高温热管换热器模拟设计_孙世梅
收稿日期:2002 11 23
作者简介:孙世海(1966 ),女(汉族),吉林市人,副教授,在读博士研究生,主要从事高效传热传质设备研究。
文章编号:1000 7466(2003)03 0023 04
高温热管换热器模拟设计
孙世梅,张 红,陈 丹,庄 骏
(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 210009)
摘要:采用离散型计算模型,运用有效度 传热单元数( NTU)法,通过多次迭代对高温热管换热器进行模拟计算,并进行了试验验证,结果表明,模拟计算结果和试验结果基本吻合。为高温热管换
热器的设计提供了方法,同时亦为其经济性的校核提供了依据。关 键 词:换热器;高温热管; NTU 法;模拟计算中图分类号:TQ 051 502 文献标识码:A
Simulation design of high temperature heat pipe heat exchanger
SUN Shi mei,ZHANG Hong,CHEN Dan,ZHUANG Jun (Nanjing Universi ty of Technology,Nanji ng 210009,China)
Abstract :Simulation calculation for the high temperature heat pipe heat exchanger(HTHPHE)was carried out by iteration using
a discrete calculation model and transfer uni ts ( NTU)method The reliability of the method was verified by a series of experi men ts for HTHPHE The experi mental results agree well with the theoretical si mulation calculation The results not only can use to desi gn HTHPHE,but also to deliver the approach for proofin g the economization
Key words :heat ex changer;high temperature heat pipe;
NTU method;si mulation calculation 符 号 说 明
R
热阻, /W K 总传热系数,W/(m 2 K)t 温度,
A 总传热面积,m 2
c p 比定压热容,J/(kg ) 上标:h 为热流体,c 为冷流体,j 为第j 排热管。q m
质量流量,kg/s
下标:h 为热流体或热侧,c 为冷流体或冷侧,w 为管W 热容量,W/ 壁,o 为外部,i 为内部,v 为蒸汽,p 为热管,NTU 传热单元数
1为进口,2为出口,min 为最小值。
传热有效度
近年来,随着高温热管技术的发展,高温热管换热器在工业中得到了一定的应用,并显示出广阔的前景[1]。但在实际工程应用中,由于缺乏高温热管换热器的设计经验,造成了诸如中温段和低温段前几排耐热管管子破裂、高温段后几排热管处于不工作状态或非正常工作状态以及设备庞大、制造成本昂贵等问题。为提高高温热管换热器设计的合理性和经济性,加快高温热管换热器的工业化进程,采用离散型计算模型,运用有效度 传热单元数( NTU)
法,建立了高温热管换热器内温度场和流场的计算模型,并通过试验验证了模拟计算模型的准确性。
1 模拟计算数学模型
假设热管换热器沿流动方向分成N 段,每一段由1排性能相同的热管组成。第j 排热管传热模型见图1。
整个数学模型的建立采用分步考虑的方法,首先把热管换热器内的热管视为高效传热元件,认为其在任何工作温度下传热能力无限大。然后再考虑
第32卷 第3期2003年5月
石 油 化 工 设 备PETRO C HE MICAL EQUIPME NT
Vol 32 No 3
M ay 2003
热管本身的诸如传热极限和工作温度范围等特性。
图1 热管换热器传热模型
已知冷、热流体的进口温度和流量,给冷流体的出口温度赋1个假定值,应用热管换热器的离散型计算模型,运用有效度 传热单元数法对高温热管换热器进行逐排计算。冷、热流体流过1排热管前后,其物性变化不大,可认为冷、热流体在流过1排热管前后的物性恒定。根据热量平衡可得:
c h j p q h m (t h j 1-t h j 2)=c c j p q c m (t c j 2-t c j
1)
(1)根据传热方程可得:
W j m i n =
min(
W j h ,
W j c )
(2)NTU j =K j A j /W j min (3)R j c =
W j min 2
W j h W j c
(4) j
=1-exp -NTU j (1-R j
c )1-R j c e xp -NTU j (1-R j
c )
(5)
如果W j h j =(t h j 1-t h j 2)/(t h j 1-t c j 1) (6) 如果W j h >W j c ,则: j =(t c j 2-t c j 1)/(t h j 1-t c j 1) (7) 联立上面几式可以得到冷、热流体流经第j +1 排热管时热流体的进口温度t h(j + 1) 1和冷流体的出 口温度t c (j +1)2。 如果W j h t c(j +1) 2=t c j 1= t c j 2-R j c j t h j 1 1-R j c j (8)t h(j +1) 1=t h j 2=t h j 1- j (t h j 1-t c j 1)(9) 如果W j h >W j c ,则: t c(j +1) 2= t c j 1 =t c j 2- j t h j 1 1- j (10)t h(j + 1)1 =t h j 2=t h j 1-c c j p q c m (t c j 2-t c j 1)c h j p q h m (11) 依次逐排计算,直至得到冷流体相对于整台高温热管换热器的进口温度值。考虑热管本身的一些特性,将由模型第一部分计算得到的冷流体出口温 度值作为第二部分计算时冷流体出口温度的初始假定值,然后利用热量平衡原理和传热方程计算得到 冷、热流体流经第j 排热管时热流体的出口温度t h j 2 和冷流体的进口温度t c j 1,最后由热管传热热阻模型 得第j 排热管管内蒸汽温度[2]。 t j v = R j h +R j wh +R j hi R j p t c j 1+t c j 2 2i i + R j ci +R j wc +R j c R j p t h j 1+t h j 2 2i i (12) 根据由式(12)计算得到的热管管内蒸汽温度,结合第j 排热管管内所充装的工质种类判断第j 排热管是否处于正常工作温度范围。为了便于计算, 用VB 编译了1个高温热管换热器模拟计算程序。2 试验研究 2 1 试验装置 本试验主要是测试高温热管换热器在一定工况下的温度场和流场分布,与高温热管换热器模拟计算结果进行比较,来验证文中所提出的模拟计算算法的可靠性。 试验装置见图2。利用燃油控制器QYC 调节烟气的进口温度和流量,利用8 09No 6 3型鼓风机的配套风门调节空气流量,用CL Y 型毕托管和孔板流量计测量烟气出口处的工质流速,用ZRQF J 型智能风速仪测量空气进口流速。用BY 型U 形压力计测量空气和烟气流过高温热管换热器各温度段的压力降。用热电偶测量烟气进口温度T 1、出口温度T 2、空气出口温度T 3、进口温度T 4、孔板流量计测 试处烟气温度T 5、空气侧部分热管管壁温度、空气在所布测试点处温度、烟气在所布测试点处温度、高温热管换热器各温度段相邻区域的烟气和空气温度。