1、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 录第一部分 确定设计方案 .31.1 选择换热器的类型 .31.2 流动空间及流速的确定 .3第二部分 确定物性数据 .4第三部分 工艺流程图 .5第四部分 计算总传热系数 .64.1 热负荷的计算 .64.2 平均传热温度 .64.3 估 K 值 .64.4 由 K 值估算传热面积 .64.5 冷却水用量 .7第五部分 换热器工
2、艺结构尺寸 .85.1 管径，管长，管数 85.2 管子的排列方法 .85.3 壳体内径的计算 95.4 折流板 .95.5 计算壳程流通面积及流速 .105.6 计算实际传热面积 115.7 传热温度差报正系数的确定 115.8 管程与壳程传热系数的确定 115.9 传热系数 K0的确定 .135.10 传热面积 .135.11 附件 .135.12 换热器流体流动阻力 .14第六部分 设计结果 17第七部分 总结 18第八部分 主要参考文献 20第九部分 附录 21换热器原理与设计课程设计3第一部分 确定设计方案1.1 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
3、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。1.2 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 252.5 的碳钢管，管内流速取 ui=0.75m/s。 换热器原理与设计课程设计4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)/
4、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 o= 810kg/m3定压比热容 cp o=2.3kJ/(kg)导热系数 o=0.13W/(m)粘度 o=0.00091 Pas冷却水在 32下的物性数据： 密度 i=994kg/m3定压比热容 cp i=4.187kJ/(kg)导热系数 i=0.626 W/(m)粘度 i=0.000727 Pas换热器原理与设计课程设计5第三部分 工艺流程图换热器原理与设计课程设计6第四部分 计算总传热系数4.1 热负荷的计算以煤油为计算标准算它所需要
5、被提走的热量：Q=qct= x2.22x（130-40）=7.034x106KJ/h=1953.8KW2.39108330244.2 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：13040，自来水：4030，从而，t m= =46.25,9010(9010)此时，P= =0.10， R= =9.00，由公式易算得 =0.840.8,403013030 130404030符合要求。4.3 估 K 值估算传热系数为 450 W/(m2)4.4 由 K 值估算传热面积取传热系数为 450 W/(m2)，则由公式可得传热面积为Ap= =93.88m21953.8103
6、45046.25换热器原理与设计课程设计74.5 冷却水用量忽略热损失，由公式易得，冷却水用量为：Q= =46.81kg/s=168516kg/h。1953.84.174（ 3525）换热器原理与设计课程设计8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则初步选择 252.5mm 的碳钢管，管内径 di=25-2.5x2=20mm，管内流速取 ui=1.2m
7、/s。= =124.8 125 根= 42 46.81/995.70.7850.0221.2 按单管程计算，所需的传热管长度为 L= = =9.58m。93.883.140.025125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=1252=250 根。5.2 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） 。当管换热器原理与设计课程设计9程为多程时，则需采取
8、组合排列，如下右图。采用组合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。换热管中心距查表如下（mm）：则横过管束中心线的管束为 n=1.1 =1.1 =17.3918。 2505.3 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 =1.0532 =634.9mm 2500.7按卷制壳体的进级档可取 D=700mm。5.4 折流板折流板间距多为 100mm，150mm，200 mm，300mm，450 mm，600 mm，800 mm，1000 mm。折流板厚度与壳体直径和折流板间距有关，如下表（mm）：换热器原理与设计课程设计10支承板厚度一般
