管壳式换热器设计 课程设计

《管壳式换热器设计 课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管壳式换热器设计 课程设计（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、河南理工大学课程设计 管壳式换热器设计 学 院：机械与动力工程学院 专 业：热能与动力工程专业 班 级：11-02 班 学 号： 姓 名： 指导老师： 小组成员： 0 目录目录 第一章第一章 设计任务书设计任务书.2 第二章第二章 管壳式换热器简介管壳式换热器简介.3 第三章第三章 设计方法及设计步骤设计方法及设计步骤.5 第四章第四章 工艺计算工艺计算.6 4.1 物性参数的确定 6 4.2 核算换热器传热面积.7 4.2.1 传热量及平均温差 .7 4.2.2 估算传热面积 .9 第五章第五章 管壳式换热器结构计算管壳式换热器结构计算.11 5.1 换热管计算及排布方式11 5.2 壳体内

2、径的估算 13 5.3 进出口连接管直径的计算14 5.4 折流板 14 第六章第六章 换热系数的计算换热系数的计算20 6.1 管程换热系数 20 6.2 壳程换热系数 .20 第七章第七章 需用传热面积需用传热面积23 第八章第八章 流动阻力计算流动阻力计算25 8.1 管程阻力计算 .25 8.2 壳程阻力计算 .26 总结总结.29 1 第一章第一章 设计任务书设计任务书 煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由 140冷却冷却到 40的管壳式换热器，其处理能力为 10t/h，且允许压强降不大于 100kPa。 设计任务及操作条件 1、设备形式：管壳式换热器 2、操作条件 （1

3、）煤油：入口温度 140，出口温度 40 （2）冷却水介质：入口温度 26，出口温度 40 2 第二章第二章 管壳式换热器简介管壳式换热器简介 管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换 热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前 各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条 件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所 作的结构改进。 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方 式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传 热两个方面得以实现。目前，管

4、壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传 热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添 加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心 的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑 形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多 平行管子（称这些平行的管子为管束） ，让两种流体分别从管内空间（或称管程） 和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。 在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较 大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比

5、较小，使得流速很 低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行 的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装 置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热 交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多 少次，其管外空间仍以单程对待。 管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能 力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但 由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。 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 果两流体温

6、度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，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 3 施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以 下几种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管式换热器、双重管式换热 器及填料函式换热器。 4 第三章第三章 设计方法及设计步骤设计方法及设计步骤 在设计换热器时，如果只作简单估算，或盲目加大传热面积的安全系数就 会造成浪费。只有进行比较详细的计算，才能使投入运行的热交换器，在安全 和经济方面得到可靠保证。 换热器一般的设计方法及设计步骤如下： （1）根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定

7、热交换器类型等。 （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 K0，并初计算传热面积 F。 （8）设计换热器的结构包括：选取管径和管程流体流速；确定每程管数、 管长、总管数；确定管子排列方式、管间距、壳体内径和连接管直径等；确定 壳侧程数及折流板的数目、间距、尺寸等壳程结构尺寸；初确定传热面积。 （9）管程换热器计算及阻力计算。当换热系数远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。 （10）壳程换热计算。根据采用结构，假

8、定壁温和计算换热系数。 （11）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。 （12）核算壁温。要求与假定的壁温相符。 （13）计算壳程阻力，使之小于允许压降。 5 第四章第四章 工艺计算工艺计算 在换热器设计中，根据所选换热器类型和所给已知条件，计算出煤油的流 速和水的流速等，然后计算出传热面积。工艺设计中包括了物性数据的确定、 传热量及平均温差、初选传热系数、估算传热面积其具体运算如下所述。 4.1 物性参数的确定 表 3-1 水和煤油的操作参数 冷却水煤油 进口温度 （） 出口温度 （） 进口温度 （） 出口温度 （) 26 4

9、0 18040 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可以取流体进出 口温度的平均值。 煤油的定性温度为： 11 1 18040 110 22 m C tt t o （1） 水的定性温度： 22 1 2640 33 22 m C tt t o （2） 由定性温度条件下查物性表得出水与煤油的物性参数，如比热、密度、黏 度导热系数。所查结果见表 2-2： 表 3-2 水与煤油的物性参数 名称定性温度 C o 比热 kJ kg k g 密度 3 kg m 黏度 Mpa s g 导热系数 W m k g 水334.174994.70.00074220.6623 煤油1102.432758.