各种热电偶通过补偿导线和接线柱引接到惠普测温仪,将惠普测温仪和计算机串接,通过计算机来存储记录试验数据。 图2 高温热管换热器综合性能试验装置 为了尽量避免热损失,整个高温热管换热器和进出口管道用耐火砖、保温石棉和硅酸盐保温,所有的热电偶线用玻璃纤维或瓷管绝缘。为了降低热空气的排空温度,热空气经管壳式换热器冷却后排空。用引风机将烟气排空。2 2 试验结果分析 2种工况下高温热管换热器内温度场和流场分布、试验结果及模拟计算结果的比较见图3~图4。 24 石 油 化 工 设 备 2003年 第32卷 图3 不同工况下换热器内空气温度试验值与计算值 图4 不同工况下换热器内烟气温度试验值与计算值 在中温段,大部分曲线斜率比低温段空气出口处的斜率要小,并且从低温段进入中温段后曲线斜率陡然降低,说明中温段部分热管的传热能力受到热管传热极限的制约。利用各种传输限的计算公式进行理论计算,发现汞热管传热性能差主要是受到携带限的制约而引起的[3]。这一点可以通过改善汞热管管内结构加以克服,但具体结果还有待对汞热管单管性能的进一步研究才能确定。在低温段,温度曲线斜率的变化主要是由冷、热流体间温差变化所引起的,而非水热虹吸管受到传热极限的制约。在高温段,计算值出现平行于横轴的线段,是因为该区域钠热管管内蒸汽温度计算值低于钠热管启动温度值,因此理论上可认为处于此状态下的钠热管传热能力为0。同样,在高温段其它地方曲线斜率呈抛物线型的变化,也说明高温段还存在部分传热能力受到传热极限制约的热管。2 3 误差分析 由图3可以看出,空气温度的试验值和计算值间偏差较大。可能是测量空气温度的镍铬 镍硅热电偶丝的偶头在空气的吹动下接触了翅片表面,而 导致试验所测得的空气温度值实际为翅片表面某处的温度值。为了判断分析是否正确,根据翅片的一维稳态导热模型,计算得到在试验工况下,中低温段翅片根部和端部的温差处于0~7 。这说明中低温段冷侧翅片表面温度近似均匀分布,可选用空气侧翅片根部温度,即空气侧热管管壁温度和空气温度的试验值进行比较。通过比较看出,两者非常接近,偏差在0~15 。证实了上面分析的正确性,也反映了模拟计算结果的可靠性。 图4中试验值与计算值吻合较好,两者偏差在0~20 。试验值较计算值偏高可能与试验中各物理量的测量误差和相关理论计算公式的精确性有关。由图中曲线走势看出,在中低温段和高中温段交界处烟气温度变化异常。这可能与此处焊缝不严,而使设备在运行过程中吸入了一定量冷空气有关。3 结语 (1)按照普通热管换热器设计计算程序设计制造的高温热管换热器存在许多不合理之处,如各段管排数远超过了实际所需的管排数,没有避免传热极限对热管传热能力的约束,无法保证充装不同工质的热管处于合理的工作温度范围等。为有效发挥高温热管换热器的优越性,保证其长期安全运行,对高温热管换热器进行模拟优化研究是非常必要的。 (2)对试验值和计算值的分析比较表明,文中所 25 第3期 孙世梅,等:高温热管换热器模拟设计 建立的高温热管换热器模拟计算模型能够较好地预测高温热管换热器在一定工况下冷、热流体沿换热器长度方向的温度分布。试验结果验证了所提出的高温热管换热器模拟计算模型的可靠性,为今后高温热管换热器的理论研究和推广应用奠定了一定基础。 参考文献: [1] 庄 骏,张 红 热管技术及其工程应用[M ] 北京:化学工业 出版社,2000 [2] Lee Y,Bedros sian A The characteris tics of heat e xchangers usi ng heat pipes or thermosyphons[J] Int J Heat Trans fer,1978,21:221 229 [3] Rice G,Fulford D Infl uence of fi ne mesh screen on entrainment in heat pipes [A ] Proc 6th Int Heat Pipe Conf [C ] Grenoble,France:1988 243 247 (张编) 收稿日期:2002 11 28 作者简介:马景槐(1952 ),男(汉族),江苏镇江人,副教授,硕士,从事力学教学与研究工作。 文章编号:1000 7466(2003)03 0026 05 线性强化材料厚壁圆筒统一自增强分析 马景槐 (江苏技术师范学院,江苏常州 213001) 摘要:运用统一强度理论对承受内压且拉压屈服强度不同的线性强化材料的厚壁圆筒进行了自增强分析,得到了适用于多种材料的厚壁圆筒弹性区与塑性区中的应力分布、残余应力分布及合成 应力分布的统一解析式,并根据厚壁圆筒的安定性条件和合成应力分布分析得出了最佳弹塑性半径和最佳自增强内压的统一解析解。运用统一强度理论可以给出符合多种材料特性的合理解。关 键 词:高压容器;厚壁圆筒;统一强度理论;自增强中图分类号:TQ 052 402 文献标识码:A Autofrettage analysis of thick wall cylinder of linear strength material based on the unified strength theory MA Jing huai (Departmen t of Mechanical Engineering,Jiangsu Teachers College of Technology,Changzhou 213001,China) Abstract :The autofrettage research of thick walled cylinder of strength material with different yield strength in tension and com pression based on unified strength theory has been made The analytic expression of stress distribution,residual stress distribution and compound stress dis tribution have been obtained by the analysis,from which a set of solu tions can be obtained based on differ ent strength theories from the Mohr strength theory to the twin shear strength theory The optimum elas to plastic radius and optimum autofrettage pressure have been obtained by the analysis The results in the reference are only the special solution By using the uni fied strength theory,more proper solu tion abou t different materials can be derived Key words :high pressure vessel;thick walled cylinder;unified strength theory;autofrettage 在石油化工、机械和军工等行业的设备制造及使用中,常采用自增强技术改善其在工作压力下的实际应力分布,提高弹性承载能力和疲劳寿命。高 压和超高压容器中常用的高强度钢等材料的拉压性能有一定的差异,文献[1,2]说明有一大类金属材料 的拉压性能明显不同,文献[3]表明韧性金属材料的拉伸与压缩屈服极限之比是0 77~1,脆性金属材料的拉压比是0 33~0 77。