武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书.doc
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武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书
学号：
01211
课程设计
题目
船舶柴油机高温淡水冷却器设计
学院
能源与动力工程学院
专业
能源动力系统及自动化
班级
姓名
指导教师
2013
年
1
月
17
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
能源与动力工程学院
题目:
船舶柴油机高温淡水冷却器设计
初始条件：
（1）高温淡水进口水温为：
85℃；
（2）高温淡水出口水温为：
72℃；
（3）高温冷却淡水流量为：
58m3/h；
（4）低温淡水进口水温为：
33℃；
（5）低温淡水出口水温为：
45℃；
（6）允许最大压力降：
0.1Mpa；
（7）冷却器结构类型：
壳管式换热器或板式换热器任选其一。
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。
2．设计图纸（选做）：
1）外形结构图（2号图纸）；2）流体流程图（3号图纸）。
3.设计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
设计说明书整理
7学时
5
答辩
1学时
合计
40学时
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
船舶柴油机高温淡水冷却器被广泛的应用在油轮，液化气船，集装箱船，散货船和工程船上，在船舶的航行过程中起到重要的作用。
是提高船舶能源利用率的主要设备之一，随着国内对于工业企业提高能效、降低能耗要求的日趋迫切，传热系数高，抗结垢能力强，显著提高热能利用效率，实现小温差传热，节能降耗的高效换热器必将成为加快国内节能减排的利器之一。
本文根据设计要求，选取一台1-2型固定管板式管壳换热器，采用逆流布置，管侧走冷流体，壳侧走热流体。
采用平均温差法设计换热器，利用热平衡方程和传热方程计算传热量、传热面积。
首先，假定换热系数以及管道中流体流速，根据已知条件以及相应的国家标准设计出一台结构确定的换热器；再由设计出来的换热器计算其传热系数，并与假定的比较；然后由实际的传热系数计算出所需要的传热面积，进而校核传热系数、传热面积、管程和壳程的压力降。
学习、研究、设计换热器，能够增强对所学专业的热爱，加深对工程热力学及传热学相关知识的理解，有助于今后的理论研究。
关键词：
固定管板式换热器平均温差法压力降结构设计
主要符号表
高温淡水进口水温.
高温淡水出口水温.
高温冷却淡水流量.
低温淡水进口水温.
低温淡水出口水温.
允许最大压力降.
高温冷却淡水（壳程）的定性温度.
高温冷却淡水比热.
高温冷却淡水密度.
高温冷却淡水动力粘度.
高温冷却淡水导热系数.
高温冷却淡水普朗特数
低温淡水（管程）的定性温度.
低温淡水比热.
低温淡水密度.
低温淡水动力粘度.
低温淡水导热系数.
低温淡水普朗特数
热损失系数
传热量.
高、低温水质量流量.
逆流时对数平均温差.
温差修正系数
有效平均温差.
初选传热系数.
估算传热面积.
管程内水的流速.
管程所需流通截面.
每程管数.根
l
每根管长.
管心距.
分程隔板槽处管中心距.
平行于流向的管距.
垂直于流向的管距.
总管子数
传热面积.
管束外缘直径.
壳体内径.
管程接管直径.
管程雷诺数
管程换热系数
折流板缺口高度.
折流板间距.
折流板数目.块
折流板上管孔直径.
折流板直径.
折流板缺口面积.
错流区内管数占总管束的百分比
缺口处管子所占面积.
流体在缺口处流通面积.
流体在两折流板间错流流通截面.
壳程流通截面积.
壳程接管直径.
错流区管排数.排
每一缺口内的有效错流管排数.排
旁流通道数
旁通挡板数.对
错流面积中旁流面积所占分数
一块折流板上管子和管孔泄露面积.
折流板外缘与壳内壁之间泄露面积.
壳程雷诺数
理想管束传热因子
折流板缺口校正因子
折流板泄露校正因子
旁通校正因子
壳程传热因子
壳程质量流速.
