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1、X X X X 大 学材料工程原理 B课程设计4设计题目： 5.510 t/y 热水冷却换热器设计专业： -班级： -学号： -姓名： -日期： -指导教师： -设计成绩：日期：1换热器设计任务书题目5.5104t/y 热水冷却换热器设计设计基本参数设计基本参数处理能力：5.5104t/y设备型式：列管式换热器操作条件：(1）冷却介质：循环水入口温度：22，出口温度：40 (2）热水：入口温度：80，出口温度：60（3）允许压降：不大于 105Pa（4）每年按 330 天计，每天 24 小时运行设计要求及内容设计要求及内容设计内容；（1）方案简介：对选定的工艺流程、重要设备的形式进行简要的论述
2、；（2）设备的工艺设计计算：包括工艺参数的选定、物料平衡、热量平衡、设备的工艺尺寸计算以及结构设计；（3）流程简图：以单线图形式绘制，绘出主体设备和辅助设备的物料与气流流向；（4）设备工艺图：包括设备的主要工艺尺寸、技术特性等设计要求：（1）加深学生对本课程基本理论知识的理解，提高本课程基本知识的应用能力；（2）要求学生能综合运用本课程和先修课程的基本理论和知识，独立思考和分析问题，完成一个单元操作过程和设备的工程设计 ，得到材料工程设计的初步训练。（3）使学生了解工程设计在生产、科研和工程建设中的地位与重要性，掌握工程设计的主要内容、程序和方法，学会应用有关资料进行设计计算，提高绘图能力，提
3、高独立分析和解决问题的能力；课程设计计算书要求内容完整、计算正确，文字简洁通顺；图纸要求规范、整洁、齐全各阶段时间安排（以天为单位）各阶段时间安排（以天为单位）（1）讲课、布置任务：0.5 天（2）查阅资料，搜集数据：1 天（3）分析确定方案易操作参数：1 天（4）工艺设计计算以及设备结构设计：3 天（5）编制说明书、绘图：4 天（6）考核和答辩：0.5 天2目录1.设计方案简介2.工艺流程简介3.工艺计算和主体设备设计4.设计结果概要5.附图6.参考文献31.设计方案简介1.11.1 列管式换热器的类型列管式换热器的类型根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介
4、绍几种常见的列管式换热器。（1 1） 固定管板式换热器固定管板式换热器这类换热器如图 1-1 所示。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。（2 2）U U 型管换热器型管换热器U 型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为 U 型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与 U 型环热管由温差时，不会产生温差应力。U 型管式换热器
5、的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高 10%左右。（3 3）浮头式换热器浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图 1-3 所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖
6、与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。4(4)(4)填料函式换热器填料函式换热器填料函式换热器的结构如图 1-4 所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。1.21.2 换热器类型的选择以及流经的选择换热器类型的选择以及流经的选择所设计的换热器用于冷却热水，水黏度较小，
7、不易产生水垢，而且两流体的温差不大于 50，所以选用固定管板式换热器，热水走壳程，循环水走管程。1. 31. 3 流速的选择流速的选择表 2-2 换热器常用流速的范围介质循环水新鲜水一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油气体流速管程流速，1.02.00.81.50.53m/s壳程流速，0.51.50.51.50.21.5m/s1.00.50.81.80.51.55300.41.00.30.8215由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。故
8、拟取循环水流速为 1.0m/s。51.41.4 材质的选择材质的选择列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用碳钢材料。1.51.5 管程结构管程结构换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列（d）三角形错列（e）同心圆排列由于正三角形排列较紧凑，对于相同壳
9、体直径的换热器排的管子较多，传热效果也较好，而且这个换热器不易产生水垢，不需要考虑清洗问题。所以综上所述，采用正三角形形错列排列2 2、工艺流程简介、工艺流程简介64 4 工艺计算和主体设备设计工艺计算和主体设备设计4.14.1 初算换热器规格初算换热器规格（1）确定流体进入空间：热水走壳程，循环水走管程（2）确定流体的定性温度、物性数据40 2280 60定性温度：冷却水t 31热水T 7022 994.8(Kg /m3)Cp 4.174(KJ /Kg )冷却水（31） 0.618(w/m) 7.86104(Pas) 977.8(kg / m3)Cp 4.187(kJ / Kg )热水（70
10、） 0.668(w/ m ) 4.061104(Pa s)（3）计算热负荷 QWo=5.51041000330246945kg/hQo=Wocpoto=69454.187(80-60)=581760 kJ/h=161.6 kW循环水的流量WiQO581760 7740.7kg /hcpiti4.174 （4022）(4)计算平均温度差，并确定壳程数t1 22t2 40T1 80T2 60P t2t140 22T T80601.111R 12 0.3103T1t18060t2t140 22查表知t 0.957平均传热温差tmttm 0.95739 37.3由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同