近年来,考虑材料拉压性能不同的强度分析受到许多学者的重视[4~6]。自增强处理中的核心问题是合理确定最佳弹塑性半径 第32卷 第3期2003年5月 石 油 化 工 设 备PETRO C HE MICAL EQUIPME NT Vol 32 No 3 M ay 2003 管壳式换热器的工艺设计 芮胜波李峥王克立李彩艳 兖矿鲁南化肥厂 芮胜波：（1974-），山东枣庄人，工程师，工程硕士，从事煤化工项目研发及建设工作。第一作者联系方式：山东滕州木石兖矿鲁南化肥厂项目办（277527），电话：0632-2363395 摘要：管壳式换热器在各种换热器中应用最为广泛，为了使换热器既能满足工艺过程的要求，又能从结构、维修、造价等方面比较合理，在设计中要从各个方面综合考虑。本文着重从换热器程数的选择以及如何降低换热器的压力降方面进行了比较详细的论述，对于换热器的工艺设计起到一定的指导作用。 关键词：管壳式换热器，程数，压降 在化工、石油、动力、制冷以及食品等行业中，换热器都属于非常重要的工艺设备，占有举足轻重的地位。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强，特别是换热器的设计必须满足各种特殊工况和苛刻操作条件的要求。大致说来，随着换热器在生产中的地位和作用不同，对它的要求也不同，但都必须满足下列一些基本要求：首先是满足工艺过程的要求；其次，要求在工作压力下具有一定的强度，但结构又要求简单、紧凑，便于安装和维修；第三，造价要低，但运行却又要求安全可靠。 许多新型换热器的出现，大大提高了换热器的传热效率。比如板式换热器和螺旋板式换热器具有传热效果好、结构紧凑等优点，在温度不太高和压力不太大的情况下，应用比较有利；板翅式换热器是一种轻巧、紧凑、高效换热器，广泛应用于石油化工、天然气液化、气体分离等部门中；此外，空气冷却器以空气为冷却剂在翅片管外流过，用以冷却或冷凝管内通过的流体，尤其适用于缺水地区，由于管外装置了翅片，既增强了管外流体的湍流程度，又增大了传热面积，这样，可以减少两边对流传热系数过于悬殊的影响，从而提高换热器的传热效能。 尽管各种各样的新型换热器以其特有的优势在不同领域得以应用，但管壳式换热器仍然在各种换热器中占有很大的比重，虽然它在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不占优势，但它具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在工程中仍得到普遍使用。 目前我们在各种工程中应用最多的换热器就是管壳式换热器，其中又以固定管板式为最常见，除了波纹管换热器等可选用标准系列产品外，其它光管换热器都由工艺专业自行设计，尽管专用计算软件HTFS的应用使设计人员从繁琐的手工设计计算中解脱出来，但是为了使设计出来的换热器能更好的满足各种要求，仍然有许多方面需要在设计时充分加以考虑。 首先，程数的选择。 管程程数的选择：关键要比较管程与壳程的给热系数，如果单管程时管程流体的给热系数小于壳程流体给热系数，则可选用双管程，管程给热系数会因此显著增大，并且总传热系数也会有大幅提高。例如，有一台单管程换热器，管程给热系数为990W/(m2.℃), 壳程给热系数为5010 W/(m2.℃),总传热系数为794 W/(m2.℃)，在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后，管程给热系数变为1680 W/(m2.℃)，增大了70%，，总传热系数变为1176 W/(m2.℃)，增大了48%，显然此时选用双管程换热器有利。反之，如果单管程时管程的给热系数大于壳程给热系数，虽然改用双管程时，管程给热系数也会显著增大，但是总传热系数则增幅不明显，例如，一单管程换热器，管程给热系数为2276 W/(m2.℃), 壳程给热系数为2104 W/(m2.℃),总传热系数为1040 W/(m2.℃)，在换热器的外形尺寸保持不变的情况下 管壳式换热器工艺设计说明书 1.设计方案简介 1.1工艺流程概述 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图1，苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行交换，苯从80℃被冷却至55℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。 图1 工艺流程草图 1.2选择列管式换热器的类型 列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛 的传热设备。其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料围广，操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。如下图所示。 1.2.1列管式换热器的分类 根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种： ⑴固定管板式换热器 固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。 固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。 固定板式换热器 ⑵浮头式换热器 浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体移动，因 而管、壳间不产生温差应力。管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。 浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。 ⑶填料函式换热器 填料函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。但壳程介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。 ⑷U形管式换热器 U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，层管子损坏后不易更换。 U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计(论文)外文资料翻译 原文题目：Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers 原文来源：Chemical Engineering Progress February 1998 文章译名：管壳式换热器的优化设计 姓名：xxx 学号：62021703xx 指导教师(职称)：王成刚（副教授） 专业：过程装备与控制工程 班级：03班 所在学院：机电学部 管壳式换热器的优化设计 为了充分利用换热器设计软件，我们需要了解管壳式换热器的分类、换热器组件、换热管布局、挡板、压降和平均温差。 管壳式换热器的热设计是通过复杂的计算机软件完成的。然而，为了有效使用该软件，需要很好地了解换热器设计的基本原则。 本文介绍了传热设计的基础，涵盖的主题有：管壳式换热器组件、管壳式换热器的结构和使用范围、传热设计所需的数据、管程设计、壳程设计、换热管布局、挡板、壳程压降和平均温差。关于换热器管程和壳程的热传导和压力降的基本方程已众所周知。在这里，我们将专注于换热器优化设计中的相关应用。