化工原理课程设计换热器设计.doc

学 号： 0121105830225课 程 设 计题 目换热器设计学 院能源与动力工程学院专 业能源动力系统及自动化班 级能动1102姓 名指导教师2014年1月17日 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 能动1102 指导教师： 工作单位： 能动学院热能系 题 目:换热器设计 初始条件： 设计温度介质流量容器类别设计规范/Kg/h/100/40煤油10000IIIGB15130/45水GB151 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1编制设计书1份，内容包括：(1) 设计依据；(2) 设计原理；(3) 设计步骤；(4) 热力计算过程；（采用平均温差法或传热有效度_传热单元数法）(5) 阻力计算过程等；(6) 其它（包括密封垫片类型，框架支撑形式，流程与接管方位等） 2图纸（至少画1张图纸）：1)安装图或外形结构图（2号）；2)流体流程图（3号）； 3. 说明书撰写严格按照附件中的格式书写要求执行。时间安排：序号内 容所用时间1熟悉设计任务书、指导书、收集资料8学时2热力和阻力计算等16学时3换热面积计算等8 学时4部分结构设计计算和绘图等20学时5设计说明书整理7学时6答辩1学时合 计60学时指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要41绪论41.1管壳式换热器的简单介绍51.2管壳式换热器的结构及性能特点61.3 设计的目的与意义62.设计计算说明书82.1设计准备82.1.1设计依据82.1.2设计原理82.1.3设计步骤92.2初步确定设备结构92.2.2物性参数102.3 估算传热面积112.3.1热流量112.3.2平均传热温差计算及校核112.4传热面积132. 5冷流体用量142.6 工艺尺寸142.6.1管数和管长15 2.6.2 板管内径152.6.3 折流板162.6.4接管172.7换热器核算182.7.1 热流量核算182.7.1.1 壳程表面传热系数182.7.1.2 管内表面传热系数192.7.1.3 污垢热阻和管壁热阻20 2.7.1.4传热系数202.7.2壁温核算212.7.2.1 温差核算213阻力计算223.1管程阻力计算223.2壳程阻力计算234 换热器主要结构尺寸和计算结果245设计小结256.参考文献26摘要课程设计是一门让我们在实践中沉淀理论学习的一种方式，对于我们的学习至关重要，也与我们未来的发展方向相符合，在工程中设计和计算是我们的工作，创新是我们的方向；换热设备比如在化工厂中，发电厂中及其他工业中使用广泛。其中，管壳式换热器虽然在换热效率，以及设备体积和新型材料的消耗量不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点。管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，需要综合考虑材料、压力、流体的物理化学性质、压降、结垢情况来确定的。关键词：管壳式换热器课程设计 管壳式换热器使用范围 管壳式换热器结构1绪论1.1管壳式换热器的简单介绍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，电厂中的冷却器，冷油器以及压缩机的中间冷却器等都是壳管式换热器；它的传热面由管束构成，管子的两端固定在管板上，管束和管板再封装在外壳内，外壳两端有封头；一种流体从封头进口流进管子里，再经封头流出；这条路径称为管程。其组成：管箱、管板、换热管、壳体、折流板或等。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大。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一般可分固定管板式、U形管式、浮头式和填料函式四种类型。本次课设选用的是固定管板式换热器这一种类型。固定管板式热交换器的结构比较简单，重量轻，在壳程程数相同的条件下可排的管数多。但是它的壳程不能检修和清洗，因此通过的流体一般是不易结垢的，而管程一般流过的是易结垢的，压力高的。