管壳式换热器课程设计说明书.docx

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1、郑州大学课程设计说明书题目：纵向流管壳式换热器设计指导教师：吴金星职称：教授学生姓名：学号：专业：能源与动力工程院系：化工与能源学院完成时间：2023 年 9 月 21 日第 1 页共 13 页能源与动力工程专业课程设计课程设计任务书第 3 页共 13 页院系化工与能源学院姓名杨禹坤专业能源与动力工程学号202312232821设计题目纵向流管壳式换热器设计对应课程传热学、换热器原理与设计纵向流管壳式换热器是调整工艺介质温度、余热回收的关键设备，也是传热学、换热设计 器原理与设计课程对应的实际应用设备。作为一种通用的工艺设备，在能源、动力、制背景 冷、冶金、化工、炼油、轻工、医药等很多工业部门

2、中有广泛的应用。因此，把握纵向流管壳式换热器的设计和计算方法，不但能够稳固换热器原理与设计和传热学学问，学会设备设计、计算和绘图方法，而且对今后的工作也大有裨益。本设计是针对管壳式换热器的一种构造型式纵向流式，即壳程管束承受折流杆、螺设计 旋肋片、花瓣孔板、螺旋折流板等支撑型式，使壳程流体根本呈纵向流或螺旋流，在提参数 高换热效率的同时，减小壳程压降即流淌阻力。主要介质的参数如下：换热器管程介质：流量 2.4t/h；工作压力：常压 ；进水温度：23 ；出水温度：55 ；壳程介质：流量 4t/h；工作压力：常压 ；进水温度：90 ；出水温度：75 。1、对纵向流管壳式换热器构造型式进展初步选择；

3、2、对纵向流管壳式换热器的材料、主要构造及其参数进展初步选择；设计计算 3、纵向流管壳式换热器的传热工艺计算；内容 4、纵向流管壳式换热器的零部件构造设计；5、用AUTOCAD 绘制纵向流管壳式换热器的总装备图及零部件；6、撰写课程设计说明书。1、计算局部要求列出全部计算公式，凡消灭公式处均必需代入相应数据；设计要求 2、总装备图及零部件必需严格依据工程图的绘制方法进展绘制；3、课程设计说明书应包括设计条件、设计思路、计算过程、构造设计方法等具体内容。书写 1、封面：题目、姓名、时间、指导教师姓名；格式 2、正文：设计条件、设计思路、计算过程及结果、构造设计方法等具体内容；要求 3、参考文献。

4、1 林宗虎，汪军强化传热技术北京：化学工业出版社，2023参考 2 吴金星，曹海亮等.高效换热器及其节能应用，北京：化学工业出版社，2023文献 3 钱颂文.换热器设计手册，北京：化学工业出版社，2023备注 通过课程设计培育大家对换热器和传热学的根本原理的实际应用，重点熬炼计算机绘图力量，以及将设计过程用文字的表达力量等。课程设计说明书1. 换热器传热工艺计算1.1 参数的初步选择换热器管程介质：流量 2.4t/h；工作压力：常压 ；进水温度：23 ；出水温度：55 ；壳程介质：流量 4t/h；工作压力：常压 ；进水温度：90 ；出水温度：75 。1.2 传热系数计算计算计算内容及过程步骤计

5、算结果1. 计热负荷Q. 冷水的定性温度 t =t + t12= 23 + 55= 39 Q= c m Dt =算热0220P 00T + T75 + 90负荷热水的定性温度 T =12 =2= 82.5 2(90 - 75) 4000 4200两流体的温差 Dt = T - t = 82.5 - 39 = 43.5 3600= 70000 W水在 39下的有关物性数据密度 992.6水在 82.5下的有关物性数据密度kg / m3970.0kg / m3定压比热容4.174定压比热容4.200kJ /(kg )kJ /(kg )kJ /(kg )导 热 系 数0.633导 热 系 数0.67

