换热器课程设计说明书

换热器原理与设计课程设计换热器原理与设计课程设计计算说明书设计题目 换热器原理与设计课程设计学院（系）： 机电工程学院专业： 能源与动力工程班 级：姓 名: 学 号: 指导老师： 完成日期： 新余学院换热器原理与设计课程设计目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一部分确定设计方案 3\o"CurrentDocument"选择换热器的类型 3\o"CurrentDocument"流动空间及流速的确定 3\o"CurrentDocument"第二部分确定物性数据 4\o"CurrentDocument"第三部分工艺流程图 5\o"CurrentDocument"第四部分计算总传热系数 6\o"CurrentDocument"热负荷的计算 6\o"CurrentDocument"平均传热温度 6\o"CurrentDocument"估K值 6\o"CurrentDocument"由K值估算传热面积 6\o"CurrentDocument"冷却水用量 7\o"CurrentDocument"第五部分换热器工艺结构尺寸 8\o"CurrentDocument"管径，管长，管数 8\o"CurrentDocument"管子的排列方法 8\o"CurrentDocument"壳体内径的计算 9\o"CurrentDocument"折流板 9\o"CurrentDocument"计算壳程流通面积及流速 10\o"CurrentDocument"计算实际传热面积 11\o"CurrentDocument"传热温度差报正系数的确定 11\o"CurrentDocument"管程与壳程传热系数的确定 11\o"CurrentDocument"传热系数K0的确定 13\o"CurrentDocument"传热面积 13\o"CurrentDocument"附件 13\o"CurrentDocument"换热器流体流动阻力 14\o"CurrentDocument"第六部分设计结果 17\o"CurrentDocument"第七部分总结 18\o"CurrentDocument"第八部分主要参考文献 20\o"CurrentDocument"第九部分附录 21换热器原理与设计课程设计第一部分确定设计方案选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度130℃,出口温度40℃。冷流体进口温度30℃,出口温度40℃。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差很大，因此初步确定选用浮头式列管换热器，而且这种型式换热器管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体约束。流动空间及流速的确定由于煤油的粘度比水的大，井水硬度较高，受热后易结垢，因此冷却水走管程，煤油走壳程。另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用哒5X2.5的碳钢管，管内流速取uj0.75m/s。换热器原理与设计课程设计第二部分确定物性数据定性温度：可取流体进、出口温度的平均值。壳程煤油的定性温度为：T=(130+40)/2=85℃管程冷却水的定性温度为：t=(30+40)/2=35℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。煤油在90℃下的有关物性数据如下：密度 P=810kg/m3定压比热容 cpo=2.3kj/(kgr)导热系数 入：=0.13W/(m・℃)粘度 u=0.00091Pa•s冷却水在32℃下的物性数据：密度 P=994kg/m3定压比热容 cpj4.187kJ/(kgr)导热系数 匕=0.626W/(mr)粘度 匕=0.000727Pa•s换热器原理与设计课程设计第三部分工艺流程图换热器原理与设计课程设计部分计算总传热系数热负荷的计算以煤油为计算标准算它所需要被提走的热量：Q=qcAt=2-39x108x2.22x(130-40)=7.034x106KJ/h=1953.8KW330x24平均传热温度计算两流体的平均传热温差，暂按单壳程、多管程计算。逆流时：煤油：130℃-40℃,自来水：40℃-30℃,从而，At=90—W=46.25℃,m唠)此时，P=贮0=0.10,R二空-竺二9.00,由公式易算得力=0.84>0.8，符130-30 40-30合要求。估K值估算传热系数为450W/(m2•℃)由K值估算传热面积取传热系数为450W/(m2・℃),则由公式可得传热面积为Ap=1953-8x103=93.88m2450x46.25换热器原理与设计课程设计冷却水用量忽略热损失，由公式易得，冷却水用量为：Q= 1953.8 =46.81kg/s=168516kg/ho4.174X(35-25)换热器原理与设计课程设计第五部分换热器工艺结构尺寸已知两流体允许压降均不大于35KPa,与煤油相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水易结垢，会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应该让循环自来水走管程，煤油走壳程。5.1管径，管长，管数列管式换热器内的适宜流速范围流体和类 流速，人）管程壳程冷却水n.r一般液体（黏度不岛J0.5'".00.2^1.5低钻油u.u.4"工ij高钻油0.5匕50.3"0.8则初步选择“25X2.5mm的碳钢管，管内径d=25-2.5x2=20mm,i管内流速取ui=1.2m/s。n=_q^=4&81/9917=124.8^125根snd2u 0.785X0.022X1.24ii按单管程计算，所需的传热管长度为L==ndn 9388 =9.58m。3.14x0.025x125若按照单管程设计，则管长过长，不宜使用，故采用多管程设计。取传热管长为5m,则换热器管程数应为Np=2,传热管总数为Nt=125X2=250根。管子的排列方法管子在管板上的排列方式最常用的如下图（a）（b）（c）（d）所示，包括正三角形排列（排列角为300）、同心圆排列、正方形排列（排列角为900）、转角正方形排列（排列角为450）。当管程为多

