换热器课程设计毕业设计论文.doc

换热器课程设计说明书

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目录
1.换热器课程设计任务书 1
1.1、设计题目： 1
1.2、操作条件： 1
1.3、设备型式： 1
1.4、设计要求： 1
2.热交换器设计方案的确定 1
2. 1管壳式换热器的简介 1
2.1.1工作原理 2
2.1.2分类 2
2.1.3主要技术特性： 3
2.2 试算并初选换热器规格 3
2.2.1流体流动途径的确定 3
2.2.2设备材料的选择 3
3. 换热器热力计算 3
3.1 确定物性数据 4
3.2 计算总传热系数 4
3.2.1 热流量 4
3.2.2 平均传热温差 5
3.2.3 冷却水用量 5
3.2.4 总传热系数 5
3.3 传热面积的计算 6
4 .工艺结构尺寸 6
4.1管数和传热管数 6
4.2平均传热温差校正及壳程数 7
4.3 传热管排列和分程方法 7
4.4壳体内径 7
4.5折流板数 8
4.6接管 8
5.换热器校核设计 8
5.1 热量核算 8
5.1.1壳程对流传热系数 8
5.1.2管程对流传热系数 9
5.1.3传热系数K 10
5.1.4传热面积S 10
5.2 换热器内流体的流动阻力 10
5.2.1管程流动阻力 10
5.2.2壳程阻力 11
6.设计结果汇总表 12
7.换热器示意图、管子草图、折流板 13
.参考资料 14
设计总结 15

前言
在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，成为热交换器。热交换器在工业生产中的应用极为普遍，制冷工业中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是热交换器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用热交换器的场合更是不胜枚举。根据热交换器在生产中的地位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说，对其基本要求有：
（1）满足工艺过程所提出的要求。热交换强度高，热损失少。在有利的平均温度下工作。
（2）要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠。
（3）设备紧凑。这对大型企业，航空航天、新能源开发和余热回收装置更有重要意义。
（4）保证低的流动阻力，以减少热交换器的消耗。
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.换热器课程设计任务书
1.1、设计题目：
设计一台换热器
1.2、操作条件：
1、热水：入口温度81℃，出口温度64℃。运行压强：8.5bar
2、冷却介质：水，入口温度23℃。出口温度：40℃ 运行压强：2.2bar
4、运行流量:38t/h
1.3、设备型式：
管壳式换热器
1.4、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、设计校核计算
4、设计结果概要。
5、参考文献。

2.热交换器设计方案的确定
2. 1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。
2.1.1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。
2.1.2分类
1.固定管板式换热器
结构特点：两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构的壳侧清洗困难，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，会使管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。
适用于温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。
2.浮头式换热器
结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则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当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，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。
缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖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。
适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。
3.U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。
缺点：管内清洗困难；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束内程管间距大，壳程易短路；内程管子损坏不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。
4.填料函式换热器
填料函式换热器的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。
缺点：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。
由于此次换热介质是水，易结垢，综上所述，此换热器采用浮头式换热器
2.1.3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。
2.2 试算并初选换热器规格
2.2.1流体流动途径的确定
本换热器处理的是两流体均都是水，根据两流体的情况，为了减少热量损失，影响换热条件，故选择高温水走换热器的管程，低温水水走壳程。
2.2.2设备材料的选择
一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。
碳钢： 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 不锈钢：奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
此次换热器介质是都是水，无腐蚀性，所以选用碳钢材料

3. 换热器热力计算

3.1 确定物性数据
定性温度：可取流体进口温度的平均值
管程热水的定性温度为： ℃
壳程冷却水的定性温度为： ℃
根据定性温度，查得：
热水在72.5℃下的有关物性数据如下：
密度 = 976.3kg/

定压比热容 =4.191 kJ/(kg·K)
导热系数 =0.671W/(m·K)
黏度 =0.39×10-3Pa·s
冷却水在35℃下的有关物性数据如下：
密度 =955.2kg/
定压比热容 =4.174 kJ/(kg·K)
导热系数 = 0.6265 W/(m.K)
黏度 =0.78×10-3Pa·s
3.2 计算总传热系数
3.2.1 热流量
(3-1)
=38000×4.191×(81-64)
= 2706740kJ/h
式中： ------定压比热容
mi------物体质量
ti------热水温差
3.2.2 平均传热温差
由于所以 =41℃
3.2.3 冷却水用量
Kg/h (3-2)
3.2.4 总传热系数
根据经验值取管内流速为1.5m/s

管程传热系数：
(3-3)
Pr = (3-4)
流体被冷却n=0.3

=
=7168W/(·℃)
壳程传热系数：
假设壳程的传热系数 W/(·℃)
污垢热阻 W/(·℃)

W/(·℃)

管壁的导热系数 .4 W/(·℃)

故
=
= 658/(·℃)
3.3 传热面积的计算
S′ = （） (3-5)
K------总传热系数
Qi----热流量
考虑15%的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×100.33=115.38（）

4 .工艺结构尺寸
4.1管数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
= (4-1)
=根
按单管程计算，所需的传热管长度为：
L =
=
=63.69m
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l = 9m，则该换热器的管程数为:
N=(管程)
传热管总根数为：N=23
4.2平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
R ==1
式中： TW---------热流体温降
TN---------冷流体温升
P ==1
式中： TA------温降差
TB------温升差
按单壳程，七管程结构，温度校正系数查表得： =0.93
平均传热温差 = ℃
4.3 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。取管心距 t=1.25（焊接法），则t=1.2525=31.25 mm ≈32 （mm）
横过管束中心线的管数
4.4壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：
D=1.05t
=1.0532
=509.56（mm）
圆整可取D=510mm。
4.5折流板数
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为：h=0.25510=127.5（mm）， 故可取h=130mm 。
取折流板间距B=0.3D,则 B=0.3510=153（mm），可取B为150mm 。
折流板数 N=-1=59（块）
式中： 9000---------传管管长
150----------折流板间距
折流板圆缺面水平装配。
4.6接管
壳程流体进出口接管:取接管内流速为u=1.7m/s,则接管内径为：
=0.093（m）
取标准管径为 90 mm 。
管程流体进出口接管:取接管内流速为u=5m/s,则接管内径为：
0.052（m）
取标准管径为 50 mm