1.3 设计的目的与意义 目的： 1 换热器课程设计的目的旨在通过课程设计的训练，使学生进一步掌握工程热力学和传热学课程的主要教学内容；了解换热器设计的一般要求和步骤；掌握换热器设计的主导思想、基本计算方法；能熟练应用有关规范和换热器工程设计手册。2 通过绘图，查阅资料和手册等，从而进一步地熟悉、运用计算机技术，有关手册和贯彻执行新标准。 意义：1. 学会运用三边法。2. 熟悉传热器的原理。3. 能够熟悉应用对应的公式。4. 锻炼我们的实际对数据的处理能力。5. 锻炼我们的意志，培养工程师的性格。2.设计计算说明书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。本次选用的数据经过初步计算大致可以确认为由两个1-2型换热器串联在一起组成一个2-4型换热器，并且经过考虑决定油走壳程，水走管程。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： （2-1）式中：； )； ； 。换热量的的计算式： （2-2）式中：； ； ， 。总传热系数计算公式：2.1.3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，安装场所的限制，材质的限制，压降的限制等等。（2）确定流体的定性温度，查找流体的物性数据。由热平衡方程计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的流量。 (3)选定流动方式，确定流体的流动空间。（4） 正确选定走管程和壳程的流体。一般： 管程流过的流体：容积流量较小的；不清洁易结垢的；压力高的；有腐蚀性的；高温或制冷装置中的低温流体等。 容积流量较大的流体，特别是常压下的气体；刚性结构热交换器中换热系数大的流体；高黏度的流体和在层流区流动的流体；饱和蒸汽等。（5）选择壳体和管子的材料。（6）计算平均温度差。（7）初选传热系数，并初算传热面积。 一般以外径为准查找传热系数经验数值的参考资料。（8）设计热交换器的结构，结构计算的任务是确定设备的主要尺寸。包括： 选取管径和管程流体流速。 计算管程流通截面积，确定每程管数，管长和总管数。 画出排管草图，确定管子排列方式，管间距。 确定壳体内径和壳程流通面积，壳侧程数及纵向隔板数目和尺寸，或折流板的数目，间距和尺寸等壳程结构尺寸；连接管直径等。（9）管程换热计算及阻力计算（10）壳程换热计算（11）校核传热系数和传热面积（12）核算壁温，要求与假定的壁温相符。（13）计算壳程阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。2.2初步确定设备结构初始条件：设计温度介质流量容器类别设计规范/Kg/h/100/40煤油10000IIIGB15130/45水GB151由于于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其壳程油的平均温度为： 管程水的定性温度：根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。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6。 壳程油在70 下的有关物性数据如下： 密度1=840定压比热容Cp1=2.23热导率1=0.14粘度普朗特数Pr=15.19无量纲 表2-1物性参数管程水在37.5下的物性数据：密度2=993.1定压比热容Cp2=4.174热导率2=0.537粘度普朗特数Pr=4.6125无量纲 表2-2 物性参数2.3 估算传热面积 在此之前通过计算发现出现温度交叉情况，要采用两个1-2型换热器串联起来进行换热，由于两个1-2型换热器完全相同，因此只需要设计其中一个换热器结构即可。2.3.1热流量根据公式计算： （2-1）将已知数据代入 （2-1）得：=10000×2.23× (100-70)/3600=185833.33W式中： 工艺流体的流量，kg/h；工艺流体的定压比热容，kJ/.K；工艺流体的温差，； Q热流量，W。2.3.2平均传热温差计算及校核 根据公式（2-2）计算： （2-2）按逆流计算将已知数据代入 （2-3）得：经考虑选用逆流。选好流动方式后，接下来校核平均传热温差。 （2-12） （2-13）将已知数据代入（2-12）和（2-13）得： R=4，P=0.214 由于R=4，所以采用 取双壳程，四管程结构，查图得校正系数：=0.94 平均传热温差 按式（2-14）计算： （2-14）式中 ：平均传热温差，； 校正系数； 未经校正的平均传热温差，。