.选用压力容器材料时，必须考虑容器的工作条件，如温度、压力和介质特征；材料的使用性能，如机械性能、物理性能和化学性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷热加工性能；经济合理性能，如材料的价格、制造费用和使用寿命。2.刚制压力容器用钢材应按照国家标准钢制压力容器中所列材料选用，标准中规定设计压力不大于35Mpa，对于超出规定的，应进行具体分析，并进行试验，经过研究以后决定。3.钢材的使用温度不超过各钢号许用应力中所对应的上限温度。但要注意的是，碳素钢和碳锰钢在高于425温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物的石墨化倾向。奥氏体刚的使用温度高于525时，钢中的含碳量不应小于0.04，对于-20的低温容器材料用钢，还应进行夏比“V”型缺口冲击试验。4.压力容器非受压元件用钢必须有良好的可焊性。5.在考虑压力容器受压元件有足够强度的情况下，必须考虑他的韧性，以防止外加载荷作用下发生脆性破坏22。4.6 垫片设备垫片标准主要有：JB4704 非金属软垫片JB4705 缠绕垫片JB4706 金属包垫片一般情况下，非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。非金属软垫片厚度一般根据容器直径选取：容器直径DN450mm时，厚度=2mm；容器直径DN4500mm时,厚度=3mm。金属平垫片厚度一般为36mm。垫片的选择要综合考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封的程度；对垫片本身要考虑垫片性能，压紧用的次数。对高温高压的情况一般多采用金属垫片；中温中压可采用金属和非金属组合式或非金属垫片；中低压情况多采用非金属垫片；高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。根据本设计要求选用石棉橡胶板垫片，确定垫片系数m=2.5，比压力y=20MPa，垫片尺寸D=944,d =904。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文结论结论半学期的毕业设计即将结束，我完成了固定管板式换热装置的工艺设计、结构设计、强度设计的计算，确定了设备结构，完善了设计图纸。通过这次的毕业设计，使我系统全面地了解了化工设备的设计过程，对化工设备有了更深刻、全面地认识，拓宽了知识领域，为今后的工作打下了坚实的基础。 本设计主要进行了换热面积估算,实际换热面积为160 ,工艺结构尺寸的确定，壳体内径为600,换热管规格为252；流动阻力计算；零部件选型，选用甲型平焊法兰，垫片选用石棉橡胶板垫片，鞍式支座，折流板选用弓形折流板，螺栓规格M1260；设备强度计算，经计算及校核后，所得的数据均符合要求。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文参考文献参考文献1郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计M.化工工业出版社 2005.72罗光华,冯莉.超限型换热器的制造.J石油化工设备,2004,33(7):32-353秦叔经，叶文邦，等。化工设备设计全书M.北京：化学工业出版社，19974压力容器标准化技术委员会编.GB15098 钢制压力容器汇编，第一版S.北京：学苑出版社，19985G.,Industrial Heat Exchangers (a basic guide) A,Hemisphere Publishing Co.New York,19826张康答，洪起超等.压力容器手册M.北京：劳动人事出版社，19877M.and London、A.L.，Compact Heat Exchangers，2nd edJ.，MacGraw-Hill Book Company，New York，19848钱颂文主编.