热交换器课程设计

热交换器课程设计任务书及设计过程目的：学习热交换器设计的基本方法和步骤，掌握换热器的计算和结构设计步骤和方法。要求：根据给定的问题，提出设计方案，编写设计说明书，绘制装配图和管板、折流板的零件图。问题：下列两种流体欲通过换热器进行换热，为此设计出一种管壳式换热器，满足运行参数要求。时间：16周~18周。教室：热能C121、C122——C209

热能C123、C124——C212热能C125——C211热交换器设计任务书设计题目

以管壳式热交换器为设计对象，根据设计要求设计出符合需要的管壳式热交换器。

给定条件

给定冷流体和热流体介质，给定冷、热流体的进、出口温度和工作压力，给定冷流体（或热流体）质量流量。设计内容和要求热交换器型式、台数及流动方式的选择；热交换器流体流动空间的选择；流体流速的选择；管子和壳体材料的选择；热计算。包括确定流体的流量、定性温度，热交换器的热负荷及平均温差计算。结构设计。包括确定换热管直径和长度，确定壳体直径，确定折流板、拉杆等部件的尺寸及数量；选用分程隔板、纵向隔板、挡管、导流筒、防冲板等部件及其结构尺寸确定。要求长径比在4～10之间。传热计算及阻力计算。包括对传热系数和壁温的核算以及流通通道的阻力计算。要求实际传热面积比所需传热面积大10％～20％。设计内容和要求其它零部件的选择和布置。包括确定接管直径及长度，管箱的设计，排气管、排液管的选用和布置，支座结构的选择和布置。热交换器零部件强度计算。包括壳体壁厚，管板、封头和法兰的厚度；热应力的校核和管子拉脱力的计算，考虑热补偿措施等。编写设计说明书。说明书按设计程序编写，包括方案确定、设计计算、部件选择和设计简图等全部内容，计算部分可用表格形式。绘制图纸。包括整体装配图一张（1号图纸），图中零部件以编号标出，并附有明细表，注明装配要求；管板和折流板零件图（3号图纸）若干张，图中应注明加工要求和加工精度要求。设计过程及注意事项定性参数选取流动方式、流动空间的选择结构设计：管子、折流板、分程隔板、排气管及排液管、是否进行热补偿？管板、法兰、支座具体结构压力校核、强度校核设计步骤(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等。原始资料应包括：流体的物理化学性质(如结垢性、腐蚀性、爆炸性、化学作用等)，流体的流量、压力、温度、热负荷，设备安装场所的限制，材质的限制，压降的限制等等。(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)初选传热系数K，并初算传热面积F；初选传热系数应尽量选择准确，以减少计算的重复次数。传热系数的选择可参考课本中附录1。但需要注意的是：一定要注意推荐值的适用条件，注意流动空间和流态条件。设计步骤(8)设计热交换器的管程结构(或选择标准型号的热交换器)，包括：①选取管径和管程流体流速；②确定每程管数、管长、总管数；③确定管子排列方式、管间距和壳体内径。在这—步中最好通过草图确定有关数据和传热面积F"(F"一般与F不会正好相等)。此时需要对长径比l/Ds进行确定，满足设计要求。如果结果相差不大，可以通过调整管程结构使长径比趋于合理。如果结果相差很大，则需要对热交换器的流动方式及流动空间重新选定。(9)管程换热计算及阻力计算。当换热系数大于初选传热系数且压降小于允许压降时，才能进行下一步计算，否则要重选K，并调整结构。(10)壳程结构设计，包括：确定连接管直径，确定壳侧程数及纵向隔板数目、尺寸，或折流板的数目、间距、尺寸等壳程结构尺寸。(11)壳程换热计算。根据采用的结构，假定壁温和计算换热系数，若不合理则应调整壳程结构直至满意为止。设计步骤(12)校核传热系数和传热面积。根据管、壳程换热系数及污垢热阻、壁面热阻等，算出传热系数K及传热面积F。保证实际传热面积F比需要的传热面积F大10％～20％。此时如果不满足F=(1.1～1.2)F的要求，需要进行调整或重新设计。若F“/F大于1.2，说明实际换热面积大。如果F”/F略大于1.2，则可以进行微调，调整方法根据管内外侧的换热系数的大小而异。当壳侧换热系数比管侧换热系数小时，增大折流板间距甚至减少折流板数量。此时可降低壳侧换热系数，使F略有增大。当壳侧换热系数比管侧换热系数大时，减小1～2根管子来减少实际换热面积。为防止壳侧流体短路，可以装设挡流板。这样调整会使管侧流速稍有增加，换热系数增大，流动阻力增加。如果F“/F远大于1.2，则通过微调达不到目的，需要增加初选传热系数的数值，重新选定管子管径和长度，进行结构设计，以前的设计都需要重新进行，此种方法修改工作量最大。

若F"/F小于1.1，说明实际换热面积偏小，其调整方法正好相反。设计步骤(13)核算壁温。要求与假定的壁温相符。实际计算结果与假定值相差小于1℃。(14)计算壳程阻力，使之小于允许压降，若压降不符合要求，要调整流速或结构尺寸。(15)对热交换器的零部件进行强度计算。例如壳体壁厚，管板、封头和法兰的厚度、尺寸，支座型式和尺寸，螺钉大小和个数等等。(16)核算管、壳热应力和管子接口处的拉脱力，考虑热补偿措施并校核振动。(17)绘正式图纸、编写材料表等。说明书的编制应该是绘图之后完成，注意与图纸保持一致。说明书内容应包括设计的各个环节，即所有设计计算、校核计算及零部件的选择。绘制图纸时应注明加工要求和加工精度要求。原始数据及物性确定假定K’，初算F’流动方式、流动空间的选定计算平均温差管程结构设计确定传热面积F”管程换热及阻力计算壁温核算壳程换热计算传热系数K和传热面积F计算F”=(1.1~1.2)F?折流板数及间距尺寸L/Ds合理？NNN壳体、管子材料选定YNNNYαt>>K’且Δpt<[Δpt]？YN壳程阻力计算tw=t’w？热应力校核、热补偿及振动问题考虑强度校核Δps<[Δps]？NYNY热交换器设计手册（上、下），［日］尾花英朗著，徐忠权译，石油工业出版社，1981.化工设备设计手册-1，材料与零部件(上)，《化工设备设计手册编写组》编，上海人民出版社，1973.10.换热器设计手册，钱颂文主编，北京：化学工业出版社，2002.8机械设计手册热交换器原理与设计（5版），史美中主编，南京