后续文章是关于管壳式换热器设计的前沿课题，例如管程和壳程流体的分配、多壳程的使用、重复设计以及浪费等预计将在下一期介绍。 管壳式换热器组件 至关重要的是，设计者对管壳式换热器功能有良好的工作特性的认知，以及它们如何影响换热设计。管壳式换热器的主要组成部分有：壳体 封头 换热管 管箱 管箱盖 管板 折流板 接管 其他组成部分包括拉杆和定距管、隔板、防冲挡板、纵向挡板、密封圈、支座和地基等。 管式换热器制造商协会标准详细介绍了这些不同的组成部分。 管壳式换热器可分为三个部分：前端封头、壳体和后端封头。图1举例了各种结构可能的命名。换热器用字母编码描述三个部分，例如，BFL 型换热器有一个阀盖，双通的有纵向挡板的壳程和固定的管程后端封头。根据结构 河南理工大学课程设计管壳式换热器设计 学院：机械与动力工程学院 专业：热能与动力工程专业 班级：11-02班 学号： 姓名： 指导老师： 小组成员： 目录 第一章设计任务书 (2) 第二章管壳式换热器简介 (3) 第三章设计方法及设计步骤 (5) 第四章工艺计算 (6) 4.1 物性参数的确定 (6) 4.2核算换热器传热面积 (7) 4.2.1传热量及平均温差 (7) 4.2.2估算传热面积 (9) 第五章管壳式换热器结构计算 (11) 5.1换热管计算及排布方式 (11) 5.2壳体内径的估算 (13) 5.3进出口连接管直径的计算 (14) 5.4折流板 (14) 第六章换热系数的计算 (20) 6.1管程换热系数 (20) 6.2 壳程换热系数 (20) 第七章需用传热面积 (23) 第八章流动阻力计算 (25) 8.1 管程阻力计算 (25) 8.2 壳程阻力计算 (26) 总结 (28) 第一章设计任务书 煤油冷却的管壳式换热器设计：设计用冷却水将煤油由140℃冷却冷却到40℃的管壳式换热器，其处理能力为10t/h，且允许压强降不大于100kPa。 设计任务及操作条件 1、设备形式：管壳式换热器 2、操作条件 （1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃ （2）冷却水介质：入口温度26℃，出口温度40℃ 第二章管壳式换热器简介 管壳式换热器是在石油化工行业中应用最广泛的换热器。纵然各种板式换热器的竞争力不断上升，管壳式换热器依然在换热器市场中占主导地位。目前各国为提高这类换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻的工艺条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发以及向着高温、高压、大型化方向发展所作的结构改进。 强化传热的主要途径有提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差等方式，其中提高传热系数是强化传热的重点，主要是通过强化管程传热和壳程传热两个方面得以实现。目前，管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管表面制成多孔状，使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高总传热系数并增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积。 管壳式热交换器（又称列管式热交换器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量交换。 在传热面比较大的管壳式热交换器中，管子根数很多，从而壳体直径比较大，以致它的壳程流通截面大。这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使热交换器的管外空间成为多程。而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。 管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型热交换器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施， 管壳式换热器简介及分类 概述 换热器是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。在工业生产中，换热器的主要作用是使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要。换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空以及其他许多工艺部门广泛使用的一种通用设备。在华工厂中，换热器的投资约占总投资的10%-20%；在炼油厂中该项投资约占总投资的35%-40%。 目前，在换热器中，应用最多的是管壳式换热器，他是工业过程热量传递中应用最为广泛的一种换热器。虽然管壳式换热器在结构紧凑型、传热强度和单位传热面的金属消耗量无法与板式或者是板翅式等紧凑换热器相比，但管壳式换热器适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，清洗方便，处理量大，工作可靠，长期以来人们已在其设计和加工方面积累了许多经验，建立了一整套程序，人么可以容易的查找到其他可靠设计及制造标准，而且方便的使用众多材料制造，设计成各种尺寸及形式，管壳式换热器往往成为人们的首选。 近年来，由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素，传热强化技术和换热器的现代研究、设计方法获得了飞速发展，设计人员已经开发出了多种新型换热器，以满足各行各业的需求。如为了适应加氢装置的高温高压工艺条件，螺纹锁紧环换热器、Ω密封环换热器、金属垫圈式换热器技术获得了快速发展，并在乙烯裂解、合成氨、聚合和天然气工业中大量应用，可达到承压35Mpa、承温700℃的工艺要求；为了回收石化、原子能、航天、化肥等领域使用燃气、合成气、烟气等所产生的大量余热，产生了各种结构和用途的废热锅炉，为了解决换热器日益大型化所带来的换热器尺度增大，震动破坏等问题，纵流壳程换热器得到飞速的发展和应用；纵流壳程换热器不仅提高了传热效果，也有效的克服了由于管束震动引起的换热器破坏现象。另外，各种新结构的换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器等也大量涌现。 管壳式换热器按照不同形式的分类 工业换热器通常按以下诸方面来分类：结构、传热过程、传热面的紧凑程度、所用材料、 空气压缩热利用热管换热器的设计计算 杨宝莹 摘 要： 热管技术以其独特的技术在很多领域得到了广泛的应用，在压缩热领域热管技术也逐渐受到重视，除了理论研究热管技术在压缩热领域的应用外，设计出合适的换热设备对热管在压缩热领域的应用也及其重要。热管换热器的计算内容主要有热力计算和校核计算。其中热力设计计算大致可分为常规计算法，离散计算法和定壁温计算法。空气压缩热利用热管换热器一般为气－气型换热器，文章主要针对气－气型热管换热器的常规计算法进行介绍，并给出了一个具体实例的计算结果，以进一步促进热管换热器在空气压缩热利用领域的应用研究。 关键词： 热管 压缩热 热力计算 1 引言[1][2][4] 热管换热技术因其卓越的换热能力及其它换热设备所不具有的独特换热技术在航空，化工，石油，建材，轻纺，冶金，动力工程，电子电器工程，太阳能等领域已有很广泛的应用，空气压缩热利用领域冷热流体温差小，因此热管技术也逐渐受到重视。根据实际需要设计出合理的热管换热器对于空气压缩热利用领域来说也极为重要。 同常规换热器计算一样，热管换热器的计算内容主要有两部分：热管换热器的热力计算和校核计算。