换热器原理与设计课程设计程时，则需采取组合排列，如下右图。0OO0。O。。。方形排列。程时，则需采取组合排列，如下右图。0OO0。O。。。方形排列。换热管中心距查表如下（mm）：壳体内径的计算采用多管程设计，取管板利用率为、=0.7,则壳体内径为D=1.05t卜=1.05X32X招=634.9mm按卷制壳体的进级档可取D=700mm。折流板折流板间距多为100mm,150mm,200mm,300mm,450mm,600mm,800mm,1000mm。换热器原理与设计课程设计折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，如下表（mm）：壳体公称力径/nn相邻两折流板间距/urn<303300-450450^600600-750>750200—250356ICIDdCO-7335610IC12nillul?16GIC12IC16支承板厚度一般不应小于上表数据，支承板不允许的最大间距参考下表：壳冰直空/mm<430如1〜SOO9ni--12CO管子外径，m192557支承板厚度/nan6&IC最大间距Ami1500ISOO2E003400经选择，采用弓形折流板，取弓形折流圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h=25%X700mm=175mm。取折流板间距B=0.3D,则B=0.3X700mm=210mm,可取B=200mm,因而查表可得，折流板厚度为5mm,支承板厚度为8mm,支承板允许不支承最大间距为1800mm。折流板数为Nb二理-1=24块。200折流板圆缺面水平装配。计算壳程流通面积及流速壳程流通截面积：BD(1-do)=0.2x0.7(1—0.025So=t 1 0.032J=0.0306m2壳程流体最小流速为：qq 1400x1000u=—0=-m-= =0.53m/s0A0pA0 24x3600x624.89x0.048930176.8/(3600x825)= 0.0306 =0.33m/so10

换热器原理与设计课程设计计算实际传热面积该换热器的实际传热面积为：Sp=叫LN=3.14X0.025X5.0X250=98.125m2传热温度差报正系数的确定P=40-30=0.10,R=130-40=9.00,查温差校正系数图匚口；130-30 40-30=0.84>0.8,符合要求。管程与壳程传热系数的确定管程传热系数：管道流通面积:Si=0.785X0.022X125=0.0393m2管程流体最小流速:168516/(3600x995.7) , /0.0393ui= 二1.196m/s0.0393ui=雷诺准数为0.02x1.196x995.7 -29734Re= 0.000801i普兰特准数为：4174x0.000801r =5.42Pr= 0.6167i11