换热器设计手册M，北京： 化学工业出版社，20029化工设备设计全书编辑委员会换热器设计M上海科学技术出版社10化工基本过程与设备M化学工业出版社11谭天恩麦本熙丁惠华化工原理M上册北京：化学工业出版社198412中华人民共和国国家标准GB151-1999管壳式换热器S13陈匡民过程装备腐蚀与防护M化学工业出版社14楼宇新.化工机械制造工艺与安装修理M.北京：化学工业出版社，198115郑品森.化工机械制造工艺M.北京：化学工业出版社，198116ZHANG Qing-lin, YOU Li-ming(Dalian RefrigeratorCo., LtdJ., Dalian 116033, China) The Common HeatExchangers For IndustrialRefrigeration System.17E.U.Schlun,Editor-in-chief,Heat Exchanger Design Handbook, Hemisphere Publishing Corporation,1983.沈阳化工大学科亚学院学士学位论文致谢致谢首先感谢本人的导师汤方丽老师，她对我的仔细审阅了本文的全部内容并对我的毕业设计内容提出了许多建设性建议。汤方丽老师渊博的知识，诚恳的为人，她让我受益匪浅，在毕业设计的过程中，特别是遇到困难时，她给了我鼓励和帮助，在这里我向她表示真诚的感谢！感谢母校沈阳化工大学科亚学院的辛勤培育之恩！感谢机械系给我提供的良好学习及实践环境，使我学到了许多新的知识，掌握了一定的操作技能。感谢和我在一起进行课题研究的同窗同学，和他们在一起讨论、研究使我受益非浅。最后，我非常庆幸在四年的的学习、生活中认识了很多可敬的老师和可亲的同学，并感激师友的教诲和帮助！在换热情况下减少管与管发生热传递的方法Somchai WongwisesChi-Chuan Wang著，陈翔译 摘要：这项研究提出了一个新方法，即在换热情况下，分析管板换热器在完全工作情况下管与管之间的工作状态，在公开的文献里很少见到关于传质系数方面的记载，在充满湿空气情形下，人们发现在焓传热性能和传质性能不受进口湿空气的改变而受影响，不象以前的实验都在干燥的情况下完成，在进行换热时，焓传热性能不是依赖于板的设计，传热和传质性能之比在0.61.0范围内，而且这个比率不受板间隔最小雷诺数改变的影响，当雷诺系数足够高的时候，板间距轻微的改变都会影响比率，由于冷凝物被水蒸汽移动所带来的显著影响，金属板构造的热量和质量性能要求被描叙，这些情况表叙如下：Chilton占89%，Colburnj传热因素在15%以内，和Chilton.Colburn相关的81%传质因素在20%以内。关键字：管板换热器 干燥 传热性能 传质性能命名法： 板的表面积 总表面积 管的内部表面积管的外部表面积内外管温度的饱和曲线平均水温和管壁温度 板表面水温度的饱和曲线 管表面水温度的饱和曲线 湿空气定压比热 水定压比热 管的外径管的内径管内水摩擦因素修正因素 最小流程内混合物的最大流速 传热系数 传质系数内部传热系数外部板的总传热系数第一类贝塞耳系数 空气焓 进口空气焓 平均空气焓出口空气焓 平均焓 进口温度空气焓平均水温的空气焓 出口温度的空气焓 板平均水温的空气焓 板表面温度的空气焓 管内平均水温的平均温度焓 管外平均水温的平均温度焓 雾点的焓 板表面的雾点平均焓 传热因素 传质因素 第二类解决方法 第一类解决方法 板的导热性 水的导热性 管的导热性 管长 空气流量 水流量 管排数 压力 管纵向间距 普朗特常数 管的横向间距 传热率 空气边传热率 平均传热率 总传热率 水边传热率 传热特性与传质特性的比率 相对湿度 板底到中心的距离 内径雷诺数 外径雷诺数 施密特常数 板间距 空气温度 水温度 雾点平均温度 内管平均温度 外管平均温度 水平均温度 板厚度 总传热系数 平均速度 湿空气的湿气比率 平均湿气比率 外管平均湿气饱和率 板因素 散热片效率 动态黏度 质量密度 1：介绍：在空调系统与冷藏系统中换热最广泛地采取管板相结合的方式，换热器往往用于冷凝器和蒸发器中，蒸发器的板最广泛的用铝板制作，其表面温度一般在露点温度之下，结果，热量和质量的传递同时发生在板的表面上，总之，在干燥情况下，管板换热器间复杂的的湿空气流程使得做理论模仿非常的困难，所以，它必须在实验中获得。