在这里主要对热管换热器的热力计算做个介绍。热管换热器的热力设计计算目前大致可分为三类：常规计算法，离散计算法，定壁温计算法。常规计算法将整个热管换热器看成一块热阻很小的间壁，然后采用常规间壁式换热器的设计方法进行计算。离散计算法认为热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续进行的，而是通过若干热管进行传递，呈阶梯式变化，不是连续的。定壁温计算法是针对热管换热器在运行中易产生露点腐蚀和积灰而提出的，计算时将热管换热器的每排热管的壁温都控制在烟气露点温度之上。从而避免露点腐蚀及因结露而形成的灰堵。 压缩热利用系统要处理的对象压缩机排气或吸干机排气，都属于气态介质，因此空气压缩热利用热管换热设备为气－气热管换热器。本文将对空气压缩热利用气－气热管换热器的常规计算法的热力计算做个简要介绍，文中的一次空气是压缩机排气，二次空气是吸干机排气。 2 热管换热器的设计计算[3][4] 2.1已知设计参数 一次空气质量流量M h , 进出口温度T 1,T 11，二次空气质量流量M c , 进出口温度T 2,T 21。一般六个已知量中，只要给定5个即可，另一个参数可由热平衡方程算出，如需要，还需给出一、二次空气的允许压降，二次空气出口温度未知时的计算过程为： ①一次空气定性温度 T h = 2 ' 11T T + (1) 查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度h p C 导热系数h λ粘度h μ 普兰德数h r P ②一次空气放出热量)(' 11T T C M Q h p h h -= (2) %物性参数 % 有机液体取69度 p1=997; cp1=2220; mu1=0.0006; num1=0.16; % 水取30度 p2=995.7; mu2=0.0008; cp2=4174; num2=0.62; %操作参数 % 有机物 qm1=18;%-----------有机物流量-------------- dt1=78; dt2=60; % 水 t1=23; t2=37;%----------自选----------- %系标准选择 dd=0.4;%内径 ntc=15;%中心排管数 dn=2;%管程数 n=164;%管数 dd0=0.002;%管粗 d0=0.019;%管外径 l=0.025;%管心距 dl=3;%换热管长度 s=0.0145;%管程流通面积 da=28.4;%换热面积 fie=0.98;%温差修正系数----------根据R和P查表------------ B=0.4;%挡板间距-----------------自选-------------- %预选计算 dq=qm1*cp1*(dt1-dt2); dtm=((dt1-t2)-(dt2-t1))/(log((dt1-t2)/(dt2-t1))); R=(dt1-dt2)/(t2-t1); P=(t2-t1)/(dt1-t1); %管程流速 qm2=dq/cp2/(t2-t1); ui=qm2/(s*p2); %管程给热系数计算 rei=(d0-2*dd0)*ui*p2/mu2; pri=cp2*mu2/num2; ai=0.023*(num2/(d0-2*dd0))*rei^0.8*pri^0.4; %管壳给热系数计算 %采用正三角形排列 Apie=B*dd*(1-d0/l);%最大截流面积 u0=qm1/p1/Apie; de=4*(sqrt(3)/2*l^2-pi/4*d0^2)/(pi*d0);%当量直径 re0=de*u0*p1/mu1; pr0=cp1*mu1/num1; if re0>=2000 a0=0.36*re0^0.55*pr0^(1/3)*0.95*num1/de; else a0=0.5*re0^0.507*pr0^(1/3)*0.95*num1/de; end %K计算 K=1/(1/ai*d0/(d0-2*dd0)+1/a0+2.6*10^(-5)+3.4*10^-5+dd0/45.4); %A Aj=dq/(K*dtm*fie); disp('K=') disp(K); disp('A/A计='); disp(da/Aj); %计算管程压降 ed=0.00001/(d0-2*dd0); num=0.008; err=100; for i=0:5000 err=1/sqrt(num)-1.74+2*log(2*ed+18.7/(rei*sqrt(num)))/log(10); berr=err/(1/sqrt(num)); if berr<0.01 break; else num=num+num*0.01; 管壳式换热器的设计要点 换热器的设计过程包括计算换热面积和选型两个方面。有关换热器的选型问题，前面已经讲过了，下面主要介绍管壳式换热器的设计要点及如何分析计算结果、调整计算，而设计出满足工艺需要的、传热效率高的换热器。 11.1设计计算的基本模型及换热器的性能参数 换热器的性能主要是通过下列公式来描述的。 a.冷、热两流体间热量平衡 Qreq=(WCpΔT)hot=(WCpΔT)cold W--流体质量流量 Cp--流体的比热 hot--热流体 cold--冷流体 ΔT--进出口温度差 b.传热率方程 Qact=(A)(ΔTm)(1/ΣR) ΣR=(1/hi)o+(1/ho)o+(Rf)o+(Rw)o ΣR--总热阻 A--传热面 hi、ho--分别为两流体的传热膜系数 Rf--两流体的污垢热阻 Rw--金属壁面热阻 ΔTm--平均温度差 O--通常换热计算以换热管外表面为基准 c. 传热率的估算 Qact≥Qreq d. 对压力降的限制条件 (ΔPi)act≤(ΔPi)allow (ΔPo)act≤(ΔPo)allow ΔP--压力降 下标i表示管内 下标o表示管外 11.2 换热器的计算类型 换热器的计算类型常分为设计计算和校核计算两大类。换热器计算一般需要三大类数据：结构数据、工艺数据和物性数据，其中结构数据的选择在换热器中最为重要。在管壳式换热器的设计中包含有一系列的选择问题，如壳体型式、管程数、管子类型、管长、管子排列、折流板型式、冷热流体流动通道方式等方面的选择。工艺数据包括冷、热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压降及污垢系数等。物性数据包括冷、热流体在进出口温度下的密度、比热容、粘度、导热系数、表面张力。 a.设计计算 Design 设计计算就是通过给定的工艺条件，来确定一台未知换热器的结构参数，并使其结构最优、尺寸最小。对设计计算应先确定下列基本的几何参数： 热管换热器设计计算 1确定换热器工作参数 1.1确定烟气进出口温度ti，t3，烟气流量V,空气出口温度頁，饱和蒸汽压力 Pc?对于热管式换热器，ti范圉一般在250°C?600°C之间，对于普通水- 碳钢热管的工作温度应控制在300°C以下.t2的选定要避免烟气结露形成 灰堵及低温腐蚀，一般不低于180°C.空气入口温度的.所选取的各参数值如下： 2确定换热器结构参数 2.1确定所选用的热管类型 烟气定性温度：f 宇_4沁；2沁=310比 在工程上计算时，热管的工作温度一般由烟气温度与4倍冷却介质温度的和的 半均值所得出： 烟气入口处：q =如+営=420?c+严z = 18O°C 烟气出口处：. t2+tiX4 200°C+20°Cx4 l° 5 5 C 选取钢-水重力热管.其工作介质为水.工作温度为30OC~250°C?满足要求.其相容壳体材料：铜.碳钢（内壁经化学处理）。 