换热器设计——固定管板式式换热器

课 程 设 计 设计题目：换热器设计固定管板式式换热器姓 名 院 系 专 业 热能与动力工程 年 级 2012级 学 号 指导教师 2015年 1月 21日目录0设计任务 20.1设计目的 20.2 操作条件 21 前言 21.1热量传递的概念 21.2传热的基本方式 21.3管壳式换热器的简介 22 试算并初选换热器规格 32.1流体流动途径的确定 32.2定性温度、物性数据，选择换热器型式 32.3计算热负荷和冷却水流量 42.4计算两流体的平均温度差 42.5试算和初选换热器的规格 53 工艺计算 63.1核算总传热系数 63.2核算压强降 84 经验公式 95 设备及工艺流程图 116 设计结果一览表 127 设计评述 138 参考文献 150 设计任务0.1设计目的设计一台管壳式换热器0.2 操作条件、水：入口温度80，出口温度55。、冷却介质：循环水，入口温度30，出口温度40、允许压强降：不大于105Pa。、每年按290天计，每天24小时连续运行。1 前言1.1热量传递的概念热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。1.2传热的基本方式（1）热传导（又称导热） 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。热传导的条件是系统两部分之间存在温度差。（2）热对流（简称对流） 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。热对流仅发生在流体中，产生原因有二：一是因流体中各处温度不同而引起密度的差别，使流体质点产生相对位移的自然对流；二是因泵或搅拌等外力所致的质点强制运动的强制对流。此外，流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面（或反之）的过程，通常称为对流传热。（3）热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量的转移。1.3管壳式换热器的简介管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。（1）工作原理：管壳式换热器和螺旋板式换热器、板式换热器一样属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。（2）主要技术特性：一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性：、耐高温高压，坚固可靠耐用；、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟；、选材广泛，适用范围大。2 换热器设计2.1流体流动途径的确定本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，且均不易结垢，根据流体的情况，故选择热水走换热器的管程，循环水走壳程。2.2定性温度、物性数据，选择换热器型式冷却介质为循环水，取入口温度为：30，出口温度为：40热水的定性温度： 循环水的定性温度： 两流体的温差： 由于两流体的温差不大于50，故选用固定管板式列管换热器查换热器设计手册（美）沙拉 塞库利克 著 程林 译 机械工业出版社 0.417=0.417 mPas 热水 0.767=0.727 mPas 循环水 4.188 KJ/(oC) 热水 4.180 KJ/(oC) 循环水 =0.575 W/(moC) 热水 =0.535 W/(moC) 循环水2.3计算热负荷和冷却水流量2.4计算两流体的平均温度差暂按单壳程、多管程进行计算，逆流时平均温度差为：而 查换热器设计手册（美）沙拉 塞库利克 著 程林 译 机械工业出版社所以又因为0.96，故可选用单壳程的列管换热器。2.5试算和初选换热器的规格根据低温流体为水，高温流体也为水，有K值的范围：430850W/(oC）,假设又因为热水走管程且初选，L= 4.5m的列管，所以设 由 可求得：单管程的管子根数： 管程数：所以： 据此初选固定管板式换热器规格尺寸为壳 径 D600管 子 尺 寸192mm管 程 数 3管 长L4.5 m管子总数 n87管子排列方法正三角形实际传热面积若采用此传热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：）3 工艺计算 3.1核算总传热系数）计算管程对流传热系数 （与假设相差不多，合适）所以2）计算壳程对流传热系数换热器中心附近管排中流体流通截面积为：式中 折流挡板间距，取300； 管中心距，对，。