课程设计-固定管板式换热器

1、目录1 前言41.1 换热器的应用:41.2 固定式管板换热器简介:42 工艺计算52.1 设计任务书52.2 设计方案52.3确定物性数据52.4 估算传热面积62.5 工艺结构尺寸72.6 换热器核算102.6.1 热流量核算102.6.2 壁温核算122.7 换热器内流体的流动阻力122.7.1 管程阻力Pt122.7.2 壳程阻力Ps132.8 换热器的主要结构尺寸和计算结果143 换热器结构设计与强度校核163.1 壳体与管箱厚度的确定163.1.1 壳体和管箱材料的选择163.1.2 圆筒壳体厚度的计算及校核163.1.3 管箱厚度计算及校核173.2 隔板183.3接管设计193.3.1 壳程接管193.3.1 管程接管203.3.2 排液口、排气口213.4 开孔补强213.5 法兰与垫片213.5.1管箱法兰与封头法兰213.5.2 垫片223.6 管板设计233.6.1管板厚度设计233.6.2 换热管与管板连接方式243.6.3 换热管与管板连接拉脱力校核243.6.4 管板与筒体连接方式253.6.5 管板尺寸253.7接管位置确定253.7.1 壳程接管位置的

2、最小尺寸253.7.2 管程接管位置的最小尺寸263.8 管箱和封头长度及与筒体的连接方式263.9 折流板273.9.1 折流板的形式和尺寸273.9.3 折流板的布置273.10 拉杆、定距管273.10.1拉杆尺寸283.10.2 定距管283.11 防冲板293.12 旁路挡板293.13保温层293.14 鞍座293.14.1 鞍座安装尺寸293.14.2 鞍座尺寸:29总结31参考文献321 前言1.1 换热器的应用: 在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。本此设计正是要利用换热器降低油的温度，从而获取热量用以供热，洗澡等。这样不仅节约了能源，同时也合理利用了资源，带来了额外的经济价值。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加

3、强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2 固定式管板换热器简介:固定管板式换热器：其结构如图1所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。2 工艺计算2.1 设计任务书设计类型:固定管板式换热器设计基本参数:换热器的结构与布局由设计确定工作介质: 管程:油 壳程:水 质量流量:6400 Kg/h油入口温度:230 出口温度:180工作压力: 管程 0.75MPa 壳程 0.7MPa其他参数由设计计

4、算确定要求选用合适的材料、元器件和其他零部件等。2.2 设计方案(1) 水温选择：本次设计考虑到经济和设备安全问题，选择水的进口温度为常温20，出口温度为60。(2) 流程安排：由于本次设计的热流体油的温度较高,而且水的腐蚀性和结垢性高于油，所以选择油走管程,水走壳程。2.3确定物性数据 定性温度：对于一般的轻质油和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程油的定性温度为：T= (110+60)/2=205管程水的定性温度为: t=(20+60)2=40根据定性温度查取有关物性数据，得到油和水的数据分别如下：煤油在205下的物性数据为： 密度 1=686.8 Kg/m3 定压比热容 CP1=2.7436 KJ/(Kg) 热导率 1=0.135 W/(mK) 粘度 1=0.682 mPas冷却软水在40的物性数据为: 密度 2 =992.2 Kg/m3 定压比热容 Cp2=4.174 KJ/(Kg) 热导率 2=0.634 W/(mK) 粘度 2=0.653mPas2.4 估算传热面积热侧：进口温度T1=230，出口温度为T2=180流量为m1=6400Kg/h；冷侧：

