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1、
課 程 設(shè) 計(jì)
設(shè)計(jì)題目:換熱器設(shè)計(jì)——固定管板式式換熱器
姓 名
院 系
專 業(yè) 熱能與動力工程
年 級 2012級
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
2015年 1月 21日
目錄
0設(shè)計(jì)任務(wù) …………………………………………………………… 2
0.1設(shè)計(jì)目的 ………………………………………………………
2、2
0.2 操作條件 ……………………………………………………… 2
1 前言 ………………………………………………………………… 2
1.1熱量傳遞的概念 ………………………………………………… 2
1.2傳熱的基本方式 ………………………………………………… 2
1.3管殼式換熱器的簡介 …………………………………………… 2
2 試算并初選換熱器規(guī)格 …………………………………………… 3
2.1流體流動途徑的確定 …………………………………………… 3
2.2定性溫度、物性數(shù)據(jù),選擇換熱器型式 ………………………… 3
2.3計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量 …………………
3、…………………… 4
2.4計(jì)算兩流體的平均溫度差………………………………………… 4
2.5試算和初選換熱器的規(guī)格………………………………………… 5
3 工藝計(jì)算 …………………………………………………………… 6
3.1核算總傳熱系數(shù) ………………………………………………… 6
3.2核算壓強(qiáng)降 ……………………………………………………… 8
4 經(jīng)驗(yàn)公式 …………………………………………………………… 9
5 設(shè)備及工藝流程圖 …………………………………………………11
6 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 ……………………………………………………12
7 設(shè)計(jì)評述 ……………………
4、………………………………………13
8 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………15
0 設(shè)計(jì)任務(wù)
0.1設(shè)計(jì)目的
設(shè)計(jì)一臺管殼式換熱器
0.2 操作條件
⑴、水:入口溫度80℃,出口溫度55℃。
⑵、冷卻介質(zhì):循環(huán)水,入口溫度30℃,出口溫度40℃
⑶、允許壓強(qiáng)降:不大于105Pa。
⑷、每年按290天計(jì),每天24小時連續(xù)運(yùn)行。
1 前言
1.1熱量傳遞的概念
熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移,簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知,在自然界中凡是有溫差存在時,熱就必然從高溫處傳遞到低溫處,因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。
1.2傳
5、熱的基本方式
(1)熱傳導(dǎo)(又稱導(dǎo)熱) 物體各部分之間不發(fā)生相對位移,僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。
(2)熱對流(簡稱對流) 流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流。熱對流僅發(fā)生在流體中,產(chǎn)生原因有二:一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別,使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對位移的自然對流;二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動的強(qiáng)制對流。
此外,流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程,即是熱由流體傳到固體表面(或反之)的過程,通常稱為對流傳熱。
(3)熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電
6、磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是:不僅有能量的傳遞,而且還有能量的轉(zhuǎn)移。
1.3管殼式換熱器的簡介
管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、U型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心,其中換熱管作為導(dǎo)熱元件,決定換熱器的熱力性能。另一個對換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板(或折流桿)。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。