10、320.00051250.1026 6 4.2 核算换热器传热面积 选择热水走壳程，冷水走管程。这是因为：被冷却的流体走壳程可便于散 热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力。 由煤油的每小时产量(一天 24 小时连续运行）可以计算出煤油流量： 1 10000 2.77778 3600 M Mkg s t （3） 式中 M 表示煤油的年产量；M1表示煤油流量；t 表示时间。 煤油的普朗特常数： 11 1 1 0.0005152 2.435 12.1631 0.01026 p r c P （4） 式中 Pr1表示煤油的普朗特常数；1表示煤油的黏度；cp1表示煤油的比热；1

11、 表示煤油的导热系数。 水的普朗特常数： 22 2 2 0.0007422 40176 4.67755 0.6623 p r c P （5） 式中 Pr2 表示煤油的普朗特常数；2 表示煤油的黏度；cp2 表示煤油的比热； 2 表示煤油的导热系数。 4.2.1 传热量及平均温差 一般情况下，工程上常用热损失系数 c 来估算损失的热量。c 通常取 0.020.03。L 取用 0.98。 由上面的计算结果和已知条件代入下式可以得出煤油的传热量： （6） 11 11 2.77778 2.435180400.98928.004 pL QM c kW tt 7 式中 Q 表示传热量；M1表示煤油流量；L

12、热负荷修正系数。 由以上的计算结果及已知条件，可以计算出冷却水量： 2 2 22 928.004 15.8807 4.1764026 p Q Mkg s c tt （7） 式中 M2代表冷却水量；cp2代表水的比热； 计算两种流体的平均传热温差时按单壳程，两管程计算。按逆流设计换热器： 煤油 180 40 水 40 26 从而， maxmin1122 1 , max 12 min 21 m c tttttt t t tt In In t tt (8) 180404026 18040 4026 54.7211 In C o 温差修正系数 取决于两个无量纲参数 P 及 R： 22 12 4026

13、0.0909091 18026 tt P tt （9） 11 22 18040 10 4026 tt R tt （10） 式（9）中，参数 R 具有两种流体热容量之比的物理意义。式（10）中参数 P 8 的分母表示换热器中水理论上所能达到的最大升温，因而 P 的值代表该换热器 中水的实际升温与理论上所能达到的最大升温之比。所以，R 的值可以大于 1 或小于 1，但 P 的值比小于 1。 2 2 2 1 1 1 1 211 211 P In R PR R PRR In PRR （11） 2 2 2 1 0.0909091 101 1 0.0909091 10 10 1 20.09090911 1

14、0101 20.09090911 10101 In In 0.829935 式中 表示温度修正系数。 1 , 0.829935 54.721104504149 mm c tt （12） 式中 t1m,c表示有效平均温差。 4.2.2 估算传热面积 根据题意，初选传热系数，传热系数的选择依据经验数值表 3-3 表 3-3 传热系数的选择依据经验数值表 热交换流体热交换器型式 内侧外侧 传热系数 2 ,()K WmC o g 备注 气 气 高压气 气 气 高压气 气 清水 1035 170160 170450 2070 常压 2030Mpa 2030Mpa 常压 9 根据表 3-3 初选传热系数

15、K0=240W/(m2.) 由以上的计算结果及已知条件可以估算出传热面积： 2 0 928.00 1000 85.1412 240 45.4149 m Q Fm Kt （13） 式中表示估算的传热面积；K0表示初选传热系数；tm表示有效平均温差； F Q 表示传热量。由于 85.1412面积过大，所以需要两台换热器，才能符合工业 设计要求。实际的传热面积要考虑一定的裕度，此换热器考虑的裕度为 10%。 则一台换热器面积为 51。 管壳式（光管)高压气 清水 清水 高粘度液体 高温液体 低粘度液体 清水 清水 水蒸气冷凝 清水 气体 清水 200700 10002000 20004000 100300 30 200450 2030Mpa 液体层流 液体层流 10 第五章第五章 管壳式换热器结构计算管壳式换热器结构计算 5.1 换热管计算及排布方式 管子构成换热器的传热面，它的材料应根据工作压力、温度和流体腐蚀性、 流体对材料的脆化作用及毒性等决定，可选用碳钢、合金钢、铜、石墨等。小 直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，