工程熱力學課程設計--管式換熱器

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.緒論···························

2、;····································

3、83;·2</p><p>　　1.1管殼式換熱器概述·····························&#

4、183;·················2</p><p>　　1.2管殼式換熱器的結構及性能特點············&

5、#183;······················2</p><p>　　1.3 換熱器的研究內容及意義·······&#

6、183;·································3</p><p

7、>　　2.計算設計說明書··································&

8、#183;····················5</p><p>　　2.1 設計準備··········

9、83;····································&

10、#183;·······5</p><p>　　2.1.1設計依據·······················&#

11、183;··························5</p><p>　　2.1.2設計原理····

12、83;····································&

13、#183;········5</p><p>　　2.1.3設計步驟······················&#

14、183;···························6</p><p>　　2.2 初步確定設備結構···

15、····································

16、3;·······6</p><p>　　2.2.1定性溫度························

17、;··························6</p><p>　　2.2.2物性參數·····

18、····································

19、3;········7</p><p>　　2.2.3初選管材及管內流速······················

20、··················7</p><p>　　2.2.4對數平均溫差·············

21、;·································7</p><p>

22、;　　2.2.5確定所選管材··································&#

23、183;···········9</p><p>　　2.3 校核換熱系數···················&#

24、183;·······························10</p><p>　　2.3.1

25、管程換熱系數···································

26、3;··········10</p><p>　　2.3.2板管計算····················

27、3;·····························10</p><p>　　2.3.3 殼程傳熱系數·&

28、#183;····································

29、;········11</p><p>　　2.3.4 污垢熱阻和管壁熱阻······················

30、;··················12</p><p>　　2.3.5計算傳熱系數············

31、83;··································12</p>

32、<p>　　2.4 折流板計算·································&

33、#183;···················12</p><p>　　2.5 阻力計算···········&#

34、183;····································

35、·······14</p><p>　　2.5.1管程流體阻力·······················

36、3;·······················14</p><p>　　2.5.2殼程阻力·······

37、3;····································&#

38、183;······15</p><p>　　2.6 參數總表························

39、83;······························17</p><p>　　3.設計小結·

40、····································

41、3;·······················19</p><p>　　4.參考文獻········&

42、#183;····································

43、;················20</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在工業(yè)生產過程中，進行著各種不同的熱交換過程，其主要作用是使熱量由溫度較高的流體向溫度較低的流體傳遞，使流體

44、溫度達到工藝的指標，以滿足生產過程的需要。換熱器簡單說是具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設備。此外，換熱設備也是回收余熱，廢熱，特別是低品位熱能的有效裝置。換熱器按操作過程可以將其分為間壁式、混合式及回熱式三大類，本次設計主要是間壁式，在這類換熱器中，冷、熱流體由壁面間隔開來而分別位于壁面的兩側。管殼式換熱器是間壁式換熱器的一種主要形式。化工廠中的加熱器、冷卻器，電廠中的冷凝器、冷油器以及壓縮機的中間冷卻器等都是管殼式換熱

45、器的實例。本文采用固定管板式。這種結構形式的優(yōu)點是結構簡單，應用廣泛[1]。</p><p>　　關鍵詞：換熱器、管殼式、交換熱量、固定管板式</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1管殼式換熱器概述</p><p>　　換熱器是工程技術中廣泛采用的冷熱流體交換熱量的設備。按結構分為管殼式

46、換熱器和板式換熱器。而管殼式換熱器是殼體和包含許多管子的管束所構成，冷、熱流體之間通過管壁進行換熱的換熱器。管殼式換熱器按照結構形式可分為：固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、U形管換熱器、雙重管式換熱器、填函式換熱器和雙管板換熱器等多種[2]。前三種應用比較普遍。管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，管殼式換熱器在化工、煉油、石油化工、動力、核能和其他工業(yè)裝置中得到普遍采用，特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應用占據絕對優(yōu)勢。通常管殼式換

47、熱器的工作壓力可達4兆帕，工作溫度在200℃以下，在個別情況下還可達到更高的壓力和溫度。一般殼體直徑在1800毫米以下，管子長度在9米以下,在個別情況下也有更大或更長的。</p><p>　　1.2管殼式換熱器的結構及性能特點</p><p>　　圖1-1 固定管板式換熱器</p><p>　　管殼式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內部裝

48、有平行管束或者螺旋管，,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體,一種在管內流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程[3]。在殼體中設置有管束，管束的壁面即為傳熱面。管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進出口管直接和封頭焊在一起，管束內根據換熱管的長度設置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程