2.2确定热管尺寸 对于管径的选择，由音速极限确定所需的管径 d v = 1.64 Qc t J厂9必)2 根据参考文献《热管技能技术》，音速限功率参考范闱，取Qc=4kW,在 10 = 56吃启动时 p v = O.1113k^/7H3 p v = 0.165 X 105pa r = 2367.4幼/kg 因此d v = 1.64 I ! = 10.3 mm yr(p v p v)l 由携带极限确定所要求的管径 d _ I 1.78 X Qent P Ji (P L"1/4+P V~1/4)_2^(P L -Pv]1/4 根据参考文献《热管技能技术》，携带限功率参考范围，取Q ent=4kw 管内工作温度t t = 180°C时 P L = 886.9kg/m3 pv = 5.160/c^/m3 r = 20\3kJ/kg J = 431.0xl0^N/m 178x4 因此 nx20L3x(8Q6.^i/4+SA6^i/4)-2 [gX431.0xl0-4(886.9-5.160)]1/4 =13.6nun 考虑到安全因素，最后选定热管的内径为 4 = 22111111 管売厚度计算由式 Pv4 20qcr] 式中，Pv按水钢热管的许用压力28.5kg /nmr选取，由对应的许用230°C來选 取管壳最大应力乐朋=14kg/nim2,而 [ 换热器计算的设计型和操作型问题--传热过程计算 与换热器 日期:2005-12-28 18:04:55 来源:来自网络查看:[大中小] 作者：椴木杉热度： 944 在工程应用上，对换热器的计算可分为两种类型：一类是设计型计算（或称为设计计算），即根据生产要求的传热速率和工艺条件，确定其所需换热器的传热面积及其他有关尺寸，进而设计或选用换热器；另一类是操作型计算（或称为校核计算），即根据给定换热器的结构参数及冷、热流体进入换热器的初始条件，通过计算判断一个换热器是否能满足生产要求或预测生产过程中某些参数（如流体的流量、初温等）的变化对换热器传热能力的影响。两类计算所依据的基本方程都是热量衡算方程和传热速率方程，计算方法有对数平均温差（LMTD）法和传热效率-传热单元数（e-NTU）法两种。 一、设计型计算 设计型计算一般是指根据给定的换热任务，通常已知冷、热流体的流量以及冷、热流体进出口端四个温度中的任意三个。当选定换热表面几何情况及流体的流动排布型式后计算传热面积，并进一步作结构设计，或者合理地选择换热器的型号。 对于设计型计算，既可以采用对数平均温差法，也可以采用传热效率-传热单元数法，其计算一般步骤如表5-2所示。 表5-2 设计型计算的计算步骤 体进出口温度计算参数P 、R ； 4． 由计算的P 、R 值以及流动排布型式，由j-P 、R 曲线确定温度修正系数j ；5．由热量衡算方程计算传热速率Q ，由端部温度计算逆流时的对数平均温差Δtm ； 6．由传热速率方程计算传热面积 。 体进出口温度计算参数e 、CR ； 4．由计算的e 、 CR 值确定NTU 。由选定的流动排布型式查取 e-NTU 算图。可能需由e-NTU 关系反复计算 NTU ；5．计算所需的传热面积 。 例5-4 一列管式换热器中，苯在换热器的管内流动，流量为 kg/s ，由80℃冷却至30℃；冷却水在管间与苯呈逆流流动，冷却水进口温度为20℃，出口温度不超过50℃。若已知换热器的传热系数为470 W/（m2·℃），苯的平均比热为1900 J/（kg·℃）。若忽略换热器的散热损失，试分别采用对数平均温差法和传热效率-传热单元数法计算所需要的传热面积。 解 （1）对数平均温差法 由热量衡算方程，换热器的传热速率为 苯与冷却水之间的平均传热温差为 由传热速率方程，换热器的传热面积为 A = Q/KΔt m = = m 3 （2）传热效率-传热单元数法 苯侧 (m C ph ) = *1900 = 2375 W/℃ 冷却水侧 (m c C pc ) =(m h C ph )(t h1-t h2)/(t c1-t c2) =2375*(80-30)/(50-20)= W/℃ 因此， (m C p )min=(m h C ph )=2375 W/℃ 由式（5-29），可得 1．设计题目及设计参数 (1) 1.1设计题目：满液式蒸发器 (1) 1.2设计参数： (1) 2设计计算 (1) 2.1热力计算 (1) 2.1.1制冷剂的流量 (1) 2.1.2冷媒水流量 (1) 2.2传热计算 (2) 2.2.1选管 (2) 2.2.2污垢热阻确定 (2) 2.2.3管内换热系数的计算 (2) 2.2.4管外换热系数的计算 (3) 2.2.5传热系数 K计算 (3) 2.2.6传热面积和管长确定 (4) 2.3流动阻力计算 (4) 3．结构计算 (5) 3.1换热管布置设计 (5) 3.2壳体设计计算 (5) 3.3校验换热管管与管板结构合理性 (5) 3.4零部件结构尺寸设计 (6) 3.4.1管板尺寸设计 (6) 3.4.2端盖 (6) 3.4.3分程隔板 (7) 3.4.4支座 (7) 3.4.5支撑板与拉杆 (7) 3.4.6垫片的选取 (7) 3.4.7螺栓 (8) 3.4.8连接管 (9) 4．换热器总体结构讨论分析 (10) 5．设计心得体会 (10) 6．参考文献 (10) 1．设计题目及设计参数 1.1设计题目：105KW 满液式蒸发器 1.2设计参数： 蒸发器的换热量Q 0=105KW ； 给定制冷剂：R22； 蒸发温度：t 0=2℃，t k =40℃， 冷却水的进出口温度： 进口1t '=12℃; 出口1 t " =7℃。 2设计计算 2.1热力计算 2.1.1制冷剂的流量 根据资料【1】，制冷剂的lgp-h 图：P 0=0.4MPa ，h 1=405KJ/Kg ，h 2=433KJ/Kg ， P K =1.5MPa ，h 3=h 4=250KJ/Kg ，kg m 04427.0v 3 1=，kg m v 3 400078.0= 图2-1 R22的lgP-h 图 制冷剂流量s kg s kg h h Q q m 667 .0250 4051054 10=-= -= 2.1.2冷媒水流量 水的定性温度t s =（12+7）/2℃=9.5℃,根据资料【2】附录9，ρ=999.71kg/m 3 ,c p =4.192KJ/(Kg ·K) 目录 任务书 (2) 摘要 (4) 说明书正文 (5) 一、设计题目及原始数据 (5) 1.原始数据 (5) 2.设计题目 (5) 二、结构计算 (5) 三、传热计算 (7) 四、阻力计算 (8) 五、强度计算 (9) 1.冷却水水管 (9) 2.制冷剂进出口管径 (9) 3.管板 (10) 4支座 (10) 5.密封垫片 (10) 6.螺钉 (10) 6.1螺钉载荷 (10) 6.2螺钉面积 (10) 6.3螺钉的设计载荷 (10) 7.端盖 (11) 六、实习心得 (11) 七、参考文献 (12) 八、附图 广东工业大学课程设计任务书 题目名称 35KW 壳管冷凝器 学生学院 材料与能源学院 专业班级 热能与动力工程制冷xx 班 姓 名 xx 学 号 xxxx 一、课程设计的内容 设计一台如题目名称所示的换热器。给定原始参数： 1. 换热器的换热量Q= 35 kw; 2. 给定制冷剂 R22 ; 3. 制冷剂温度 t k =40℃ 4. 冷却水的进出口温度 '0132t C =" 0136t C = 二、课程设计的要求与数据 1）学生独立完成设计。 2）换热器设计要结构合理，设计计算正确。(换热器的传热计算, 换热面积计 算, 换热器的结构布置, 流体流动阻力的计算)。 3）图纸要求：图面整洁、布局合理，线条粗细分明，符号国家标准，尺寸标注规范，使用计算机绘图。 4）说明书要求： 文字要求：文字通顺，语言流畅，书写工整，层次分明，用计算机打印。 格式要求： （1）课程设计封面；（2）任务书；（3）摘要；（4）目录；（5）正文，包括设计的主要参数、热力计算、传热计算、换热器结构尺寸计算布置及阻力计算等设计过程；对所设计的换热器总体结构的讨论分析；正文数据和公式要有文献来源编号、心得体会等；（6）参考文献。 