因为 所以由正三角形排列得：因为 在范围内，故可用下式计算壳程中水被加热，取 ，所以 ）确定污垢热阻管内、外侧污垢热阻分别取为：）总传热系数管子材料选用不锈钢，取其导热系数为(moC)，总传热系数为：由前面计算可知，选用该型号换热器时，要求过程的总传热系数为，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的为，其安全系数为：故所选择的换热器是合适的。3.2核算压强降）计算管程压强降前面已算出：， （湍流）取不锈钢管壁粗糙度 则，8所以 对于的管子 4，Ns=1）计算壳程压强降其中 管子为正三角形排列，取F=0.4取折流挡板间距 折流挡板数：壳程流通面积 所以 由上面计算可知，该换热器管程与壳程的压强均满足题目要求，故所选换热器合适。4 经验公式1.管程对流传热系数，可用迪特斯和贝尔特关联式：2.壳程对流传热系数，可用关联式计算：3.管程压强降可用：4.壳程压强降可用埃索法：5 设备及流程图6 设计结果一览表项 目壳程（循环水）管程（热水）流量，/s15.49.25温度，（进/出）30/4080/55物性参数定性温度，3567.5密度，/m3996.35996.35比热，kJ/4.184.188粘度，Pas0.72710-30.41710-3导热系数，kJ/m0.5350.575普兰特数5.295.29结构参数壳体外径，mm600管径，mm192管长，m4.5管数87传热面积，18.44管程数3台数1壳程数1管心距，32管子排列正三角形排列折流板数29折流板距，m0.3材质不锈钢主要计算结果壳程管程流速，m/s1.190.16污垢热阻,()/W1.71.7传热系数，W/（）155352147 设计总结通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，同时，在设计过程中，我也掌握了一定的工艺计算方法。换热器是制冷及制热中重要的设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。在本次设计中，我发现进行换热器的选择和设计是要通过反复计算，对各项结果进行比较后，从中确定出比较合适的或最优的设计，为此，设计时应考虑很多方面的因素。首先要满足传热的要求，本次设计时，由于初选总传热系数不合适，使规定条件下的计算结果与初设值的比值不在要求范围内，因此，经过多次计算，才选择到合适的K值为，计算结果为，安全系数为10.81%，满足要求。其次，在满足工艺条件的前提下选择合适的换热器类型，通过分析操作要求及计算，本次设计选用换热器为上述计算结果。再次，从压强降来看，管程约为3892.8Pa，壳程约为2447Pa，都低于要求值（10kPa），因此，可适当加大流速，从而加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低污垢热阻，然而，流速增加，流动阻力也会随之增大，动力消耗就增多，因此，作出经济衡算在确定流速时是相当重要的。此外，其他因素（如加热和冷却介质用量，换热器的检修和操作等），在设计时也是不可忽略的。根据操作要求。在检修和操作方面，固定管板式换热器由于两端管板和壳体连接成一体，因此不便于清洗和检修。本次设计中，在满足传热要求的前提下，考虑了其他各项问题，但它们之间是相互矛盾的。如：若设计换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降（阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数或压强降减小，但却又受到换热器所能允许的尺寸限制，且换热器的造价也提高了。因此，只能综合考虑来选择相对合适的换热器。然而在本次设计中由于经验不足，知识有限，还是存在着很多问题。比如在设计中未考虑对成本进行核算，仅在满足操作要求下进行设计，在经济上是否合理还有待分析。在设计的过程中我发现板式换热器采用同一板片组成不同几何尺寸和形状的流道（非对称流道）解决了两侧水流量不等的问题，同时与对称结构相比具有相同的耐压性和使用寿命。总之，通过本次设计，我发现自己需要继学习的知识还很多，我将会认真请教老师，不断提高自己的知识水平，扩展自己的知识面。8 参考文献1 热交换器原理与设计 史美中 王中铮 编 东南大学出版社2 换热器原理与设计 余建祖 编著 北京航空航天大学出版社3 换热器设计技术 （美）沙拉 塞库利克 著 程林 译 机械工业出版社4 化学工程手册 化学工程手册编辑委员会 化学工业出版社5 传热学 杨世铭 陶文铨 编著 高等教育出版社15