在换热情况下，许多关于管板换热器的研究实验已经完成，例如：关于介绍管板换热器的McQuiston11.12实验数据，大家都了解的湿表面和干燥表面都相关的传热和摩擦影响，Mirth和Ramauhgyani13.14研究关于换热器的热量与质量特性，他们的研究表明。入口露点温度的改变使Nusselt很剧烈的改变，Nusselt减少和露点温度的增加，FU7也提出了在干燥的换热器中有一个板结构，他们的报告提出在合适的温度下，传热系数会随着入口相对湿度增加而明显下降，相比之下，Seshimo的实验数据表明：Nusselt的入口条件是相对独立的，Wang23研究了在干燥情况下，散热片间距.管列数和入口相对湿度对传热的影响，得出合适的传热相对于独立于入口湿度，现有的文献的差别归因于不同的还原方法。虽然对马口铁进行很多的研究，为设计师区分管板换热器提供的信息非常的有限，这可以由报告数据主要集中在对传热特性的研究，而很少对传质系数的研究来解释，因此，现今的研究的目的是提供更多的.系统的有关传质的实验信息，并提出确定在干燥环境下，管板换热器的空气端活动的新的还原方法，管板空间和入口相对湿度对传质特性在研究中也涉及到。 2：实验设备 空气环路实验图如图1所示，它由离心式鼓风机（7.46Kw 10Hp）造成的空气闭环风洞组成，输气管是由渡锌的钢板于850mm*550mm的横截面组成，进气口的干燥球部分和湿部温度是由空气通风筒所控制的，空气流通率 测量是由出口限制和多喷管组成的，这是爱ASHRAE41.2基础上设定的，测量不同的喷管处压力用不同的压力变换装置，在换热器进口与出口区域的空气湿度是在建立在ASHRAE41.1的两个测冷装置测量的。 工作介质和管边都是水，恒温是由提供设置温度的冷水所控制的，水里的水温是由两个RTD装置测量的，水容率是由精度为0.001L/SZ装置测量的，所以温度是由温度阻抗装置测量，其误差为0.05度，在实验中，唯一令人感到满意的是ASHRAE33781，在最后的分析里提到，管板换热器的详细情况被制成表1L型圈和管板换热器测试紧紧相关，进口空气的实验条件如下，不确定性报告，Moffat15分析被制作成表2。 3 数据分析 3.1热传递系数 基本上当前的分析方法是根据Threlkeld20提出的，对于最初的Threlkeld方法的一些重要数据如下：被用语计算总的传热率的平均表达式为： 全部的传热系数是以Vo,w为基础的，依下列如： 依照Bump和Myers16，对于流程结构，平均焓为 在Eq.4里是未混合其他杂物结构的订正因素，全部的传热系数被涉及到抗热性16，如下： 雷诺数被用于Eq.10和Eq.11是基于直径为1的水管上的，在所以的情况下，水边的运动远少于全部运动的10%，在Eq.8中有4个量（bw.p和bw.m和bp和bm）他们包含焓温度的比率，bp和br能被看作 bw.p和bw.m的价值是饱和的焓曲线被外在的低估了，在粗糙的表面和板面，没有bw.p的损失能接近饱和的焓曲线，在低表面温度测量23下，板效率是以焓的不同为基础的，由Threlkeld20得到is.fm是在低的饱和空气焓温度和is.fb是饱和空气焓在以板为基础的温度，焓的使用率一样，单一的板效率如Kandlikar所举例10一样， 然而湿板效率的最初提出是Threlkeld20给的直板结构，对于一个圆板其效率为： 换热器的测试如图3所示 因此，对应板效率被看作圆板来计算，在图中描叙了bw.m需要实验与错误的程序，is.wm必须计算如下： 解决热传递的系数，管与管，排与排的计算方式如下： 1基于测量数据，计算总传热效率 2 所以的ho.c因素 3 计算传热效率的方法 3.1边传热效率 3.2 出口空气焓 3.3 计算ia.m 3.4 Tp.i.m 和 Tp.o.m 3.6 Tw.m 3.7 计算nf.m 3.8 uo 3.9 is.w.m 3.10 Tw. N是is.w.m 3.11 如果Tw.m在3.10是不相等的，那在3.6假设，计算3.5与3.13，将 会于Tw.m重复，直到Tw.m为常数。 