(1)工作原理:
管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器,其換
7、熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱為管程,換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程分別通過兩不同溫度的流體時,溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體,溫度較高的流體被冷卻,溫度較低的流體被加熱,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。
(2)主要技術(shù)特性:
一般管殼式換熱器與其它類型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性:
①、耐高溫高壓,堅(jiān)固可靠耐用;
②、制造應(yīng)用歷史悠久,制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟;
③、選材廣泛,適用范圍大。
2 換熱器設(shè)計(jì)
2.1流體流動途徑的確定
本換熱器處理的是兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程,且均不易結(jié)垢,根據(jù)流體的情況,故選擇熱水走換熱器的管程,循環(huán)水走殼程。
8、
2.2定性溫度、物性數(shù)據(jù),選擇換熱器型式
冷卻介質(zhì)為循環(huán)水,取入口溫度為:30℃,出口溫度為:40℃
熱水的定性溫度: ℃
循環(huán)水的定性溫度: ℃
兩流體的溫差: ℃
由于兩流體的溫差不大于50℃,故選用固定管板式列管換熱器
查《換熱器設(shè)計(jì)手冊》——(美)沙拉 塞庫利克 著
程林 譯 機(jī)械工業(yè)出版社
0.417=0.417 mPas 熱水
0.767=0.727 mPas 循環(huán)水
9、 4.188 KJ/(㎏oC) 熱水
4.180 KJ/(㎏oC) 循環(huán)水
=0.575 W/(moC) 熱水
=0.535 W/(moC) 循環(huán)水
2.3計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量
2.4計(jì)算兩流體的平均溫度差
暫按單殼程、多管程進(jìn)行計(jì)算,逆流時平均溫度差為:
而
查《換熱器設(shè)計(jì)手冊》——(美)沙拉 塞庫利克 著
程林 譯 機(jī)械工
10、業(yè)出版社
所以
又因?yàn)?.96>,故可選用單殼程的列管換熱器。
2.5試算和初選換熱器的規(guī)格
根據(jù)低溫流體為水,高溫流體也為水,有K值的范圍:430~850W/(oC),假設(shè)
又因?yàn)闊崴吖艹糖页踹x,L= 4.5m的列管,所以設(shè)
由 可求得:
單管程的管子根數(shù):
管程數(shù):
所以:
據(jù)此初選固定管板式換熱器規(guī)格尺寸為
殼 徑 D
600㎜
管 子 尺 寸
Φ192mm
管 程 數(shù)
3
管 長L
4.5 m
管子總數(shù) n
87
管子排列方法
正三角形
實(shí)際傳熱面積
若采用此傳熱面積的換熱器,則
11、要求過程的總傳熱系數(shù)為:
℃)
3 工藝計(jì)算
3.1核算總傳熱系數(shù)
)計(jì)算管程對流傳熱系數(shù)
(與假設(shè)相差不多,合適)
所以
2)計(jì)算殼程對流傳熱系數(shù)
換熱器中心附近管排中流體流通截面積為:
式中 折流擋板間距,取300;
管中心距,對,。
因?yàn)?
所以
由正三角形排列得:
因?yàn)?在~范圍內(nèi),故可用下式計(jì)算
殼程中水被加熱,取 ,
所以
)確定污垢熱阻
管內(nèi)、外側(cè)污垢熱阻分別取為:
)總傳熱系數(shù)
管子材料選用不銹鋼,取其導(dǎo)熱系數(shù)為(moC),總傳熱系數(shù)為:
由前面計(jì)算可知,選用該
12、型號換熱器時,要求過程的總傳熱系數(shù)為,在傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動條件下,計(jì)算出的為,其安全系數(shù)為:
%%
故所選擇的換熱器是合適的。
3.2核算壓強(qiáng)降
)計(jì)算管程壓強(qiáng)降
前面已算出:, (湍流)
取不銹鋼管壁粗糙度 則,8
所以
對于的管子 4,Ns=1
)計(jì)算殼程壓強(qiáng)降
其中
管子為正三角形排列,取F=0.4
取折流擋板間距
折流擋板數(shù):
殼程流通面積
>
所以
\
由上面計(jì)算可知,該換熱器管程與殼程的壓強(qiáng)均滿足題目要求,故所選換熱器合適。
4 經(jīng)驗(yàn)公式
1.管程對
13、流傳熱系數(shù),可用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式:
2.殼程對流傳熱系數(shù),可用關(guān)聯(lián)式計(jì)算:
3.管程壓強(qiáng)降可用:
4.殼程壓強(qiáng)降可用埃索法:
5 設(shè)備及流程圖
