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学号：课程设计题目换热器设计学院能源与动力工程学院专业能源与动力系统及自动化班级能动zy1401姓名指导教师胡甫才2013年09月13日武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书2课程设计任务书学生姓名：专业班级：能动zy1401指导教师：胡甫才工作单位：能动学院热能系题目:换热器设计初始条件：(1)空调供暖热水用量为：30t/h；(2)空调供暖用水出口水温为：60℃(3)空调供暖用水进口水温为：85℃(4)热水锅炉的进口水温为：70℃；(5)热水锅炉的出口水温为：95℃；(6)允许最大压力降：0.1MPa。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．编制设计书1份，内容包括：(1)设计依据；(2)设计原理；(3)设计步骤；(4)热力计算过程；（采用平均温差法或传热有效度_传热单元数法）(5)阻力计算过程等；(6)其它（包括密封垫片类型，框架支撑形式，流程与接管方位等）2．图纸（至少画1张图纸）：1)安装图或外形结构图（2号）；2)流体流程图（3号）；3.说明书撰写严格按照附件中的格式书写要求执行。时间安排：序号内容所用时间1熟悉设计任务书、指导书、收集资料8学时2热力和阻力计算等16学时3换热面积计算等8学时4部分结构设计计算和绘图等20学时5设计说明书整理7学时6答辩1学时合计60学时指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书3目录1.绪论.....................................................................51.1换热器概述...........................................................51.2管壳式换热器的结构和性能特点:........................................51.3换热器的研究内容及意义..............................................62.管式换热器设计原理与步骤.................................................82.1设计依据.............................................................82.2设计原理.............................................................82.3设计步骤.............................................................93.确定基本物性参数........................................................103.1初始条件：..........................................................103.2物性参数............................................................103.3初选管材............................................................113.4传热量的计算........................................................113.4.1冷量计算......................................................113.4.2壳程流量计算..................................................123.4.3平均温差的计算：..............................................123.5传热面积的计算......................................................143.6管板计算............................................................153.7折流板的计算：......................................................154.系数校核................................................................184.1传热系数校核........................................................184.1.1管程热交换系数的校核..........................................184.1.2壳侧传热系数的计算............................................194.1.3计算传热系数：................................................214.2校核换热面积........................................................214.3.2壳程压降校核..................................................235.换热器主要设计尺寸和计算结果............................................256.课程设计小结............................................................267.参考文献................................................................26武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书4摘要在现代工业生产中，套管式换热器是应用最广泛的换热器之一。其主要作用是使热量从温度较高的流体流向温度较低的流体，从而达到相应的工艺指标。本文是采取平均温差的方法设计换热器。根据经验先假设相应的传热系数以及流体在管道内的流速。然后通过选取规定的换热器对所假定的传热系数进行校核和对流体流速的修正。然后再校核其压力降是否符合设计要求，进行相应的计算和对选取换热器的修改，最后确定所需的换热器型号。关键词：套管式换热器传热系数流速压力降武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书51.绪论1.1换热器概述换热器是在现代工业生产中被广泛应用的传热设备之一。随着现代对于节能的要求的提高，换热器的种类也越来越多。而目前应用最多的两种换热器分别为套管式换热器和板式换热器。而我选择设计的为套管式的换热器。套管式换热器按结构形式可分为：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管换热器、双重管式换热器、填函式换热器和双管板换热器等多种。通常管壳式换热器的工作压力可达4兆帕，工作温度在200℃以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。一般管子直径在1800mm以下，长度在9000mm以下，在个别情况下还有其他特殊的换热器。而这次我设计的流量为30t/h，管长为6000mm，工作温度在100°C以下的2-4型换热器。1.2管壳式换热器的结构和性能特点:管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束或者螺旋管，,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程[3]。在壳体中设置有管束，管束的壁面即为传热面。管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书6固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。管壳式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。旁路渗流较小，锻件使用较少，造价低，无内漏。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。1.3换热器的研究内容及意义随着换热器广泛应用于各行业，诞生了许多新型的换热器，这使得换热器相关技术也得到不断提高，传热理论不断完善，换热器研究、设计、技术、制造等技术不断发展，换热技术的发展同时又促进了各种新型高效换热器的不断发展。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，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。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其表面处理方法，以获得粗糙的表面和扩展表面；用添加内插物的方法以增加流体本身的绕流；将传热管的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流并达到同时扩大管内外有效传热面积的目的，提高传热管的传热性能；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可增加其抗污垢能力；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积等。换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢技术，制造技术，研究手段。随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展。本课题主要研究的是固定管板式换热器，查阅换热器相关标准，分析固定管板式各部武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书7分性能影响，并进行了换热器的热工计算、结构计算。近年来，随着制造技术的进步，强化换热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，也取得了较大的经济效益。故我们在选择换热设备时一定要根据不同的工艺、工况要求选择。换热器的作用可以是以热量交换为目的。在即定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。本文的研究结果对指导换热器的规模化生产，扩大其应用领域，以在广泛范围内逐步取代进口同类材料，降低使用成本具有重要意义。武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书82.管式换热器设计原理与步骤2.1设计依据管壳式换热器分为逆流和顺流，一台好的换热器应该有良好的换热性能，科学研究或生产生活的需要，这是设计的初衷和目的。本章节主要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定顺序，故往往先根据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。2.2设计原理由于换热器四个进、出口温度及一侧流体的流量已给定，要求计算出在满足定压力降限制条件下的有效换热