6、6W /(m2 k )W /(m2 k )W /(m )运 动 粘 度6.736E-07运 动 粘 度3.560E-07m2 / sm2 / sPr粘度 pa=s4.420.6685E03Pr2.140.3478E032. 冷水用冷水用量m .mii=Qic (tpi2- t )169.567=im4.174 (55 - 23)= 0.524kg / s量两流体的温差 Dt = 43.5 50 ，不需要热补偿3. 计算平平均传热温差Dt, ，本设计承受逆流，1均传Dt热温= 35 , Dt2= 53 Dt= 43.4m1差Dt= Dtm- DtDt24. 总传热系数k5. 估ln Dt12选取

7、阅历传热系数依据管程走冷水，壳程走热水， 假定总传热系数K=453W /(m2 )Q70000K=453W /(m2 )S1 = 1.2 S = 3.9751.2 = 4.77估算换热面积S =算换热面= 3.975 m21K Dt, 逆 453 43.4m2积S1 = 1.2 S = 3.9751.2 = 4.77 m26. 初步选择换取管间距中心距0.025m，填充系数h = 0.7 ， 估算管板直径：GB151 图 14Dn=0.200m热器D, 1.05 t N构造h= 1.05 0.02516 = 0.125 m0.7查 GB151，得到筒体内径选用Dn=0.200m，检验 L/D

8、是否在410 之内，经检验L/D=9.13，明显满足要求。7. 壳壳程流通截面积u = 0.211m / s=程流3.14 Di 2A3.14 n d 2- i- 3.14 0.122 4h1=1845.2W/m2/k；速和1444对流- 0.009 3.14 di热阻= 0.0054m2壳程流速- 0.006 2 2 diu =Q=r A11.11970 0.0164= 0.211m / s ；Re=37767.5，h1=0.36*0.633/de*Re0.55*2.141/3=1845.2W/m2/k；8. 管程流取管径为F19 2mm ，长为 2m 的碳钢材质的管子，管子的横截面积为 0

9、.00017663m2，Re=3398能源与动力工程专业课程设计速和 管子数为n1=S1/0.00017663=39.97，这里我们取管子数为 40。对流 管程选择 2 回程，管子排布依据正三角形式排布；换热 流速为v=mi/0.00017663/20/992.6=0.153m/s；h, = 1148.8W /(m2 k )h2=845.3W /(m2 k )系数 Re=3398，在过渡流区间内；由于 2300Re1，所以换热系数的选择是合理的。管程压力降计算：Dp2= 312.91pa;程压Dp2= (DpL+ Dp )Frt N Nps+ Dpn N ;sDp= 34.67 pa;r力降D

10、l Lr 2v2Dp = 63.86 pa;lp=();核算Li d2Dp= 17.34 pa;nl = 0.3146 ;iRe0.25l= 0.041;iDp= 3( r 2v2 );r2Dp= 1.5( r 2v2 );n2由计算得：第 5 页共 13 页能源与动力工程专业课程设计Dp= 312.91pa;Dp = 34.67 pa;Dp = 63.86 pa;Dp= 17.34 pa;2rl nl= 0.041;所以管程压力降满足。i11.壳程压力降壳程压力降计算：Dp = Dp+ Dp ;Dp = 874.3 pa;1Lb2 f LVr核算Dp=Ft8;2LDDp= K nrPv2b;

11、bb b2K= j(C + C / R);b12ebf= 0.000339(Re )0.42Fp计算得：Dp = 874.3 pa;Dp = 14.4 pa;Dp= 859.86 pa;K= 0.7;b1rb所以壳程压力降满足。2. 换热器构造设计2.1 壳体依据给定的流体的进出口温度，选择设计温度为20；设计压力为 0.6Mpa。2.1.1 壳体材料的选择由于所设计的换热器属于常规容器，公称直径小于 400mm 的可用无缝钢管制作，市面上的常见的无缝钢管的材质为 20 号钢，应选择 20 号钢管为壳体的材料。20 号钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好

12、。2.1.2 圆筒壳体厚度的计算公称直径小于 400mm 的可用无缝钢管制作，选用钢管标准为：F 219*8，20 号刚。依据 GB6654 压力容器用钢板规定可知对 20 号钢其C = 0;C12= 2mm 。验证该厚度满足条件：第 6 页共 13 页C = 0;C12= 2mm名义厚度dn= d+ Cd1能源与动力工程专业课程设计+ D = 8mm 其中 为向上圆整量设计厚度d= d + C= 6 + 2 = 8mm ；d2假设材料的许用应力s = 125 Mpa厚度为 616mm 时，壳体t计算厚度d =6mm，应力s = 0.6(273 -16) = 25.7Mpa 125Mpa ，6