6 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表
項(xiàng) 目
殼程(循環(huán)水)
管程(熱水)
流量,㎏/s
15.4
9.25
溫度,℃(進(jìn)/出)
30/40
80/55
物性參數(shù)
定性溫度,℃
35
67.5
密度,㎏/m3
996.35
996.35
比熱,kJ/㎏℃
4.18
4.1
14、88
粘度,Pas
0.72710-3
0.41710-3
導(dǎo)熱系數(shù),kJ/m℃
0.535
0.575
普蘭特?cái)?shù)
5.29
5.29
結(jié)構(gòu)參數(shù)
殼體外徑,mm
600
管徑,mm
Ф192
管長,m
4.5
管數(shù)
87
傳熱面積,㎡
18.44
管程數(shù)
3
臺數(shù)
1
殼程數(shù)
1
管心距,㎜
32
管子排列
正三角形排列
折流板數(shù)
29
折流板距,m
0.3
材質(zhì)
不銹鋼
主要計(jì)算結(jié)果
殼程
管程
流速,m/s
1.19
0.16
污垢熱阻,(㎡℃)/W
1.7
1.7
傳熱系數(shù),W/(㎡℃)
155
15、3
5214
7 設(shè)計(jì)總結(jié)
通過本次課程設(shè)計(jì),我對換熱器的結(jié)構(gòu)、性能都有了一定的了解,同時,在設(shè)計(jì)過程中,我也掌握了一定的工藝計(jì)算方法。
換熱器是制冷及制熱中重要的設(shè)備之一,而且種類繁多,特點(diǎn)不一,因此,選擇合適的換熱器是相當(dāng)重要的。在本次設(shè)計(jì)中,我發(fā)現(xiàn)進(jìn)行換熱器的選擇和設(shè)計(jì)是要通過反復(fù)計(jì)算,對各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行比較后,從中確定出比較合適的或最優(yōu)的設(shè)計(jì),為此,設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮很多方面的因素。
首先要滿足傳熱的要求,本次設(shè)計(jì)時,由于初選總傳熱系數(shù)不合適,使規(guī)定條件下的計(jì)算結(jié)果與初設(shè)值的比值不在要求范圍內(nèi),因此,經(jīng)過多次計(jì)算,才選擇到合適的K值為,計(jì)算結(jié)果為,安全系數(shù)為
16、10.81%,滿足要求。
其次,在滿足工藝條件的前提下選擇合適的換熱器類型,通過分析操作要求及計(jì)算,本次設(shè)計(jì)選用換熱器為上述計(jì)算結(jié)果。
再次,從壓強(qiáng)降來看,管程約為3892.8Pa,殼程約為2447Pa,都低于要求值(10kPa),因此,可適當(dāng)加大流速,從而加大對流傳熱系數(shù),減少污垢在管子表面上沉積的可能性,即降低污垢熱阻,然而,流速增加,流動阻力也會隨之增大,動力消耗就增多,因此,作出經(jīng)濟(jì)衡算在確定流速時是相當(dāng)重要的。
此外,其他因素(如加熱和冷卻介質(zhì)用量,換熱器的檢修和操作等),在設(shè)計(jì)時也是不可忽略的。根據(jù)操作要求。
在檢修和操作方面,固定管板式換熱器由于兩端管板和殼體連接成一體,
17、因此不便于清洗和檢修。
本次設(shè)計(jì)中,在滿足傳熱要求的前提下,考慮了其他各項(xiàng)問題,但它們之間是相互矛盾的。如:若設(shè)計(jì)換熱器的總傳熱系數(shù)較大,將導(dǎo)致流體通過換熱器的壓強(qiáng)降(阻力)增大,相應(yīng)地增加了動力費(fèi)用;若增加換熱器的表面積,可能使總傳熱系數(shù)或壓強(qiáng)降減小,但卻又受到換熱器所能允許的尺寸限制,且換熱器的造價也提高了。因此,只能綜合考慮來選擇相對合適的換熱器。
然而在本次設(shè)計(jì)中由于經(jīng)驗(yàn)不足,知識有限,還是存在著很多問題。比如在設(shè)計(jì)中未考慮對成本進(jìn)行核算,僅在滿足操作要求下進(jìn)行設(shè)計(jì),在經(jīng)濟(jì)上是否合理還有待分析。在設(shè)計(jì)的過程中我發(fā)現(xiàn)板式換熱器采用同一板片組成不同幾何尺寸和形狀的流道(非對稱流道)解決
18、了兩側(cè)水流量不等的問題,同時與對稱結(jié)構(gòu)相比具有相同的耐壓性和使用壽命??傊ㄟ^本次設(shè)計(jì),我發(fā)現(xiàn)自己需要繼
學(xué)習(xí)的知識還很多,我將會認(rèn)真請教老師,不斷提高自己的知識水平,擴(kuò)展自己的知識面。
8 參考文獻(xiàn)
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[2] 《換熱器原理與設(shè)計(jì)》 余建祖 編著 北京航空航天大學(xué)出版社
[3] 《換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)》 (美)沙拉 塞庫利克 著 程林 譯 機(jī)械工業(yè)出版社
[4] 《化學(xué)工程手冊》 《化學(xué)工程手冊》編輯委員會 化學(xué)工業(yè)出版社
[5] 《傳熱學(xué)》 楊世銘 陶文銓 編著 高等教育出版社
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