管壳式换热器课程设计说明书

1、郑州大学课程设计说明书题目：纵向流管壳式换热器设计指导教师：吴金星职称:教授学生姓名：学号：专业：能源与动力工程院（系）：化工与能源学院完成时间：2015年9月21日课程设计任务书院系化工与能源学院专业能源与动力工程姓名杨禹坤学号201512232821设计题目纵向流管壳式换热器设计对应课程传热学、换热器原理与设计设计背景纵向流管壳式换热器是调节工艺介质温度、余热回收的关键设备，也是传热学、换热器原理与设计课程对应的实际应用设备。作升-种通用的工艺设备，在能源、动力、制冷、冶金、化工、炼油、轻工、医药等许多工业部门中有广泛的应用。因此，掌握纵向流管壳式换热器的设计和计算方法，不但能够巩固换热器

2、原理与设计和传热学知识，学会设备设计、计算和绘图方法，而且对今后的工作也大有裨益。设计参数本设计是针对管壳式换热器的一种结构型式一一纵向流式，即壳程管束米用折流杆、螺旋肋片、花瓣孔板、螺旋折流板等支撑型式，使壳程流体基本呈纵向流或螺旋流，在提高换热效率的同时，减小壳程压降即流动阻力。主要介质的参数如下：换热器管程介质：流量2.4t/h;工作压力：常压；进水温度：23C；出水温度：55C；壳程介质：流量4t/h;工作压力：常压；进水温度：90C；出水温度：75C。设计计算内容1、对纵向流管壳式换热器结构型式进行初步选择；2、对纵向流管壳式换热器的材料、主要结构及其参数进行初步选择；3、纵向流管壳

3、式换热器的传热工艺计算；4、纵向流管壳式换热器的零部件结构设计；5、用AUTOCA陵制纵向流管壳式换热器的总装备图及零部件；6、撰写课程设计说明书。设计要求1、计算部分要求列出所有计算公式，凡出现公式处均必须代入相应数据；2、总装备图及零部件必须严格按照工程图的绘制方法进行绘制；3、课程设计说明书应包括设计条件、设计思路、计算过程、结构设计方法等详细内容。书写格式要求1、封面：题目、姓名、时间、指导教师姓名；2、正文：设计条件、设计思路、计算过程及结果、结构设计方法等详细内容；3、奔f文献。经专义献1林宗虎，汪军.强化传热技术.北京：化学工业出版社，20072吴金星，曹海亮等.高效换热器及其节

4、能应用，北京：化学工业出版社，20093钱颂文.换热器设计手册，北京：化学工业出版社，2008备注通过课程设计培养大家对换热器和传热学的基本原理的实际应用，重点锻炼计算机绘图能力，以及将设计过程用文字的表达能力等。课程设计说明书1 .换热器传热工艺计算1.1 参数的初步选择换热器管程介质：流量2.4t/h;工作压力：常压；进水温度：23C;出水温度：55C;壳程介质：流量4t/h;工作压力：常压；进水温度：90C;出水温度：75C。1.2传热系数计算计算步骤计算内容及过程计算结果1计'八、t1+t223+55热负何Q0.冷水的定性温度t一2=39CQ0Cp0-m。dt=算热22，一T1

5、+T275+90负荷热水的定性温度T=一2=82,5C22(90-75)40004200/两流体的温差At=Tt=82.539=43.5C/3；60070000VV水在39C下的有美物性数水在82.5C下的有美物性据数据密度992.6e卉/3970.0号度kg/mkg/m3定压比热容4.174定压比热容4.200kJ/(kgC)kJ/(kg:C)kJ/(kgC)导热系数0.633导热系数0.676W/(m2k)W/(m2k)W/(m-C)运动粘度6.736E-07运动粘度3.560E-072,2,m/sm/sPr4.42Pr2.14粘度pa=s0.6685E030.3478E032.冷、尽Tk

6、田盘EEQi69,567,).524kg/s仅小用mirij.rn；一m；=一（水用Cpi(t2-t1)4.174(55-23)量两流体的温差&t=43,5C<50C,不需要热补偿3.计算平均传热温差平均传热温差&,本设计采用逆流，%=35C,At2=53CX._&1-&2tmln丝Atm=43.4C4.总传热系数k选取经验传热系数根据管程走冷水，壳程走热水，假定总传热系数K=453W/(m2)K=453W/(m2C)5.估算换热面积Q70000ccrL2估算换热面积S=/、¥=3.975mK心为逆453x43.4-1,_一S=1.2MS=3.9