三、课程设计应完成的工作 1）按照设计计算结果，编写详细设计说明书1份； 2）绘制换热器的装配图1张，拆画关键部件零件图1～2张。 xxxxxxxxx 大学 课程设计说明书 设计题目：管壳式换热器的设计 学院、系：化学工程与工艺学院（精细化工专业）专业班级：精细2012班 学生：xxxxxxxxxxxx 指导教师：xxxxxxxxxxxxx 成绩：________________________ 2015年07 月08 目录 2015年07 月08 (1) 目录 (2) 一、课程设计题目 (5) 二、课程设计容 (5) 1．管壳式换热器的结构设计 (5) 2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核 (5) 3. 筒体水压试验应力校核 (5) 4. 鞍座的选择 (6) 5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定。 (6) 6. 编写设计说明书一份 (6) 7. 绘制1号装配图一。 (6) 三、设计条件 (6) （1）气体工作压力 (6) （2）壳、管壁温差50℃，t t ＞t s (6) （3）由工艺计算求得换热面积为105m2。 (6) （4）壳体与封头材料在低合金高强度钢中间选用，并查出其参数，接管及其他数据根据表7-15、7-16选用。 (6) （5）壳体与支座双面对接焊接，壳体焊接接头系数Φ=0.85 (6) （6）图纸：参考图7-52，注意：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。 (6) 四、基本要求 (7) 五、说明书的容 (7) 1.符号说明 (7) 2.前言 (7) 3.材料选择 (7) 4.绘制结构草图 (7) 5.壳体、封头壁厚设计 (8) 6.标准化零、部件选择及补强计算： (8) 7.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 (8) 8.主要参考资料。 (8) 空调用热管换热器的设计计算 西安工程大学 王晓杰 黄翔 武俊梅 郑久军 摘 要： 热管技术以其独特的技术在很多领域得到了广泛的应用，在空调领域热管技术也逐渐受到重视，除了理论研究热管技术在空调领域的应用外，设计出合适的换热设备对热管在空调领域的应用也及其重要。热管换热器的计算内容主要有热力计算和校核计算。其中热力设计计算大致可分为常规计算法，离散计算法和定壁温计算法。空调用热管换热器一般为气－气型换热器，文章主要针对气－气型热管换热器的常规计算法进行介绍，并给出了一个具体实例的计算结果，以进一步促进热管换热器在制冷空调领域的应用研究。 关键词： 热管 空调 热力计算 1 引言[1][2][4] 热管换热技术因其卓越的换热能力及其它换热设备所不具有的独特换热技术在航空，化工，石油，建材，轻纺，冶金，动力工程，电子电器工程，太阳能等领域已有很广泛的应用，制冷空调领域冷冷热流体温差小，因此热管技术也逐渐受到重视。根据实际需要设计出合理的热管换热器对于空调领域来说也极为重要。 同常规换热器计算一样，热管换热器的计算内容主要有两部分：热管换热器的热力计算和校核计算。在这里主要对热管换热器的热力计算做个介绍。热管换热器的热力设计计算目前大致可分为三类：常规计算法，离散计算法，定壁温计算法。常规计算法将整个热管换热器看成一块热阻很小的间壁，然后采用常规间壁式换热器的设计方法进行计算。离散计算法认为热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续进行的，而是通过若干热管进行传递，呈阶梯式变化，不是连续的。定壁温计算法是针对热管换热器在运行中易产生露点腐蚀和积灰而提出的，计算时将热管换热器的每排热管的壁温都控制在烟气露点温度之上。从而避免露点腐蚀及因结露而形成的灰堵。 空调系统要处理的对象一般为室外新风或是室内排风，都属于气态介质，因此空调用热管换热设备为气－气热管换热器。本文将对空调用气－气热管换热器的常规计算法的热力计算做个简要介绍，文中的一次空气是待处理室外新风，二次空气可以是室内排风或室外新风。 2 热管换热器的设计计算[3][4] 2.1已知设计参数 一次空气质量流量M h , 进出口温度T 1,T 1’，二次空气质量流量M c , 进出口温度T 2,T 2’。一般六个已知量中，只要给定5个即可，另一个参数可由热平衡方程算出，如需要，还需给出一、二次空气的允许压降，二次空气出口温度未知时的计算过程为： ①一次空气定性温度T h =2 ' 11T T + (1) 查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度h p C 导热系数h λ粘度h μ 普兰德数h r P ②一次空气放出热量)(' 11T T C M Q h p h h -= (2) 1. 《热工学》，《传热学》里面有计算公式和公式推导 2. 各种手册里有更为直接的工程计算方法和参数列表，比如机械类手册，热工类手册、暖通类手册，压力容器类手册。 3. 计算热管换热系数可以采用有限元方法，ansys 、abaqus 都可以，如果有流固耦合，也可以用fluent 和cfx ，甚至是基于workbench 的多物理场联合仿真。另外还有流程类仿真计算软件，如aspen 之类的，这个软件一般应用在石化领域， 计算换热器比较有优势。 热管换热器设计 一台锅炉排烟温度为160℃，要求设计一台热管换热器，用烟气余热加热进气以提高锅炉效率。已知参数：锅炉排烟量f V =189000m 3/h ，迎风面风速=f u 2.9m/s ，排烟温度=1f t 160℃，设定出口烟气温度=2f t 118℃。需要空气的流量V l =120000m 3/h ，进气温度℃251=l t ，空气风速为s m v f /9.2= 选取圆片翅片强化换热。翅片管材料选择碳钢（w C =1%）。热管参数：热管蒸发段长取l 0=3.16m ，管外径d 0=34mm ，管内径d i =29mm ，壁厚δ0=2.5mm ， 翅片高度H=12mm ，翅片厚度δ=2mm ，翅片间距mm s f 4.6=，那么翅片的节距 mm s s f f 4.8'=+=δ，每根管肋片数为n f =3160/8.4=376片。管排选用叉排布置， 迎面横向管子距离设定为m S T 115.0=，翅片管纵向距离m S S T L 115.0==。由于烟气和空气的物性很相近，取相同的蒸发器和冷凝器结构参数。 1. 总换热量计算 定性温度t fm=℃1392 118 1602 t 21 =+= +f f t 查物性得： ) /(10473.3/10931.25682.0Pr )/(0793.1/8712.02 2 6 3 K m W s m K kg kJ c m kg f f f p f ??=?==?