管壳式换热器课程设计任务书.

河 南 理 工 大 学 管壳式换热器课程设计

姓名 :李钦博

学号 :311204000210

学院 :机械与动力机械学院

专业 :热能与动力工程

班级 :热动 1201

指导老师 :王华

河南理工大学机械与动力工程学院能源与动力工程系 2016.3

管壳式换热器课程设计任务书 一、设计题目:

设计一台煤油冷却的换热器

二、操作条件:

1、煤油:入口温度 140℃,出口温度 40℃。

2、冷却介质:循环水,入口温度 40℃。

3、允许压强降:不大于 100kPa 。

三、设备型式:

管壳式换热器

四、处理能力:

14t/h

五、设计要求:

1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。

2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。

3、设计结果概要或设计结果一览表。

4、设备简图。(要求按比例画出主要结构及尺寸

5、对本设计的评述及有关问题的讨论。

目 录

一. 设计概述 .............................................3 1.1热量传递的概念与意 .....................................3 1.2换热器的概念及意义 .....................................5 1.3管壳式换热器的简介 ....................................5 二 . 试算并初选换热器规格 ...............................6 2.1. 流体流动途径的确定 ...................................6 2.2. 物性参数及其选型 .....................................6 2.3. 计算热负荷及冷却水流量 ...............................7

2.4. 计算两流体的平均温度差 ...............................7 2.5. 初选换热器的规格 .....................................8 三 . 工艺计算 ..........................................9 3.1. 核算总传热系数 ......................................9 3.2. 核算压强降 ..........................................11 3.3经验公式 ..............................................12 四 . 设计评述 .........................................13 参考文献 ............................................13

一 . 设计概述

1.1热量传递的概念与意义

1. 热量传递的概念

热量传递是指由于温度差引起的能量转移,简称传热。由热力学第二定律可知,

在自然界中凡是有温差存在时,热就必然从高温处传递到低温处,因此传热是自然界和 工程技术领域中极普遍的一种传递现象。

2. 化学工业与热传递的关系

化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作,多需 要进行加热和冷却,例如:化学反应通常要在一定的温度进行,为了达到并保持一定温 度,就需要向反应器输入或输出热量;又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中,都要向 这些设备输入或输出热量。此外,化工设备的保温,生产过程中热能的合理利用以及废 热的回收利用等都涉及到传热的问题,由此可见;传热过程普遍的存在于化工生产中, 且具有极其重要的作用。总之,无论是在能源,宇航,化工,动力,冶金,机械,建筑 等工业部门,还是在农业,环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。

应予指出,热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热的机理和 传热的快慢,它仅研究物质的平衡状态,确定系统由一个平衡状态变成另一个平衡状态 所需的总能量;而传热学研究能量的传递速率,因此可以认为传热学士热力学的扩展。 3. 传热的基本方式

根据载热介质的不同,热传递有三种基本方式:

(1热传导(又称导热 物体各部分之间不发生相对位移,仅借分子、原子和 自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。 热传导的条件是系统两部 分之间存在温度差。

(2热对流(简称对流 流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称 为热对流。热对流仅发生在流体中,产生原因有二:一是因流体中各处温度不同而引起 密度的差别,使流体质点产生相对位移的自然对流;二是因泵或搅拌等外力所致的质点

强制运动的强制对流。

此外,流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程,即是热由流 体传到固体表面(或反之的过程,通常称为对流传热。

(3热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射的特

点是:不仅有能量的传递,而且还有能量的转移。

1.2换热器的概念及意义

在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程需要一种传热设备。这种设备统称 为换热器。在化工生产中,为了工艺流程的需要,往往进行着各种不同的换热过程:如 加热、 冷却、 蒸发和冷凝。 换热器就是用来进行这些热传递过程的设备, 通过这种设备, 以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体,以满足工艺上的需要。它是化工 炼油,动力,原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备,对于迅速发展 的化工炼油等工业生产来说,换热器尤为重要。换热器在化工生产中,有时作为一个单 独的化工设备,有时作为某一工艺设备的组成部分,因此换热器在化工生产中应用是十 分广泛的。任何化工生产中,无论是国内还是国外,它在生产中都占有主导地位。 【表】 换热器设计要求