2.4传热面积根据所给条件选定一个较为适宜的值，假设=450W/m2.K则估算传热面积为: （2-3）将已知数据代入 （2-3）得： 式中：估算的传热面积，； 假设传热系数，W/m2.；平均传热温差，。考虑的面积裕度，则所需传热面积为: 2. 5冷流体用量 根据公式（2-4）计算： （2-4） 将已知数据代入 （2-4）得： 2.6 工艺尺寸2.6.1管数和管长 根据换热管规格材料钢管标准外径厚度/（mmmm）外径偏差/mm壁厚偏差碳钢GB151252.5 初选取管内流速管程数和传热管数 依式 ，可根据传热管内径和流速确定单管程传热管数 根 (2-7)经考虑选取管根数为16根。式中管程体积流量， ； 单程传热管数目； 传热管内径，； 管内流体流速，。 按单管程计算,所需的传热管长度为 (2-8)式中 L按单程管计算的传热管长度，m 传热面积，； 换热管外径，m。根据本设计实际情况，现取传热管长,则该换热器的管程数为 （管程） (2-9)传热管总根数 （根） (2-10)式中， 管子外径，； 传热管总根数，根； 管子外径，；3.换热器的实际传热面积，依据 （2-11）式中，2.6.2 板管内径 前面已经算出平均传热温差校正系数大于0.8，单壳程，两管程传热管排列方式：采用正三角形排列 每程各有传热管32根，其前后官箱中隔板设置和介质的流通顺序选取取管心距： （2-15） 则管心距：根据标准选取为 32mm：隔板中心到离其最近一排管中心距 （2-16）各程相邻传热管的管心距为2s=44mm。每程各有传热管32根。壳体内径：采用多管程结构，壳体内径可按式计算。三角形排列，单壳程，两管程，取管板利用率为，则壳体内径为 . （2-17）式中：D壳体内径,m; t管中心距,m; 横过管束中心线的管数 按卷制圆筒进级挡圆整，取为D=300mm。布管草图如下：2.6.3 折流板 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，加强其湍动程度，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： （2-18）故可取120mm取折流板间距，则 （2-19） 可取为B=150mm。折流板数 （2-20）折流板圆缺面水平装配。图2-5 弓性折流板（水平圆缺） 2.6.4接管壳程流体进出口接管：取接管内油流速为0.5m/s，则接管内径为 （2-21）圆整后可取内径为120mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速为1.2m/s，则接管内径为 圆整后取管内径为=80mm。 式中：接管内径，； 流速，； V 热、冷流体质量流量，kg/s。2.7换热器核算2.7.1 热流量核算2.7.1.1 壳程表面传热系数壳程表面传热系数用克恩法计算， （2-22） 当量直径，按图计算： （2-23） 将已知数据代入 （2-23）得 ：式中 当量直径，； 管心距，； 管外径，。壳程流通面积计算 （2-24） 式中 折流板间距，； 壳体内径，； 管心距，； 管径，； 壳程流通面积，。依据计算步骤，壳程流体流速及其雷诺数 分别为 （m/s） （2-25） （2-26）普朗特数黏度校正 （2-27） 壳程表面传热系数 2.7.1.2 管内表面传热系数管程流体流通截面积 （2-28）管程流体流速 （2-29）雷诺数 （2-30） 普朗特数 一般Re>10000即为湍流，查资料知： (2-31) 式中； ； ； 。 (2-32) 式中。 2.7.1.3 污垢热阻和管壁热阻 查资料5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 由于是工程上计算，可略去管壁导热阻力。2.7.1.4传热系数 又下面公式得： 2.7.1.5传热面积裕度 （2-33）该换热器的实际换热面积A （2-34） （2-35）故符合条件，该换热器能够完成生产任务。2.7.2壁温核算2.7.2.1 温差核算由于工作条件是高温高压，与四季气温相差特别大。因此进出口温度可以取原操作温度。由2-36式计算： （2-36）液体的平均温度式 计算有： （） （2-37）（W/·）（W/·）代入2-36式 传热管平均壁温 （） （2-38）式中： 热流体进口温度，； 热流体出口温度，； 冷流体进口温度，； 冷流体出口温度，。