49、數[4]。</p><p>　　管殼式換熱器結構簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質不宜采用。當膨脹之差較大時，可在殼體上設置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產生的熱應力。旁路滲流較小，鍛件使用較少，造價低，無內漏。近年來國內在節(jié)能增效等方面改進換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強度等方面

50、的研究取得了顯著成績。換熱器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企業(yè)成本降低，效益提高。</p><p>　　1.3 換熱器的研究內容及意義</p><p>　　隨著換熱器廣泛應用于各行業(yè)，誕生了許多新型的換熱器，這使得換熱器相關技術也得到不斷提高，傳熱理論不斷完善，換熱器研究、設計、技術、制造等技術不斷發(fā)展，換熱技術的發(fā)展同時又促進了各種新型高效換熱器的不斷發(fā)展。 </p>

51、<p>　　目前各國為提高這類換熱器性能進行的研究主要是強化傳熱，強化傳熱的主要途徑有提高傳熱系數、擴大傳熱面積和增大傳熱溫差等方式，其中提高傳熱系數是強化傳熱的重點，主要是通過強化管程傳熱和殼程傳熱兩個方面得以實現。</p><p>　　管殼式換熱器強化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及其表面處理方法，以獲得粗糙的表面和擴展表面；用添加內插物的方法以增加流體本身的繞流；將傳熱管的內外

52、表面軋制成各種不同的表面形狀，使管內外流體同時產生湍流并達到同時擴大管內外有效傳熱面積的目的，提高傳熱管的傳熱性能；將傳熱管表面制成多孔狀，使氣泡核心的數量大幅度增加，從而提高總傳熱系數并可增加其抗污垢能力；改變管束支撐形式以獲得良好的流動分布，充分利用傳熱面積等。</p><p>　　換熱器相關技術的發(fā)展主要表現在以下幾發(fā)面：防腐技術，大型化與小型化并重，強化技術，抗振技術，防結垢技術，制造技術，研究手段[5]

53、。</p><p>　　隨著工業(yè)中經濟效益與社會環(huán)境保護的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路的與新結構的涌現，換熱器將朝著更高效、經濟、環(huán)保的方向發(fā)展。</p><p>　　本課題主要研究的是固定管板式換熱器，查閱換熱器相關標準，分析固定管板式各部分性能影響，并進行了換熱器的熱工計算、結構計算。</p><p>　　近年來，隨

54、著制造技術的進步，強化換熱元件的開發(fā)，使得新型高效換熱器的研究有了較大的發(fā)展，根據不同的工藝條件與工況設計制造了不同結構形式的新型換熱器，也取得了較大的經濟效益。故我們在選擇換熱設備時一定要根據不同的工藝、工況要求選擇。換熱器的作用可以是以熱量交換為目的。在即定的流體之間，在一定時間內交換一定數量的熱量；也可以是以回收熱量為目的，用于余熱利用；也可以是以保證安全為目的，即防止溫度升高而引起壓力升高造成某些設備被破壞。</p>

55、<p>　　換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。本文的研究結果對指導換熱器的規(guī)?；a，擴大其應用領域，以在廣泛范圍內逐步取代進口同類材料，降低使用成本具有重要意義。</p><p><b>　　2.計算設計說明書</b></p><p&g

56、t;<b>　　2.1設計準備</b></p><p><b>　　2.1.1設計依據</b></p><p>　　管殼式換熱器分為逆流和順流，一臺好的換熱器應該有良好的換熱性能，科學研究或生產生活的需要，這是設計的初衷和目的。本章節(jié)主要對固定管板式換熱器進行熱工設計的計算，它的設計程序或步驟隨著設計任務數和原始數據的不同而不同，要盡可能的使已知

57、數據和要設計計算的項目順次編排，但由于許多項目之間互相關聯，無法排定順序，故往往先根據經驗選定一個數據使計算進行下去，通過計算得到結果后再與初始假定的數據進行比較，知道達到規(guī)定的偏差要求，試算才告結束。</p><p><b>　　2.1.2設計原理</b></p><p>　　由于換熱器四個進、出口溫度及一側流體的流量已給定，要求計算出在滿足</p>

58、<p>　　定壓力降限制條件下的有效換熱面積與流程、流道排列組合方式。</p><p>　　傳熱基本基本方程式：</p><p><b>　　式中：；</b></p><p><b>　　℃)；</b></p><p><b>　　；</b></p>&

59、lt;p><b>　　℃。</b></p><p><b>　　換熱量的的計算式：</b></p><p><b>　　式中：；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　，℃ 。</b><