3.12 计算部分Q 3.13 计算Tp.i.m和 Tp.o.m对流传热和加强传热效率 3.14 如果Tp.i.m和 Tp.o.m在3.13不相等，在3.4假设，计算3.5和3.13，将会与Tp.i.m和 Tp.o.m一起重复，直到Tp.i.m和 Tp.o.m是持续 的，3.15 计算Eq1空气汗和出口水温 4 如果Q的总和Qtotai不相等，ho.c将会被假定新的值与计算方式直到相等。3.2 传质系数 对于冷而且非常湿的表面同时包括热传递，可以被描叙为Threlkeld20 R对普遍传热特性有可以比较的特性。 对于管板换热器Eq.18不能正确的表达换热情况，这是因为低的饱和空气焓在板表面不同平均温度为基础的，这方面，程序修改为一个对圆板符合，得出以下各项干燥能源表达式 传热用第二个指示，水的潜热为： 由此得出传热和传质比R被一个运算公式作为Eq.22，可以获得良好的传质性能。3.3 热量和质量传递因素 在换热器中，传热与传质特性被表达如下： 4 结果与讨论板的传热表现和换热器根据叁数 j, 施加给板的影响力的测试的一个典型的情形如图 5所示。在这里, 现在减少管的结果被有 N 一 2 的 Threlkeld 方法所显示。 因为热传递，来自两方法的减少结果的表现几乎是相同的。 这因为现在的管-被-管方式起于 Threlkeld 方法。 从结果所示，板的热传递表现是相对地没有表现出来的。 这一现象相当不同于在完全干的情况先完成的22 和 17, 热传递的表现不依赖板，当 N_4， 在完全干燥的情况操作。 然而, 对于 N 一 1 或 2, 21 显示热传递表现为板间隔的增加而降低。 当雷诺数5,000. 和板的减少的热传递表现增加更加明显。 这一种现象为 N 2, 而且是为 N 一 1 被发现的 espedally. 相反地，现在明显的热传递表现对于 N 一 1 和 2 展现的对于板间隔的变化的没有显著的影响。 显然地，结果被归因于在干燥情况下的浓缩物的出现。这是因为浓缩物为气流式样而改变,粗糙的板表面提供较好的气流的混合效果。结果，板的影响适当地被减少。这一种现象就像是使用可提高的板表面在完全干的情况。 为可提高的表面粗糙程度 ,5 和其他人关于板的报告的可以忽略。因为干燥的 N 一 1 或者 2 移动表现被称如没有限制的j因素， 因为样品 5 和 10 号在图 6 被列举，湿空气对换热器的热传递的影响最初由Threlkeld 方法提出，典型的比较现在的和那之间的特性。 产生使用现在的管与管方法出示 inletrelative 湿气的相对影响较小。 这对1排和2排结构是可以适用的。 相反地，对于最初 Threlkeld 方法的减少的结论，有关热传递表现的20-40%增加到当之前的湿气从 50-90% 被增加的进入物.对于热转移表现, 如之前的所述, 进入物的湿气混合效果几乎可以忽略不计，热传递表现方面的影响也是很小的。 适用于Threlkeld 方法的最初程序和独有的主要表面的效果，结果误差正在略微减少。 现在的管与管之间是更适当的超过在热传递系数方面在完全湿的情况 Threlkeld 方法的最初表现。 Threlkeld 方法和现在的方法之间的结果以热传递率增加表现。 这能从图 7 被清楚地表达出来，由Threlkeld方法和现行方法中样品的入口相对湿度对j的影响正如图7所见的 1000，在这两种方法之间，这个结果偏离较小值，更为重要的是，当 1000时，对现行方法而言，入口湿度的影响可以忽略，尽管如此，我们应该注意到当 1000时，RH=50%时，传质系数的显著上升，这和在水蒸气沿表面冷凝提高更多的空间的较高的下放出冷凝液是分不开的，这个现象随着排除冷凝液管列被随后管列堵塞的树木的上升而消减，干燥过程包含加热和传质之间的类推就比较方便了，这种类推的存在就是因为液体中的传导和扩散是由数字恒等式的自然定律控制的，因此，对空气，水蒸气的混合，的比值通常等于1的，即。在等式19中的形式可近似为像接近大气压的水蒸气一样的稀释单元，等式26的正确性依赖与传质率，Hong和Webb9的实验数据表明这个值在0.7到1.1之间，Seshi等人19给出的是1.1Eckels和Rabas6也得出了相似的值1.1到1.2，因为他们对管板换热器的测试结果有简单的版面几何，已提及的研究都表明了等式26的可用性。