9、不应小于上表数据，支承板不允许的最大间距参考下表：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%700mm=175mm。取折流板间距 B=0.3D，则 B=0.3700mm=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= -1=24 块。5000200折流板圆缺面水平装配。5.5 计算壳程流通面积及流速壳程流通截面积：So= =0.0306032.5170.2)td-BD(1o 2m壳程流体最小流速为： 0140.53/2360.894vmqu
10、sA= =0.33m/s。.)5/(83176换热器原理与设计课程设计115.6 计算实际传热面积该换热器的实际传热面积为：Sp= =3.140.0255.0250LNdo=98.125m25.7 传热温度差报正系数的确定P= =0.10， R= =9.00，查温差校正系数图403013030 130404030=0.840.8,符合要求。5.8 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=0.7850.022125=0.0393m2管程流体最小流速：ui= sm/196.039.)756/(185雷诺准数为Rei= 274081.562普兰特准数为：Pri= 42.5617.0
11、4换热器原理与设计课程设计12管内表面传热系数：W/m214.5284.29730.6123080i壳程传热系数：对圆缺形的折流板，可采用克恩公式： 00.36edua0.14pwc（ ） （ ） （ ）计算壳程当量直径，由正三角形排列可得：= =0.020m342ed0（ t-） 025.143).78.2(2雷诺准数为：Reo=7384015.2oud普兰特准数为：Pro=34.14.0782cNu=0.36 。物料被冷却，粘度校正.51/3RePr0.w（ ）取 1， 将数值代入上式：0.4w（ ）Nu= =112.08315.047836= =784.57W/m2oodNu02.12换
12、热器原理与设计课程设计135.9 传热系数 K0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=0.00058m 2/W ，管内侧污垢热阻：Rso=0.00017 m2/W管壁的导热系数： =45 m2/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 osioiosio RdbRdK 110 =57.8410.2504.0258.0214.52801=595.24W/m25.10 传热面积由 K0 计算传热面积 S=9734.68.49651mQSmKt折 257025.11 附件水泵，电动调节阀，蝶阀。换热器原理与设计
13、课程设计145.12 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。5.12.1 管程流动阻力核算管程压力降的计算公式为：FspsNpi)(21已知此情况下 Rei=29734，为湍流。取绝对粗糙度01.2d相 对 粗 糙 度 为,2.0im查 ，关 联 图 ， 可 得 摩 擦 因 数 035.:eRa21369.7532up a6231970dl221i PP 另外，式子中：壳程数 Ns=1管程数 Np=2代入公式中，有：FspsNpi)(21=（6231+2136）121.5=25101Pa50时必须在壳体上设置膨胀节；（2）管板与管头之间易产生
14、温差应力而损坏；（3）壳程无法机械清洗；（4）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，相对较低；（5）壳程不适用于易结垢场合。换热器原理与设计课程设计21第八部分 主要参考文献1 换热器原理与设计教学书2 王志魁 .化工原理，化学工业出版社，20063 潘永亮 .化工设备机械基础，科学出版社，20064 任晓光 .化工原理课程设计手册S.第三版 ,北京：化学工业出版社，20055 柴诚敬主编，化工原理课程设计，天津大学出版社，20026 谭天恩，麦本熙，丁惠华编著，化工原理（上、下册），化工出版社，19987 王莲琴编，物性数据的计算与图表，化工出版社，19928 国家医药管理
15、局上海医药设计院编，化工工艺手册，上、下册，化工出版社，19869 华南理工大学教研室编，化学工业出版社，198610 王荷琴，化学工程手册，化学工业出版社，198211 天津大学化工原理教研室编,化工原理天津大学出版社. （1999）12 秦叔经、叶文邦等 ，换热器化学工业出版社（2003）13 谭天恩、窦梅、周明华等，化工原理（第三版）上、下册化学工业出版社（2006）14 华南工学院化工原理教研室,化工过程及设备设计（1987）15 贾绍义等， 化工原理课程设计天津大学出版社（2003）换热器原理与设计课程设计22第九部分 附录重要符号说明符号 意义 单位T 温度 Q 热负荷 Wq 质量流量 Kg/sC 定压比热容 J/（Kg）A 面积 m2管长 mmK 传热系数 W/( m2)u 流体流速 m/sa 管心距 mmD 壳体内径 mmh 切去圆缺高度 mm折流板数 块B 相邻折流板间距 mm对流传热膜系数 W/( m2) 流体导热系数 W/( m)管外径 mm管内径 mm当量直径 mmR 污垢热阻 ( m2)/W