11、时壳程流体流量较大，故取单壳程合适即Ns17（5） 初选换热器规格管内管外均为水，初选传热系数K01000W /(m ）选用25mm2.5mm（碳钢）d1 0.02m,d2 0.025m2A估Q16.16104 4.33(m2)K0tm100037.3考虑 15的面积裕度，S=1.15S=4.98(m2)估算单程管的根数7740.7qv1.8 6.88 7根n 3600994220.7850.02 1.0d1u14单程管计算，所需的传热管长度为L A估d2n4.981010(m)取管长为 2.5m 则Np 4（管程数）2.53.140.0257L 1.5mN 4728取管心距 t=1.25 d
12、0t=1.252532(mm)壳体内径 D=200mm采用弓形折流板，圆缺高度h1 0.25200 50mm折流板间距h 150mm折流板数NpL25001115h150（7 7）接管）接管壳程流体进出口接管：取接管内热水流速为 u1.0 m/s，则接管内径为d14V46945（/ 3600977.8） 0.05mu3.141.0取标准管径为 50mm。管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u1.5 m/s，则接管内径为d24581760（/ 3600994.8） 0.043m3.141.5取45mm 无缝钢管。84.24.2 核算总传热系数核算总传热系数 K K（1）计算管程对流传热系数1
13、管内循环水流速：u1qm1/(36001)4d1n27740.7/(3600994.8) 0.983m/s20.7850.02 7Re1d1u111cp110.020.983994.84 2.49107.860104Pr114.1741037.860104 5.300.6181 0.0231d1Re1Pr10.80.3 0.0230.618(2.49104)0.85.300.3 3852.1W /(m2)0.02（2）计算壳程对流传热系数2换热器中心附近管排中流体流通横截面积：d00.025A1 hD(1) 0.150.2(1) 6.56103m2t0.032热水流速：u0qm2/(36002
14、)6945/(3600977.8) 0.3m/s3A16.5610三角形排列的当量直径：4(de3223t do)4(0.03220.0252)2424 0.020mdo3.140.025Re2deu022cp220.020.3977.81460844.01610Pr222de4.1871034.061104 2.550.668Re20.552 0.36 0.36Pr21/30.14()w0.668(14608)0.552.551/30.95 3046.6W /(m2)0.029(3)确定污垢热阻 R热水污垢热阻Rd10.09103m2/W循环水污垢热阻Rd20.21103m2/W（4）总传热
15、系数由总传热系数计算传热面积K0112 Rd2bd2dd Rd122dmd11d11 970.10.00225252591054520203852.1201 2.11043046.6Q161.6103A 4.47m2K0tm970.137.3S do(L 0.1)N 3.140.0252.428 5.28m2S A5.28 4.4718.1%11%A4.47满足换热器的裕度要求4.34.3 计算压强降计算压强降(1)计算管程压强降P (P P )N Ni12spFt4由Re1 2.4910，传热管相对粗糙度/l 0.005参考图 Re双对数坐标图得 0.033流速u1 0.983m/s，1 9
16、94.8kg /m3直管中因摩擦阻力产生的压强降：l1u12.5994.80.9832P1 0.0331982.6(Pa)d120.022回弯中因摩擦阻力产生的压强降：P2 321u122994.80.9832 31441.9(Pa)210Ns1,Np 4,Ft1.4Pi (1982 1441.9)41.4 1.917104(Pa)管程流体阻力在允许范围之内（2）计算壳程压强降P0 (P1 P2)FtNs，其中：Ns1,结垢校正系数：Ft1.5管子排列方法对压强降的校正系数：F 0.5,壳程流体的摩擦系数：f0 5.0Re20.228 5.0146080.228 0.561横过管束中心线的管数
17、 ：nc1.1 n 1.128 6，折流板数：NB15按壳程流通横截面积：A0 h(D ncd0) 0.15(0.2 60.025) 0.0075m2u0qm26945 0.263m/s36002A03600977.80.0075则流体流经管束产生的压强降：P1 Ff0nc(NB1)u022977.80.2632 0.50.5616(151) 910.62(Pa)2流体流过折流板缺口产生的压强降：2huP2 NB(3.5)0，其中h 0.15m,D 0.2m，D2220.15977.80.2632)1014.5(Pa)则P215(3.50.22P (P P012)FtNs (910.62101
18、4.5)1.5 2887.7(Pa)壳程流体阻力在允许范围之内118 8、换热器的主要结构尺寸和计算结果表、换热器的主要结构尺寸和计算结果表附表1换热器主要结构尺寸和计算结果参数流率/（Kg/h)进（出）口温度/管程壳程7740 694522（40） 80（60）12压力/MPa定性温度/密度/Kg/m3定压比热容/kJ/(kg/)黏度/Pas热导率/W/(m)普朗特数形式壳体内径/mm管径/mm设备结管长/mm构参数管数目/根传热面积/m2管程数主要计算结果流速/（m/s）表面传热系数W/(m2）污垢热阻/(m2*/W）阻力/Pa热流量/kW传热温差/K传热系数/W/m2*裕度/%31994
19、.84.174 70 977.8 4.187物性7.861040.6185.304.0611040.6682.55壳程数台数管心距/mm管子排列固定管板式 200252500 285.28 41 125正三角形折流板数/个 15折流板间距/mm材质管程 0.9833852.1150碳钢壳程0.33046.62.11049105161.639191702887.7970.118.18 8、附图、附图( (见附页见附页) )9 9、参考文献、参考文献1王志魁、刘丽英、刘伟编化工原理M,.北京：化学工业出版社；2010.52柴诚敬等.化工原理课程设计M,.天津:天津科学技术出版社,20001313x150=1950150A05100252500?25?200列管式换热器主体设备图材料碳 钢比 例1 : 10数量1共 2 页 第 1 页制图2011.1.09审核14换热器循环水回收离心泵离心泵热水来源材料换热器工作流程图数量制图审核碳钢1比例1:10共2 页 第 2 页1516