60、;/p><p>　　總傳熱系數計算公式：</p><p><b>　　式中：；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　2.1.3設計步驟</b></p&

61、gt;<p>　　1、確定換熱器設計指標（即設計條件或問題說明）；</p><p>　　2、初步確定換熱器的類型、結構、材料及流動形式等參數（即總體布置）；</p><p>　　3、換熱器的傳熱計算、流阻計算和優(yōu)化分析（即熱力和水力設計，是課程設計的主要內容）；</p><p>　　4、換熱器的結構、強度及工藝等方面的設計（即結構設計，在設計過程中應與

62、熱力、水力設計相互協調）；</p><p>　　5、根據其它具體的評價條件，從上述的幾套設計方案中進行方案的選擇（即最佳設計）。</p><p>　　2.2初步確定設備結構</p><p>　　初始條件：（1）高溫冷卻淡水流量為：65；</p><p>　　（2）高溫淡水進口水溫為：84℃； </p><p>　?。?/p>

63、3）高溫淡水出口水溫為：73℃； </p><p>　?。?）低溫淡水進口水溫為：36℃； </p><p>　?。?）低溫淡水出口水溫為：45℃；</p><p>　?。?） 允許最大壓力降0.1MPa。</p><p><b>　　2.2.1定性溫度</b></p><p>　　由于殼程不存在

64、相變，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。</p><p>　　其殼程高溫淡水的平均溫度：</p><p>　　℃ </p><p>　　管程流體的定性溫度：</p><p>　　℃ </p><p>　　綜合分析，高溫水流經管程，低

65、溫水流經殼程。</p><p><b>　　2.2.2物性參數</b></p><p>　　根據定性溫度，分別查得殼程和管程流體的有關物性數據[7]。</p><p>　　管程淡水在78.5℃ 下的有關物性數據如下： </p><p><b>　　表2

66、-1物性參數</b></p><p>　　殼程淡水在40.5℃下的物性數據：</p><p><b>　　表2-2 物性參數</b></p><p>　　2.2.3初選管材及管內流速</p><p>　　表2-3 換熱管規(guī)格</p><p>　　2.2.4對數平均溫差 </

67、p><p><b>　　根據前面公式有：</b></p><p><b>　　又有：</b></p><p><b>　　將已知數據代入得：</b></p><p><b>　　式中：；</b></p><p><b>　　；

68、</b></p><p><b>　　℃；</b></p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　實際換熱量：</b></p><p>　　根據對數平均溫差公式計算：</p><p>　　按逆流計算將已知數據代入得：&l

69、t;/p><p><b>　　℃</b></p><p>　　式中： —逆流的對數平均溫差，℃；</p><p>　　—熱流體進出口溫差，℃；</p><p>　　—冷流體進出口溫差，℃；</p><p>　　可按圖2-1中（b）所示進行計算。</p><p>　　再根據P和R

70、的值確定溫差修正系數，1、2分別代表殼側和管側：</p><p>　　根據P，R查圖10-23[8]得：</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　2.2.5確定所選管材</p><p>　　查資料[2]可知工程上水-水換熱器的換熱系數在800~1500,根據經驗假定。</p><p

71、><b>　　則總換熱面積為：</b></p><p>　　前面已經選取管內流速為，，假設所需管數為，</p><p>　　則有： </p><p><b>　　，取。</b></p><p><b>　　已知，</b></p>

72、<p><b>　　則所需管長為：</b></p><p>　　由L﹤管長×管程數=12m，故知與初選管材符合。</p><p>　　由于需要兩個管程，所以總管數為：</p><p>　　根 </p><p><b>　　2.3校核換熱系數</b

73、></p><p>　　2.3.1管程換熱系數的計算</p><p><b>　　式中；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　一般Re>10000即為湍流，查資料知：&l

74、t;/p><p><b>　　式中；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　式中。</b><

75、;/p><p>　　2.3.2板管計算 </p><p><b>　　中心管排數：</b></p><p><b>　　管間距：</b></p><p><b>　　殼體內徑：</b></p><p>　　2.3.3 殼程傳熱系數</p>&l

76、t;p><b>　　殼程流通面積:</b></p><p><b>　　殼程流速: </b></p><p><b>　　當量直徑:</b></p><p>　　殼側熱流體的雷諾數:</p><p><b>　　,故知殼側是湍流。</b></p

77、><p>　　由資料[6]查得流體橫向外掠單管時的努塞爾準則式：</p><p><b>　　式中；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　殼側的換熱系數</b&g