5、进口温度为t1=20，出口温度为t2=60。传热计算（热负荷计算）热负荷：Q=m1CP11(T1-T2)=m2CP22(t2-t1)式中：m2,m1冷热流体的质量流量，kg/s； CP2,Cp1冷热流体的定压比热，J/(kgk)； t1, t2 冷流体的进、出口温度，k； T1,T2热流体的进、出口温度k(1) 热流量依据式Q1=m1Cp1T有Q1=m1Cp1T=64002.743650=877952 KJ/h=243.87KW(2) 平均传热温度差 先按逆流计算,依下式得：tm=t1-t2lnt1t2=210-120ln210120=160.82(3) 传热面积 由教材P59页表2-19选取K=160,则估算的传热面积为:AP=Q1Ktm=243.87103160160.82=9.48(4) 冷水用量 m2=Q1t2CP2=8779524.17440=5258.5 Kg/h2.5 工艺结构尺寸(1) 管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔碳钢传热管,取管内流速u=0.2 m/s(2) 管程数与传热管数依据下式确定换热管的单程管字数:ns=V4di2u式中 ns单程管子数 V管程流体

6、的体积流量，m3/s di传热管直径， u管内流体流速，m/sQ1=243.87KWtm=160.82AP=9.48m2=5258.5 Kg/h u=0.2 m/s则 ns=V4di2u=6400686.8236000.7850.0220.2=41.2142ns=42按单管管程计算,所需长度L=Apd0ns=9.483.140.02542=2.87 m取管长L=1500mm,则Ap=2.871.5=2 管程Ns=9.483.140.0251.5=80.581 根(3) 平均传热温差校正及壳程数R=T1-T2t2-t1=210-18060-20=1.25P=60-20230-20=0.19按单壳程、双管程结构,查得：t=0.97平均传热温差tm=ttm=0.97160.82=156.0 (4) 传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。取中心距a=1.25d0，则a=1.2525=31.2532隔板中心到离其最近的管子中心距离为：S=a2+6=322+6=22则各相邻管的管心距为 t=2S=44,管束的分程方法,一程为40根,另外一程为41根排

7、管图如下所示：（5） 壳体内径采用双管程结构，壳体内径可按正方形排列估算。取管板利用率=0.7，则壳体内径为：L=2.87 mL=1500mmAp=2Ns=81根R=1.25P=0.19t=0.97tm=156.0a=32S=22t=44=0.7D=1.05aNT=1.0532810.7=361.44按卷制壳体的进级档50100，取D=400(6) 折流板 本次设计采用单弓形折流板,却弓形折流板的圆缺高度为壳体内径的1/4,则h为h=0.25D=0.25400=100取折流板间距B=0.4D=160则折流板的数目为N=DB-1=8.378 根但是根据实际接管的位置及布局,最终根据画图所得取N=7 块2.6 换热器核算2.6.1 热流量核算1） 壳程表面传热系数a0用克恩法计算：a0=0.36deRe00.55Pr13w1.14当量直径,按三角形排列计算:de=432pt2-4do2do=4320.042-40.03220.032=0.02m 壳程流通截面积S0=BD1-d0a=0.160.41-0.0250.032=0.014壳体流速和雷诺数分别为u0=V0S0=5258.5(3600

8、992.2)0.014=0.105m/sRe=deu0=0.0200.105992.20.65310-3=3190普朗特系数查得Pr=4.31粘度校正w1,则:a0=0.360.6340.02031910.554.311310.14=1562.8 W/(K) 2)管内表面传热系数i (无相变)i=0.023idiRe0.8Prn管内流体被冷却,n=0.3管程流速和雷诺数分别为ui=ViSi=64003600686.80.7850.022812=0.204m/sRe=0.020.204686.80.68210-3=4084.8普朗特系数Pr=2.7431030.68210-30.135=13.86i=0.0230.1350.0204084.80.813.860.4=389.21W/(K) 3)污垢热阻和管壁热阻 按书上P65可取管外侧污垢热阻 R0=0.2610-3 K/W管内侧污垢热阻 Ri=1.05610-3 K/W管壁热阻,碳钢在205的条件下的热导率为w=44.19W/(mK),所以Rw=bw=0.002544.19=5.6610-5K/W4) 传热总系数KC为Kc=1d0idi+Rid0di+Rwd0dm+R0+10算得KC=182W/(K)5) 传热面积裕度传热面积AC为AC=QKtm=243.87103182160.82=8.33则该换热器的面积裕度为H=AP-ACAC=9.48-8.338.33=13.6

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