==--λνρ，，，， 课程设计 设计题目：管壳式水-水换热器 姓名 院系 专业 年级 学号 指导教师 年月日 目录 1前言 (1) 2课程设计任务书 (2) 3课程设计说明书 (3) 3.1确定设计方案 (3) 3.1.1选择换热器的类型 (3) 3.1.2流动空间及流速的确定 (3) 3.2确定物性数据 (3) 3.3换热器热力计算 (4) 3.3.1热流量 (4) 3.3.2平均传热温度差 (4) 3.3.3循环冷却水用量 (4) 3.3.4总传热系数K (5) 3.3.4计算传热面积 (6) 3.4工艺结构尺寸 (6) 3.4.1管径和管内流速 (6) 3.4.2管程数和传热管数 (6) 3.4.3平均传热温差校正及壳程数 (7) 3.4.4传热管排列和分程方法 (7) 3.4.5壳体内径 (7) 3.4.6折流板 (8) 3.4.7接管 (8) 3.5换热器核算 (8) 3.5.1热量核算 (8) 3.5.2换热器内流体的流动阻力 (12) 3 .6换热器主要结构尺寸、计算结果 (13) 3.7换热器示意图、管子草图、折流板图 (14) 4设计总结 (15) 5参考文献 (16) 1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，例如动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预测器，电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气和煤气预热；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。在航空航天工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运行时产生的大量热量；热交换器也是不可或缺的重要部件。 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。 热管换热器设计计算 1 确定换热器工作参数 1.1 确定烟气进出口温度t 1，t 2，烟气流量V ，空气出口温度 ，饱和蒸汽压力 p c .对于热管式换热器，t 1范围一般在250C ~600C 之间，对于普通水-碳钢热管的工作温度应控制在300C 以下.t 2的选定要避免烟气结露形成 灰堵及低温腐蚀，一般不低于180C .空气入口温度 .所选取的各参数值 如下： 2 确定换热器结构参数 2.1 确定所选用的热管类型 烟气定性温度： = = 在工程上计算时，热管的工作温度一般由烟气温度与4倍冷却介质温度的和的平均值所得出： 烟气入口处： 烟气出口处： 选取钢-水重力热管，其工作介质为水，工作温度为30C ~250C ，满足要求，其相容壳体材料：铜、碳钢（内壁经化学处理）。 2.2 确定热管尺寸 对于管径的选择,由音速极限确定所需的管径 根据参考文献《热管技能技术》，音速限功率参考范围，取C Q 4kW =，在 启动时 因此 由携带极限确定所要求的管径 根据参考文献《热管技能技术》，携带限功率参考范围，取4Q ent =kw 管内工作温度 时 4431.010/N m δ-=? 因此 考虑到安全因素，最后选定热管的内径为 m m 22d i = 管壳厚度计算由式 ] [200d P S i V σ= 式中，V P 按水钢热管的许用压力228.5/kg mm 选取，由对应的许用230C 来选取管壳最大应力2MAX 14kg/mm σ=,而 2MAX 1 [] 3.5/4 kg mm σσ== 故 0.896mm 3.5 2000.022 28.5S =??= 考虑安全因素，取 1.5S mm =,管壳外径:m m 25.51222S 2d d i f =?+=+=. 通常热管外径为25~38mm 时，翅片高度选10~17mm （一般为热管外径的一半），厚度选在0.3~1.2mm 为宜，应保证翅片效率在0.8以上为好.翅片间距对干净气流取2.5~4mm ；积灰严重时取6~12mm ，并配装吹灰装置.综上所述，热管参数如下： 翅片节距：'415f f f S S mm δ=+=+= 每米热管长的翅片数：' 10001000 200/5 f f n m S === 肋化系数的计算： 每米长翅片热管翅片表面积 22 [2()]14 f f o f f f A d d d n π πδ=? ?-+???? 每米长翅片热管翅片之间光管面积 (1)r o f f A d n πδ=??-? 每米长翅片热管光管外表面积 o o A d π=? 肋化系数：22[2()]1(1) 4 f o f f f o f f f r o o d d d n d n A A A d π πδπδβπ??-+????+??-?+= = ? 22[0.5(0.050.025)0.050.001]2000.025(10.2) 8.70.025 ?-+??+?-= = TEMA规格的管壳式换热器设计原则 ——摘引自《PERRY’S CHEMICAL ENGINEER’S HANDBOOK 1999》 设计中的一般考虑 流程的选择在选择一台换热器中两种流体的流程时，会采用某些通则。管程的流体的腐蚀性较强，或是较脏、压力较高。壳程则会是高粘度流体或某种气体。当管/壳程流体中的 某一种要用到合金结构时，“碳钢壳体+合金管侧部件”比之“接触壳程流体部件全用合金+碳钢管箱”的方案要较为节省费用。 清洗管子的内部较之清洗其外部要更为容易。 假如两侧流体中有表压超过2068KPa(300 Psig)的,较为节约的结构形式是将高压流体安排在管侧。 对于给定的压降，壳侧的传热系数较管侧的要高。 换热器的停运最通常的原因是结垢、腐蚀和磨蚀。 建造规则“压力容器建造规则，第一册”也就是《ASME锅炉及压力容器规范Section VIII , Division 1》, 用作换热器的建造规则时提供了最低标准。一般此标准的最新版每3年出版发行一次。期间的修改以附录形式每半年出一次。在美国和加拿大的很多地方，遵循ASME 规则上的要求是强制性的。最初这一系列规范并不是准备用于换热器制造的。但现在已包含了固定管板式换热器中管板与壳体间焊接接头的有关规定，并且还包含了一个非强制性的有关管子－管板接头的附件。目前ASME 正在开发用于换热器的其他规则。 列管式换热器制造商协会标准, 第6版., 1978 (通常引称为TEMA 标准*), 用在除套管式换热器而外的所有管壳式换热器的应用中，对ASME规则的补充和说明。TEMA “R级”设计就是“用于石油及相关加工应用的一般性苛刻要求。按本标准制造的设备，设计目的在于在此类应用时严苛的保养和维修条件下的安全性、持久性。”TEMA “C级”设计是“用于商用及通用加工用途的一般性适度要求。”而TEMA“B级”是“用于化学加工用途” *译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到1999年第8版 3种建造标准的机械设计要求都是一样的。各TEMA级别之间的差异很小，并已由Rubin 在Hydrocarbon Process., 59, 92 (June 1980) 上做了归列。 TEMA标准所讨论的主题是：命名原则、制造公差、检验、保证、管子、壳体、折流板和支撑板，浮头、垫片、管板、管箱、管嘴、法兰连接端及紧固件、材料规范以及抗结垢问题。 API Standard 660, 4th ed., 1982*，一般炼油用途的管壳式换热器是由美国炼油协会出版的，以补充TEMA标准和ASME规范。很多从事化学和石油加工的公司都有其自己的标准以对以上各种要求作出补充。关于规范、标准和个客户的规定之间的关系已由F. L. Rubin编辑结集，由ASME 在1979年出版了(参见佩里化学工程师手册第6章关于压力容器规则的讨论)。 *译者注：这已经不是最新版的，现在已经出到2001年第6版 换热器的设计压力和设计温度通常在确定时都在预计的工作条件上又给了一个安全裕量。一般设计压力比操作中的预计最高压力或关泵时的最高压力要高大约172KPa(25 Psi)；而设计温度则通常较最高工作温度高14°C (25°F)。 管束振动随着折流板换热器被设计用于流量和压降越来越高的场合，由管子振动带来的损 标准分享网 https://www.360docs.net/doc/ac4479372.html, 免费下载管壳式换热器的工艺设计
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