13、则此时厚度满足要求，故适宜。2.1.3 管板和封头的厚度计算管板承受碳钢材料的固定式管板，查取国标，螺栓承受 M20*12(参考课本 128，校核参考设计 269 DN(mm)D(mm) D1(mm) D2(mm) D3(mm) D4(mm) D5(mm) bf(mm) b(mm) d2(mm)2193352952072592071832233.14 ()管板的重量是： Q = D - D4222 n2 b+ df2 6 + D452 4 + D32 h - d12 b n1g ;封头承受椭圆形管箱，这是由于椭圆形封头的应力分布比较均匀，且其深度较半球形封头小得多， 易于冲压成型。查 JB/T

14、47462023钢制压力容器用封头可得封头的型号参数如下：表 3-1 DN219 标准椭圆形封头参数DN(mm)直边高度H1(mm)曲面高度(m)厚度(mm)封头质量21955.025.06.01.944短节局部的厚度同封头处厚度，为 6mm。此 时 选 用 标 准 椭 圆 形 封 头 ， 故 K = 1 ， 且 同 上 K = 1C = 0;C12= 2mm ，则封头计算厚度为：第 7 页共 13 页C = 0;C12= 2mm能源与动力工程专业课程设计验证许用应力：名义厚度dnh= d+ Cdh1+ D = 6mm 为向上圆整量；设计厚度d= d + C= 6mm ；dhh2sKP Dci

15、= (2.1.4 拉杆+ 0.5P ) / 2 = 17.7 125 ；故此封头适宜dch查取标准，拉杆的选用为：拉杆直径mm)数量螺纹公称直径mm)LaLbb1241215402.02.2 换热管换热管的规格为F19 2mm ，数量 40 根，长为 2m，材料选为ND 钢。2.2.1 换热管的排列方式换热管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形错列三种排列方式。各种排列方式都有其各自的特点：正三角形排列：排列紧凑，管外流体湍流程度高；正方形排列：易清洗，但给热效果较差；正方形错列：可以提高给热系数。在此，考虑换热效果，选择三角形排列，考虑流速的缘由，我们实行单壳程、两管程的设计。查

16、 GB151-1999 可知，换热管的中心距sT =25mm。2.2.2 排管排管方式正三角形排列方式，如下：第 8 页共 13 页能源与动力工程专业课程设计2.2.3 折流圈个数折流圈之间的间距一般为0.152m，由于我们的换热管取2m，所以这里折流圈的个数为： 2/0.152-1=12。2.2.4 热管与管板的连接热管与管板的连接方式有强度焊、强度胀以及胀焊并用。强度胀接主要适用于设计压力小 4.0Mpa；设计温度300；操作中无猛烈振动、无过大的温度波动及无明显应力腐蚀等场合。除了有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，强度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何场合。胀焊并用主要 用于密封性能要求

17、较高；承受振动和疲乏载荷；有缝隙腐蚀；需承受复合管板等的场合。在此，依据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊接。这是主要是由于热管两端是密封的，不能用胀接。2.3 冷热流体进出口接收与法兰2.3.1 进出口管直径管程进出口管r2 n 2 = 992.6 0.153 = 151.87取管程流量；Qm20.524则进出口流通截面积为a= 0.00345m2N 2r 2v2151.87；4N 2D=3.14 aN 2 = 0.064m进出口管道内径：；取管子为 65*5.0mm，取对应法兰标准； 壳程进出口管：第 9 页共 13 页能源与动力工程专业课程设计r1n1 = 9

18、70 0.211 = 204.67取壳程流量；Qm11.111第 10 页共 13 页则进出口流通截面积为a= 0.00543m2N1r 1v1204.67；43.14aN 1D= 0.083mN 1进出口管道内径：；取管子为 76*6.0mm，取对应法兰标准；2.3.2 接收外伸长度又称接收伸出长度，是指接收法兰面到壳体管箱壳体外壁的长度，计算公式为：l h + h1+ d +15式中， l 表示接收外伸长度；h 表示接收法兰厚度；h1 表示接收法兰螺母厚度；d 表示保温层厚度。冷水进出口伸出长度l h + h1+ d +15取 120mm。热水进出口伸出长度l h + h1+ d +15取