78、t;</p><p>　　2.3.4 污垢熱阻和管壁熱阻</p><p>　　查資料[6]知污垢熱阻和管壁熱阻可取： </p><p>　　管內側污垢熱阻 </p><p>　　管外側污垢熱阻 </p><p>　　查表可得碳鋼在該條件下的熱導率為</p><p><b&

79、gt;　　將已知數據代入得：</b></p><p>　　式中：——管壁熱阻，</p><p><b>　　——傳熱管壁厚，；</b></p><p><b>　　——管壁熱導率，。</b></p><p>　　2.3.5計算傳熱系數</p><p>　　由于是工

80、程上計算，可略去管壁導熱阻力，則有：</p><p><b>　　絕對誤差=</b></p><p><b>　　相對誤差=</b></p><p>　　誤差在工程計算允許范圍以內，故換熱系數校核符合要求。</p><p><b>　　2.4折流板計算</b></p>

81、;<p>　　管殼式換熱器殼程流體流通面積比管程流通截面積大，為增大殼程流體的流速，加強其擾動程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂担柙O置折流板。單殼程的換熱器僅需要設置橫向折流板。</p><p>　　采用弓形折流板，弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的20%～25%，取25%，取則切去的圓缺高度為：</p><p><b>　　故可取140mm</b></p&g

82、t;<p>　　查資料[9]可知折流板板間距一般為,結合一般標準取值，則取折流板間距</p><p><b>　　折流板數</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p><p>　　圖2-2 弓性折流板（水平圓缺）</p><p><b>　　2.5 阻力計算</b>

83、;</p><p>　　2.5.1 管程流體阻力 </p><p>　　管程總阻力包括單程直管阻力和局部阻力。 </p><p>　　查資料[2]得 ，</p><p><b>　　式中 ；</b></p><p><b>　　；</b

84、></p><p>　　，對的管子，取1.2；</p><p><b>　　單程直管阻力：</b></p><p>　　由，查工程流體力學[3] 表4-1知</p><p><b>　　傳熱管絕對粗糙度 </b></p><p>　　傳熱管相對粗糙度

85、</p><p>　　查資料[2]知，對光管，當﹥時，</p><p>　　，將已知數據代入得：</p><p><b>　　式中 ；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　；</b></p><

86、p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　查資料[2]可知，局部阻力按下式計算，</p><p>　　將已知數據代入得： </p><p><b>

87、　　式中 ；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　　管程總阻力為：</b></p><p><b>　　﹤0.1MPa </b></p><p&g

88、t;　　則管程流體阻力在允許范圍之內。</p><p>　　2.5.2殼程阻力計算 </p><p>　　殼程總阻力由流體流經管束的阻力和流體通過折流板缺口的阻力組成。</p><p>　　查資料[2]可知，殼程阻力按下式計算：</p><p>　　查資料[2]得， ， ， </p><p><b>　

89、　式中 ；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　； </b></p><p>　　查資料

90、[2]得流體流經管束的阻力按下式計算</p><p><b>　　將已知數據代入：</b></p><p><b>　　式中 ；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　；</b></p><p>

91、;<b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　　； </b></p><p>　　查資料[2]知，流體通過折流板缺口的阻力依下式計算：</p><p&

92、gt;<b>　　將已知數據代入：</b></p><p><b>　　式中 ；</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　??；</b></p>&

93、lt;p><b>　??；</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　　殼程總阻力：</b></p><p><b>　　﹤0.1MPa</b></p><p>　　則殼程流體阻力在允許范圍之內。</p>

94、<p>　　由于該換熱器管程和殼程阻力均小于最大允許值，因此是滿足設計要求的。</p><p><b>　　2.6參數總表 </b></p><p>　　表2-4 換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p><b>　　3.設計小結</b></p><p><b>　　4.參考

95、文獻</b></p><p>　　[1] 李志勇,喻健良,劉志軍.過程機械[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.</p><p>　　[2] 鄒華生，鐘理.傳熱傳質過程設備設計.武漢：華中理工出版社，2006</p><p>　　[3] 史美中,王中錚,熱交換器原理于設計.上海：東南大學出版社，2005</p><p>　　[4

96、] 錢頌文,熱交換器設計手冊.廣州：化學工業(yè)出版社，2002 </p><p>　　[5] 高莉萍, 高效換熱器發(fā)展動態(tài)及其應用[J]. 石油化工設備技術, 1995</p><p>　　[6] 楊世銘,陶文銓,傳熱學.北京:高等教育出版社,1998 </p><p>　　[7] 沈維道，工程熱力學第三版.北京：高等教育出版社，1998</p><