换热器原理与设计课程设计管内表面传热系数：a=0.023义0,6167*297340.8义5.420.4=5284.14 ,门i 0.02 W/m2℃壳程传热系数：对圆缺形的折流板，可采用克恩公式：a=0.36Lq）（W）（上）o」4od日九R计算壳程当量直径，由正三角形排列可得：4（当t2-三*）4（^0.0322—0.785x0.0252）e 兀d0 = 3.14x0.025 =0.020m雷诺准数为：Jup_0.02x0.32x825_7384Re=oRo0.000715o °普兰特准数为：2220x0.00071807142220x0.0007180714=11.34R、 /R、Re0.55Pri/3(——)0.14 (——)0.14Nu=0.36 Rw 。物料被冷却，粘度校正Rw 取1,将数值代入上式:1Nu=0.36x78340.55x11.343=112.08a=NuIda=NuIdoI=11208x0.14+0.02=784.57W/m2℃12换热器原理与设计课程设计5.9传热系数Ko的确定根据冷热流体的性质及温度，选取污垢热阻：管外侧污垢热阻：Rsi=0.00058m2℃/W，管内侧污垢热阻:Rs=0.00017m2℃/Wo管壁的导热系数：九=45m2℃/W管壁厚度：b=0.0025内外平均厚度：dm=0.0225在下面的公式中，代入以上数据，可得K= L- TOC\o"1-5"\h\z0ddbd 1oT~+R以+ +R+ -adsid Ad soaii i i o0.0255284.14x0.02+0.000580.0255284.14x0.02+0.00058x0.0250.020.0025x0.02545x0.0225+0.00017+1784.57=595.24W/m2℃5.10传热面积由K0计算传热面积s'S'=Q=［邺缈©=88.4946^2KA，折二592破招酝=海w5m25.11附件水泵，电动调节阀，蝶阀。13换热器原理与设计课程设计5.12换热器流体流动阻力因为壳程和管程都有压力降的要求，所以要对壳程和管程的压力降分别进行核算。管程流动阻力核算管程压力降的计算公式为：Epi=(Ap-Ap)NNFs已知此情况下Re=29734，为湍流。1己=0.2mm,相对粗糙度为三=%2=0.01TOC\o"1-5"\h\z取绝对粗糙度 di 20查九-Re关联图，可得摩擦因数:九=0.035，.l 5 11962 一・•.Ap=X——pu2=0.035x——x995.7x =6231Pa2di 0.02 2Ap=3"=3x995.7x1j1962=2136Pa2 2另外，式子中：壳程数Ns=1管程数Np=2代入公式中，有：Epi=(Ap-Ap)NNps=(6231+2136)X1X2X1.5二25101Pa<35kpa,故符合要求。壳程流动阻力由于壳程流体的流动状况比较地复杂，所以计算壳程流体压力降的表达式有很多，计算结果也相差很大。下面以埃索法计算壳程压力降：14换热器原理与设计课程设计壳程压力降埃索法公式为：工AP=(AP'+AP')FN0 1 2ssAP1——流体横过管束的压力降，Pa；切2——流体通过折流挡板缺口的压力降，Pa；Fs——壳程压力降的垢层校正系数，无因次，对于液体取1.15,对于气体取1.0；Ns——壳程数；AP，=FfNCN+1)^V，其中F=0.5,f=5Re-0.228，N=23而10。B2 0 =0.656,nc=1.1X2500.5=17.39,NB=24,uo=0.33m/s。代入数值得：X0.332AP1'=0.5X0.656X17.39X25XX 2=5139.4PaQp'二N(3.5-2h)少而2Bd2，其中h=0.2m,d=0.7m,NB=29,D——壳径，mh——折流挡板间距，mdo——换热器外径，m代入数值得：Ap,=N(3.5-2h)◊2bD22x0,2 950x0.332=24X(3.5-0.7)X2=2634.5Pa对于液体Fs=1.15,于是我们有：15换热器原理与设计课程设计'”"(AP11+AP2)FsNs=1.15X1X(5139.4+2634.5)sss二8939.9Pa<35kpa。经过以上的核算，管程压力降和壳程压力降都符合要求。16

换热器原理与设计课程设计第六部分设计结果换热器型式：浮头式列管换热器换热器面积（壮）：93.88工艺参数名称管程壳程物料名称水煤油操作压力，Pa251018939.9进、出口温度，℃30/40130/40流量，kg/h6877717000流体密度，kg/m3997.7825.0流速，m/s1.1960.330传热量，kw1953.8总传热系数，w/tf-k595.24对流传热系数，w/m2*k5240494污垢系数，tf・k/w0.000580.00017阻力将，Pa6523012841程数41使用材料碳钢碳钢管子规格①252.5管长， 5000mm管间距，mm200排列方式正三角形壳体内径，mm700管数，根25017换热器原理与设计课程设计第七部分总结列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型，由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。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分系数，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，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较在相同直径下面积较大，制造较简单，最后一道壳体与管板的焊缝无法检测。它的优点是：（1）传热面积比浮头式换18换热器原理与设计