7、75M1.2=4.77m2_1_S=1.2MS=3.975M1.22m6.初步选择换热器结构取管间距(中心距)0.025m,填充系数”=0.7,估算管板直径：GB151图14D,定1.05小工=1.05父0.025父6=0.125m查GB151,得到筒体内径选用Dn=0.200m,检验L/D是否在410之内，经检验L/D=9.13,显然满足要求。Dn=0.200m7.壳程流速和对流热阻壳程流通截面积2八3.14父Di23.14ndi3.140.1224A=444-0.0093.14di-0.00622di2=0.0054m2壳程流速Q1.11.u-0.211m/s;为970M0.0164Re=

8、37767.5,h1=0.36*0.633/de*Re0.55*2.141/3=1845.2W/m2/k;u=0.211m/sh1=1845.2W/m2/k;8.管程流取管径为19乂2mm,长为2m的碳钢材质的管子，管子的横为0.00017663m2,Re=33984.速和对流换热系数管子数为n1=S1/0.00017663=39.97,这里我们取管子数为40。管程选择2回程，管子排布按照正三角形式排布；流速为v=mi/0.00017663/20/992.6=0.153m/s;Re=3398,在过渡流区间内；由于2300<Re<10000,，对流传热系数可按充分湍流的公式计算，然后

9、把计算结果乘以校正系数中，即可得到过渡流卜的对流传热膜系数，对流换热系数C、c0.8c0.4.,0.023九RePrh=di_0023父0.633父3398.10.8父4.420.40.015=1148.8W/(m2k)=1-600000/Re1.8=0.736，/2,、h2=6*h=845.3W/(mk)。一一2h,=1148.8W/(mk)2h2=845.3W/(mk)9.校核换热系数1,72xK0=-=455.8w/(m2k),%+R21+b-d+R,+-h2didi九dmhiK0/k=455.8/453>1,所以换热系数的选择是合理的。2K0=455.8w/(m2k)10.管程压

10、力降核算管程压力降计算：即2=(ApL+Apr)FtNpNs+ApnNs；人LLP2v2pl"JC)；d2、0.3146.九一c0.25；Re.P2v2pr-3(2)；,P2v22)；iFt1.5I-1而2,Nm1由计算得：1.1.1 p2=312.91pa；2.2.2 pr=34.67pa；3.3.3 pl=63.86pa；4.4.4 pn=17.34pa；%=0.041；p2=312.91pa;pr=34.67pa;Apl=63.86pa;Apn=17.34pa;A=0.041;所以管程压力降满足。11.壳壳程压力降计算：p1二874.3pa;程压p=APl+g;力降_22%fL

11、V8核算PL-DP'岫=22b;KbC+Cz/Reb);fF=0.000339(Rep)0.42计算得：Ap=874.3pa;pr=14.4pa;Pb=859.86pa;Kb=0.7;所以壳程压力降满足。2 .换热器结构设计2.1 壳体根据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为20C；设计压力为0.6Mpa。2.1.1 壳体材料的选择由于所设计的换热器属于常规容器，公称直径小于400mm的可用无缝钢管制作，市面上的常见的无缝钢管的材质为20号钢，故选择20号钢管为壳体的材料。20号钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。2.1.2 圆筒壳体厚度的计

12、算公称直径小于400mm的可用无缝钢管制作，选用钢管标准为：219*8,20号刚。根据GB6654压力容器用钢板规定可知对20号钢其C1=0;C2=2mmC1=0;C2=2mm。验证该厚度满足条件:名义厚度6n=6d+C1+=8mm（其中u为向上圆整量）设计厚度6d=6+C2=6+2=8mm；假设材料的许用应力bt】=125Mpa（厚度为616mm寸），壳体计算厚度=6mm应力。=0.6"273-16）=25.7Mpa<125Mpa,6则此时厚度满足要求，故合适。2.1.3 管板和封头的厚度计算管板采用碳钢材料的固定式管板，查取国标，螺栓采用M20*12（参考课本128,校核参

13、考设计269）DN(mm)D(mm)D1(mm)D2(mm)D3(mm)D4(mm)D5(mm)bf(mm)b(mm)d2(mm)219335295207259207183223管板的重量是：、=把d2-D22n2bfd426D524D32Th-d«bn;4且其深度较半球形封头小得多,封头采用椭圆形管箱，这是因为椭圆形封头的应力分布比较均匀,易于冲压成型。查JB/T47462002钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下:表3-1DN219标准椭圆形封头参数DN(mm)直边高度H1（mm）曲面图度（m）厚度（mm）封头质里（kg）21955.025.06.01.944短节部分的厚度同