1.3、管壳式换热器的简介

管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括 :固定管板式换热器、 U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热

器等。 管壳式换热器由管箱、 壳体、 管束等主要元件构成。 管束是管壳式换热器的核心, 其中换热管作为导热元件,决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影 响的基本元件是折流板(或折流杆。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及 操作运行的安全可靠性。 1工作原理:

管壳式换热器和螺旋板式换热器、 板式换热器一样属于间壁式换热器, 其换热管内构成 的流体通道称为管程,换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同 温度的流体时,温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体,温度较高 的流体被冷却,温度较低的流体被加热,进而实现两流体换热工艺目的。

2主要技术特性:

一般管壳式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性: 1、耐高温高压,坚固可靠耐用;

2、制造应用历史悠久,制造工艺及操作维检技术成熟; 3、选材广泛,适用范围大。

二试算并初选换热器规格

2.1. 流体流动途径的确定

本 换 热 器 处 理 的 是 两 流 体 均 不 发 生 相 变 的 传热过程,且均不易结垢,根据 两流体的情况,故选择煤油走换热器的管程,循环水走壳程。

2.2. 确定流体的定性温度、物性数据,并选择列管换热器的型式

冷却介质为循环水,取入口温度为:30℃,出口温度为:(25+5~10℃ 煤油的定性温度 c T o m 90240

140=+=

水的定性温度:c t o m 352

30

40=+=

两流体的温差:c t T o

m m 553590=-=+

由于两流体温差不大于 60℃,故选用固定管板式列管换热器

.

查《换热器设计手册》——机械工业出版社 P265图 4-21表 4-33 可有:

=煤油 u 0.381cp =0.604mPa·s

=水 μ0.825cp =0.825mPa·s

P238图 4-15表 4-16 可有:

=煤油 cp 2.33KJ/(㎏·o C =水 Cp 4.176KJ/(㎏·o C

P274图 4-28(2液体导热系数 可有:

=煤油 λ0.128W/(m·o C 水 λ=0.613W/(m·o C

查《换热器设计手册》机械工业出版社

两流体在定性温度下的物性数据如下 :

2.3.计算热负荷和冷却水流量

h kg t t Cp Q W c /4. 15

2530(10176. 43600

322000(3 12=-⨯⨯=-=

(W

T T C W Q ph h 538

211022. 33600/ 4080(10828. 124

3001014. 1⨯=-⨯⨯⨯⨯⨯=-=

2.4.计算两流体的平均温度差

暂按单壳程、多管程进行计算,逆流时平均温度差为:

((

C t t

t t t m 07. 29 2540(3080ln 25403080ln 1

2

12=-----=∆∆∆-∆=

∆,

而 091. 025

8025301212=--=--=

T T t t P

825

3040

801221=--=--=

t t T T R

由《换热器原理》查图 4-19可得 :82. 0=Φ∆t 所以 C t t m t m 9. 2707. 2996.

0=⨯=∆Φ=∆∆,

又因为 0.96>8. 0,故可选用双壳程的列管换热器。

2.5.试算和初选换热器的规格

根据低温流体为水,高温流体为有机物有 K 值的范围:430~850W/(2

m ·o

C , 假 设 (2400/K W m C

=⋅

又因为煤油走管程且初选 mm . 219⨯Φ, L= 4.5m的列管,所以设 s m u i /9. 0=

由 i i i

n d u V 24

π

= 可求得:

单管程的管子根数: 22

1153694

283002436000.0153.140.9

4

i i

i V n u d ⨯=

==⨯⨯⨯⨯⨯根

5

2003.221028.8540027.9m Q S m K t ⨯==∆⨯

82. 3439

025. 014. 36