在现今研究中，我们应该注意到的值大多在0.6到1.0之间。最初的Threlkeld方法与现行的行列和管列方法有两点不同，首先，当采用Threlkeld方法时会出现较大偏差，这和Threlkeld方法中入口温度的显著影响有关，对现今的简化方法，这个比值在表面全湿时对入口温度的影响不太敏感，其次，简化后的方法说明的比值随雷诺数有微小下降，而原始的方法显示的是相反的趋势，前一节中已提及，随着入口流动惯性的增加，冷凝液可通过进一步的排放提更多空间轻易出除，此状况在板间距减少时更为严重，此条件下，冷凝液的去除在流动惯量较大时，一旦滞留现象消失，有助与大大改善传质。 因此，可见的值随着板间距有微减，如图8所示 管列数为1时的板间距对R的影响值得注意的是此种影响只在雷诺数足够大时才成立，这和较高的流动率会增加蒸汽切应力有关，相反的，板间距对此值的影响在较低雷诺数下相对小，很明显，单一曲线无法描述和的复杂特性，这能从实验的数据 (300 Re5500) 的图 7 被清楚地表达, ih 和 i 的相互关系为： 如图10,11,和12所示, 27 能在 15% ，里面描述 88.9% 的 jh 因素。 28 能使有相互关系 81.2% 的 j 在 20%以内和里面的因素。 29 能使有相互关系 h 的 85.5% 在 20% 里面4. 结论这一项研究是调查管板换热器的传热和传质特性，由以前的结论得出现在的结论：1 分析管的Threlkeld方法在研究中去检验，对于空气完全湿的情况下，它是为两者的传质和传热性能发生改变，即外物对传质性能的影响。2 在完全干燥情况下，板的传热能力是相对独立的，这是因为外物改变空气含量，即更适合换热器的混合特性。3传热和传质性能之比在0.61.0范围内，在版的雷诺数高时，很明显影响传热比。4 相关板的结构为Chilton占89%，Colburnj传热因素在15%以内，和Chilton.Colburn相关的81%传质因素在20%以内。1. ASHRAE Standard 33-78 (1978) Method of testing forced circulation air cooling and air heating coils. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta2. ASHRAE Standard 41.1一1986 (1986) Standard method for temperature measurement. American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta3. ASHRAE Standard 41.2-1987 (1987) Standard methods forlaboratory air-flow measurement. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta4. Bump TR (1963) Average temperatures in simple heatexchangers. ASME J Heat Transfer 85(2):182-1835. Du YJ, Wang CC (2000) An experimental study of the airside performance of the superslit fin-and-tube heat exchangers. IntHeat Mass Transfer 43:4475一4482 6. Eckels PW, Rabas TJ (1987) Dehumidification: on the correlation of wet and dry transport process in plate finned-tube heat exchangers. ASME J Heat Transfer 109:575-5827. 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