5.换热器校核设计
5.1 热量核算
5.1.1壳程对流传热系数
对圆缺形折流板,可采用克恩公式：
=0.36 (5-1)

当量直径，由正三角形排列得
d===0.020（m）
壳程流通截面积：
=BD(1-)=0.150.51 (1-)=0.017（m） (5-2)
壳程流体流速及其雷诺数分别为
==0.28（m/s） (5-3)
(5-4)
(5-5)
黏度校正（）=0.95
= =15220W/( m·℃)
5.1.2管程对流传热系数
∵=
==0.00722（m）
=（m/s）

5.1.3传热系数K
(5-6)
=
=709.7W/(·℃)
5.1.4传热面积S
S =（m） (5-7)
该换热器的实际传热面积
（m）
该换热器的面积裕度为
H =
该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
5.2 换热器内流体的流动阻力
5.2.1管程流动阻力
(5-8)

由Re=74098，传热管相对粗糙度，得，流速=1.47（m/s）， kg/，所以
=Pa
= Pa
故 Pa ﹤8.2bar
管程流动阻力在允许范围之内。
5.2.2壳程阻力
(5-9)

流体流经管束的阻力 (5-10)
F=0.4（正方形错列）

Pa
流体流过折流板缺口的阻力
B=0.15m ，D=0.51 m
Pa
总阻力
Pa < 2.2bar
壳程流动阻力也比较适宜。
符号说明
英文字母
B ——折流板间距，m； N——管程数；
C ——系数，无量纲； Nu ——努塞尔特准数；
d ——管径，m； Qi ——热流量 ；kJ/h
D——换热管外壳内径，m P —— 压力，Pa；因数
f ——摩擦系数； Pr ——普兰特准数；
F ——系数； R ——热阻，(·℃) / W；
h ——圆缺高度，m； Re ——雷诺准数；
K ——总传热系数，w/ m℃； S ——传热面积，m；
L ——管长，m； t ——冷流体温度，℃；
m——程数 T ——热流体温度，℃；
N——折流板数 u ——流速，m/s；
——指数、单程管数。 W ——质量流量，kg/s；
希腊字母
——对流传热系数，w/m℃； ——有限差值；
——导热系数，w/m℃； ——密度，kg/；
μ ——粘度，Pa·s； ——校正系数。
下标
c ——冷流体； h ——热流体；
i ——管内； m ——平均；
o ——管外； s ——污垢。

6.设计结果汇总表

换热器型式： 管板式换热器
换热面积/m2 115.38
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
高温水
冷却水
操作压力bar
不大于8.5
不大于2.2
操作温度（进/出）/℃
81/64
23/40
流量/(kg/h)
38000
38194
流体密度/(kg/m3)

976.3
955.2
流速/(m/s)
1.47
0.28
传热量/kW
2706.74
总传热系数/[W/(m2·K)]
797.7
对流传热系数/[W/(m2·K)]
8572
15220
污垢热阻/[m2·K/ W]
0.000172
0.000334
阻力降/Pa
182683
17706.2
程数
7
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Ф25×2.5

管数
161

管长/mm
9000

管间距/mm
32

排列方式
正三角形

折流板型式（上下）
间距/mm 150
切口高度 25％
壳体内径/mm
510
传热面积裕度/%
12.4％
7.换热器示意图、管子草图、折流板

7-1换热器示意图

7-2折流板示意图

7-3 管子排列图

参考资料
1. 热交换器设计手册（上、下），［日］尾花英朗著，徐忠权译，石油工业出版社，1981.
2. 化工设备设计手册（1），材料与零部件(上)，《化工设备设计手册》编写组编，上海人民出版社，1973.10
3. 换热器设计手册，钱颂文主编，北京：化学工业出版社，2002.8
4. 机械设计手册
5. 热交换器原理与设计（2版），史美中主编，南京：东南大学出版社，2003.8
6. GB151-1999，《管壳式换热器》标准及其释义
7. JB/T4700-4707-2000，《压力容器法兰》
8. JB/T4746-2002，《钢制压力容器用封头》
9. HG20592~20635-2009，《钢制管法兰、垫片、紧固件》
10. GB16749-1997，《压力容器波形膨胀节》

设计总结
通过这次课程设计，我对所学的专业知识和专业相关知识有了更系统的掌握，而且我从设计中也学习到了很多新知识。现在我已经基本掌握了换热器设计的基本程序和设计构思，当然在设计中也走了不少弯路。从错误中吸取经验和教训，保证以后不再犯类似错误。经验丰富了，知识也就成熟了。随着课程设计的不断深入，我也逐渐发现自己所学的专业知识不够用，对换热器的了解并不透彻，总之有许多不足。通过这次设计，我确实提高了各方面的能力，增长了许多知识，积累了丰富的经验。我发现在设计过程中应注重学习原有的例子，将课本和参考资料用好，同时，设计应该与现实相结合，懂得变通。使自己设计的东西可以真正的达到最高的性价比，发挥最大作用。

1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制
35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制
40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
52. 单片机控制的后备式方波UPS
53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
58. 基于单片机的红外测油仪的研究
59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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