14、封头处厚度，为6mm此时选用标准椭圆形封头，故K=1,且同上K=1Ci=0;C2=2mm,则封头计算厚度为:C1=0;C2=2mm验证许用应力：名义厚度6nh=6dh+01+A=6mm（|_1为向上圆整量）；设计厚度6dh=6h+C2=6mm；KPcDia=（cL+0.5Pc）/2=17.7<125;故此封头合适,.h2.1.4 拉杆查取标准，拉杆的选用为：拉杆直径（mm）数量螺纹公称直径（mm）LaLbb1241215三402.02.2 换热管换热管的规格为619M2mm,数量40根，长为2m,材料选为ND钢。2.2.1 换热管的排列方式换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和

15、正方形错列三种排列方式。各种排列方式都有其各自的特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；正方形排列：易清洗，但给热效果较差；正方形错列：可以提高给热系数。正三角形排列（二）正方形排或（3）正方形错列在此，考虑换热效果，选择三角形排列，考虑流速的原因，我们采取单壳程、两管程的设计。查GB151-1999可知，换热管的中心距sT=25mm2.2.2 排管排管方式正三角形排列方式，如下:2.2.3 折流圈个数折流圈之间的间距一般为0.152m,因为我们的换热管取2m,所以这里折流圈的个数为:2/0.152-1=12。2.2.4 热管与管板的连接热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并

16、用。强度胀接主要适用于设计压力小w4.0Mpa；设计温度w300C；操作中无剧烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需采用复合管板等的场合。在此，根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊接。这是主要是因为热管两端是密封的，不能用胀接。2.3冷热流体进出口接管与法兰进出口管直径管程进出口管：2.2=992.60.153=151.87取管程流量则进出口流通截面积为进出口管道内径:取管子为65*5.0mm,取对应法兰标

17、准;壳程进出口管:：-1.1=9700.211=204.67取壳程流量Qm11.1112a(N1=0.0054m则进出口流通截面积为进出口管道内径:Dn1aN1=0.083m,3.14：1v1204.67取管子为76*6.0mm,取对应法兰标准;接管外伸长度又称接管伸出长度，是指接管法兰面到壳体（管箱壳体）外壁的长度，计算公式为:l_hh115式中，1表示接管外伸长度；h表示接管法兰厚度；h1表示接管法兰螺母厚度;1_hh1、151_hh1,5-156表示保温层厚度。冷水进出口伸出长度取120mm。热水进出口伸出长度取120mm。2.3.3接管位置的尺寸（参考课本127）在换热器设计中，为了使

18、传热面积得以充分利用,壳程接管的最小尺寸（不带补强圈）：进口接管应尽量靠近下端管板，出口在正上方。dL1H(b-4)Cmm2其中C之4s(S为管箱壳体厚度，mm且之30mmC之4黑8=32，取32mm76L.一万(32-4)32=98mm11取98mm管箱接管的最小尺寸（不带补强圈）：管箱接管位置的最小尺寸，可按下式进行计算：dHL2hfCmm2其中C>4S（S为管箱壳体厚度，mm）l至30mm,75L23232-101.5mm2li取102mm2.4其他部件结构设计排污孔及排气排液孔设计排污孔及排气排液孔都取25X3mm与筒体采取焊接的方式连接。鞍座设计根据国家标准JB/T4712,采

19、用BI219标准件。.换热器强度计算开孔补强计算补强判别：根据GB150表8-1,允许不另行补强的最大接管外径是689mm,本设计的开孔外径都小于允许不另行不强的最大接管外径，因此不需要另行考虑其补强。筒体强度校核圆筒选自标准管，壁厚为8mm,则内径为203mm。压力实验应力校核液压试验的试验压力由GB150-1989式（1-5）确定：二PT-1.25P=1.250.61-0.75Mpa，取两者中的较大值，所以取0.75Mpa。PT=P0.1=0.7Mpa?一设计温度下的材料许用应力，125Mpa;?T实验温度下的材料许用应力，125Mpa。压力实验时，圆筒的薄膜应力按下式计算:PTDi、e2、e:0.752036=13.18Mpa在进行液压试验时，圆筒的薄膜应力不得超过试验温度下材料屈服点的90%,即112.5Mpa,所以符合要求。最大工作压力和计算应力最大许用工作压力：PW=2、e一2612512036