19、 120mm。2.3.3 接收位置的尺寸(参考课本 127在换热器设计中，为了使传热面积得以充分利用，进口接收应尽量靠近下端管板，出口在正上方。壳程接收的最小尺寸不带补强圈：L dH + (b - 4) + Cmm12其中 C 4S(S 为管箱壳体厚度，mm)且 30mm， C 4 8 = 32 ,取 32mm。76L + (32 - 4) + 32 = 98 mm12l 取 98mm。1管箱接收的最小尺寸不带补强圈：管箱接收位置的最小尺寸，可按下式进展计算：dLH + h22f+ C mm其中 C 4S(S 为管箱壳体厚度，mm)且 30mm。75L+ 32 + 32 = 101.5 mm2

20、22.4 其他部件构造设计2.4.1 排污孔及排气排液孔设计l 取 102mm。1排污孔及排气排液孔都取253mm，与筒体实行焊接的方式连接。2.4.2 鞍座设计依据国家标准JB/T4712,承受BI219 标准件。3. 换热器强度计算3.1 开孔补强计算补强判别：依据 GB150 表 8-1，允许不另行补强的最大接收外径是F89mm ，本设计的开孔外径都小于允许不另行不强的最大接收外径，因此不需要另行考虑其补强。3.2 筒体强度校核圆筒选自标准管，壁厚为 8mm，则内径为 203 mm。压力试验应力校核液压试验的试验压力由GB150-1989 式1-5确定：VP = 1.25P= 1.25

21、0.6 1 = 0.75MpaTV T,取两者中的较大值，所以取 0.75Mpa。P = P + 0.1 = 0.7MpaT设计温度下的材料许用应力，125Mpa； T试验温度下的材料许用应力，125Mpa。压力试验时，圆筒的薄膜应力按下式计算：VT = PTDi + de= 0.75 203 + 6= 13.18Mpa2dej2 6在进展液压试验时，圆筒的薄膜应力不得超过试验温度下材料屈服点的90，即112.5Mpa，所以符合要求。最大工作压力和计算应力2d V tj2 61251最大许用工作压力： PW= D e+ die= 7.1Mpa203 + 6设计温度下的圆筒筒壁计算应力按下式计算

22、：VpD + d=ie= 0.6 203 + 6 = 10.8Mpat2de2 6因此，筒体满足应力要求。3.3 管板强度校核由于管板是取自标准型的带法兰式固定管板，且能够承受肯定的压力，而本设计为常压装置，故所取管板强度符合要求。4. 换热器图纸说明图纸包括热管换热器总装图和两个零件图。五、课程设计总结通过这次课程设计，再一次生疏了换热器尤其是管壳式换热器的设计思路和方法，对换热器有了更 加深刻的生疏，同时也学习到了很多的学问。同时也系统性的回忆了传热学流体力学等相关方面的 学问，同时对设计过程的先后挨次有了更进一步的的理解；另外，在CAD 制图方面，由于很长时间没有操作，将原来以前生疏的操

23、作步骤都生疏了，经过这次的绘图，又能娴熟的操作CAD 制图软件；最终，我认为这次热管式蒸发器的设计不仅让我弥补了以前没有记住的学问，也让我学到了很多以前没 有学过的学问，总之，这次设计对我还是有很大的帮助的。参考文献：1 林宗虎，汪军强化传热技术北京：化学工业出版社，20232 吴金星，曹海亮等.高效换热器及其节能应用，北京：化学工业出版社，20233 钱颂文.换热器设计手册，北京：化学工业出版社，20234 李静芳.折流栅换热器的争论与进展.J.能源信息与争论.5 吴金星，王丹.换热器原理与设计.M.郑州大学.6 C.C.GENTRY.折流杆换热器技术. J7 朱聘冠换热器原理与计算北京：清华大学出版社，19988 胡明辅，金涛.双壳程折流杆换热器的理论、设计与工程计算.J.云南工业大学