壳体壁温，可以近似取为壳程流体的平均温度，即t=85。传热管壁温和壳体壁温之差为 （） （2-39）温度相差不大，故符合条件。3阻力计算 3.1管程阻力计算 依式 （2-36）其中 式中 ： 管程数； 管程总阻力，； 管程结垢校正系数，对的管子，取1.5；沿程阻力 式中： 莫狄圆管摩擦系数，要查管内流动时的摩擦系数莫狄图得到； 管长，； 传热管内径，； 水密度，； 管内流速，； 单程直管阻力，。 局部阻力按下式计算： 式中： 局部阻力，； 局部阻力系数；可取3 热流体密度，； 管内流速，； 由Re=33952.14 查莫狄 图 得 于是可以算出 由于是两个1-2型换热器串联，所以算出的压力要乘以2，所以管侧的压降为所以管侧压降符合设计要求。3.2壳程阻力计算按式计算： （2-40）其中 ， 式中 壳程总阻力，； 流体流过管束的阻力，； 流体流过折流板缺口的阻力，； 壳程结垢校正系数； 壳程数； 流体流经管束的阻力按（2-41）计算 （2-41）将已知数据代入得：式中 流体流过管束的阻力，； 管子排列方式为正三角形，所以； 壳程流体的摩擦系数，； 横过管束中心线的管子数 ； 折流挡板数； 热流体密度，； 按壳程流通面积计算的流速 ； 流体通过折流板缺口的阻力 依式（2-34）计算： （2-34） ，将已知数据代入得：式中 折流板板数； 折流板间距，； 壳体内径，； 热流体密度，； 壳程流体流速，； 流体流过折流板缺口的阻力，；同理，算出来的壳程压力也要乘以2，所以总阻力：所以壳侧压降符合设计要求。4 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。参数管程壳程 流量/（kg/h）2138410000 进/出口温度/30/45100/40物性 定性温度/37.570 密度/m3993.1840定压比热容/kJ/(/)4.1742.23 黏度/pa·s 导热率/W/m·0.5370.14 普朗特数4.612515.19 设备结构参数 形式固定管板式台数2 壳体内径/mm300壳程数1 管径/mm252.5管心距/mm32 管长/mm6000管子排列 管数目/根32折流板个数/个66 传热面积/m211.304折流板间距/mm120 管程数2材质碳素钢 主要设计结果管程壳程 流速/(m/s)1.20.42 表面传热系数/W/(m2·)4796.7775.68 污垢热阻/(m2·/W) 阻力/Pa48908.4 Pa 44826.8 Pa 热流量/kW185.83333 传热温差/7.2 传热系数/W/(m2·)460.8 1.775设计小结 这次课程设计给我留下了很深刻的印象，也让我学到了许多东西，不只是理论知识的巩固还有一些注意的细节和对我心理上给予的信心。这次课设进行了五天，可实际上我做了差不多十天，我提前五天就开始做了，做完却出现了许多明显的错误，在老师的你耐心指导下，我重拾信心，我就开始第二次的设计，这次我搞清楚了设计思路和注意的细节，不断的校核数据，一步步走完了课设的路，我没有急于求成，做什么事都要风急心缓，做完后我自己特别开心，这算是我的第一个设计，虽然不完美，但是它属于我。这次课设意外的收获是我学习了cad绘图，我非常喜欢学习它，绘图特别方便，学习起来也不算太难，作为工程设计的不会用cad将是我们的失败，我通过对它的学习，花了一下午画出了我的草图，让我很开心。团队合作到哪都不能缺少，这次我们大家相互讨论相互提醒，大家坐在一起做课设效率很高，也感觉很享受，一点也不感觉苦；还有就是我们大家都很感激饶凌老师，大家都说这个老师很耐心，对我们一直不厌其烦的进行指导，我也很喜欢他，他是我在大学里遇到的最有耐心，最关心学生的老师，也是最严格的老师，我们都知道都是为了我们以后有能力，谢谢你，老师。这段时间过的真的很充实，累，但不觉得苦，我很享受这段时间。6.参考文献1 邹华生，钟理.传热传质过程设备设计.武汉：华中理工出版社，20062 史美中,王中铮,热交换器原理于设计.上海：东南大学出版社，20053 钱颂文,热交换器设计手册.广州：化学工业出版社，2002 3 高莉萍, 高效换热器发展动态及其应用J. 石油化工设备技术, 19954 沈维道，工程热力学第三版.北京：高等教育出版社，19985 杨世铭,陶文铨,传热学.北京:高等教育出版社,1998 6 王家楣,工程流体力学.武汉：湖北科学技术出版社，2003