壳侧壁面温度.
壳侧壁温下水的动力粘度.
壳程换热系数.
水垢热阻.
K
传热系数.
F
传热面积.
检验壳侧壁温.
管内摩擦因子
管侧壁温.
管侧壁温下水的动力粘度.
沿程阻力.
回弯阻力.
进出口连接管阻力.
管程总阻力.
理想管束摩擦系数
理想管束错流段阻力.
理想管束缺口处阻力.
旁路校正系数
折流板泄露校正系数
折流板间距不等的校正系数
壳程总阻力.
目录
第1章绪论 -1-
1.1换热器的概述 -1-
1.2换热器的分类 -1-
1.3固定管板式换热器简介 -2-
1.4设计前换热器的选型以及前期的准备 -2-
1.4.1换热器的选型 -2-
1.4.2壳程流体和管程流体的选取 -3-
1.4.3壳程数与管程数的选择 -3-
第2章设计计算的基本公式和设计步骤 -4-
2.1热计算的基本方程 -4-
2.1.1传热方程式 -4-
2.1.2热平衡方程式 -4-
2.1.3平均温差 -5-
2.2固定管板式热交换器的设计步骤 -5-
第3章固定管板式换热器的初步设计 -6-
3.1原始数据 -6-
3.2确定物性参数 -6-
3.2.1定性温度 -6-
3.2.2物性参数 -6-
3.3传热量及平均温差的计算 -7-
3.4传热面结构设计 -8-
3.4.1估算传热面积 -8-
3.4.2传热管束的选取 -8-
3.4.3管束布置 -9-
3.4.4拉杆的选取 -10-
3.5壳程结构设计 -10-
3.5.1初步估算壳内径 -10-
3.5.2折流板设计 -10-
第4章校核传热系数及传热面积 -12-
4.1管程换热系数计算 -12-
4.2壳程换热系数计算 -12-
4.3计算传热系数 -15-
第5章阻力计算 -17-
5.1管程流体阻力 -17-
5.2壳程阻力计算 -18-
第6章设计小结 -21-
参考文献 -22-
附录 -23-
第1章绪论
1.1换热器的概述
换热器在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。
此外，换热器也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。
在工业生产中，船舶柴油机的高温淡水冷却器，电厂热力系统中的冷水塔，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、冷凝器等都是热交换器的应用实例。
在各个生产领域中，要挖掘能源利用的潜力，做好节能减排，必须合理组织热交换过程并利用和回收余热，这往往和正确地设计与使用热交换器密不可分，本文的设计正是基于此。
1.2换热器的分类
换热器按用途可分为预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等;根据流体流动方式可分为顺流式、逆流式、错流式及混流式;根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分三大类:
混合式、蓄热式和间壁式。
混合式换热器依靠冷、热流体直接接触进行传热，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。
故凡是允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗漆与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。
蓄热式换热器内装固体填充物，用以贮蓄热量。
一般用耐火砖等彻成火格子（有时用金属波形带等）。
换热分两个阶段进行:
第一阶段，高温气体通过火格子，将热量传给火格子而蓄起来。
第二阶段，低温气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。
这两个阶段交替进行。
通常用两个蓄热器交替使用，即当高温气体进入一器时，低温气体进入另一器。
常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。
也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。
间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换，因此又称表面式换热器。
这类换热器的应用最为广泛。
间壁式换热器根据换热面的结构形式不同可分为管式换热器、板式换热器以及其他类型换热器。
1.3固定管板式换热器简介
固定管式换热器是管式换热器的一种，它主要由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成，壳侧流体与管侧流体通过管束壁面进行传热。
管束可以采用光管、螺纹管、翅片管及波节管等各种管形式，同时也可采用管内插入物等手段强化传热，并在成本较低的情况下获得传热均句，传热系数较大的效果。
壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。
进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。
为提高管外流体的传热系数，通常在壳体内安装若干挡板。
挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。
换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。
等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热系数大。
正方形排列时管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
图1-1为固定管板式换热器的结构图。
图1-1固定管板式换热器
1.4设计前换热器的选型以及前期的准备
1.4.1换热器的选型
固定管板式换热器作为管壳式换热器中应用最广泛的换热器之一，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。
故选用固定管板式换热器。
1.4.2壳程流体和管程流体的选取
由于两程流体均为液态淡水，无毒、没有腐蚀性，不用考虑粘性，对材质没有什么特殊的要求，而且淡水易清洁，其对流传热系数与流速关系较小，同时两程温差、压力相差不大。
故综合考虑下安排高温淡水通入壳程以便于被冷却，用于冷却的低温淡水则走管程。
1.4.3壳程数与管程数的选择
根据初算换热面积和管程流通截面积，选取一台1-2型固定管板式换热器。
第2章设计计算的基本公式和设计步骤
2.1热计算的基本方程
热交换器的热计算主要目的在于找到热负荷和流体的进出口温度、传热系数、传热面积以及这些量之间的关系式，其中常用的基本关系式有两个，即传热方程式和热平衡方程式。
2.1.1传热方程式
在工程中，常用的传热方程式的基本形式是
（2-1）
式中：
Q—热负荷，W；
F—传热面积，m2；
∆tm—两种流体之间的平均温度，℃。
2.1.2热平衡方程式
如果不考虑散至周围环境的热损失，则冷流体所吸收的热量就应该等于热流体所放出的热量。
这时的热平衡方程式可写为：
（2-2）
实际上任何热交换器都有散向周围环境的热损失，这时热平衡方程式就可写成：
（2-3）
式中：
M1、M2—分别为热流体与冷流体的质量流量，kg/s；
t1、t2—分别为热流体与冷流体温度，其右上角“’”代表流体的进口状态，“””代表流体的出口状态；
η—以放热量为准的对外热损失系数，通常为0.97~0.98。
2.1.3平均温差
流体在热交换器内的流动形式有顺流、逆流、混流和错流等，其中以顺流和逆流最为简单。
顺流和逆流情况下的平均温差为：
（2-4）
计算其他流动方式的平均温差时，先按顺流和逆流形式计算出平均温差，再乘以相应的修正系数即可。
2.2固定管板式热交换器的设计步骤
管壳式热交换器的一般设计步骤为：
（1）根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定热交换器的型式；
（2）确定定性温度，并查取物性数据；
（3）由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量；
（4）选择壳体和管子的材料；
（5）选定流动方式，确定流体的流动空间；
（6）求出平均温差；
（7）初选出传热系数，并初算传热面积；
（8）设计热交换的结构；
（9）管程换热计算及阻力计算；
（10）壳程换热计算；
（11）校核传热系数和传热面积；
（12）核算壁温；
（13）计算壳程阻力，使之小于允许压降；
（14）绘制正式图纸、编写材料表等。
以上一些步骤可以根据设计时的具体情况进行适当调整，对设计结果应进行分析，发现错误及时纠正，保证结果的准确。
第3章固定管板式换热器的初步设计
3.1原始数据
（1）高温淡水进口水温为：
85℃；
（2）高温淡水出口水温为：
72℃；
（3）高温冷却淡水流量为：
58m3/h；
（4）低温淡水进口水温为：
33℃；
（5）低温淡水出口水温为：
45℃；
（6）允许最大压力降：
0.1Mpa；
3.2确定物性参数
3.2.1定性温度
由于壳程和管程流体都不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
壳程高温淡水的平均温度为：
（3-1）
管程低温淡水的平均温度：
（3-2）
3.2.2物性参数
根据参考文献[2]P563附录9，得管程低温淡水和壳程高温淡水在各自的定性温度下的物性参数如表3-1。
表3-1物性参数
密度
kg/m3
定压比热容kJ/（kg·℃）
导热系数W/（m·K）
动力粘度
Pa·S
普朗特数Pr
管程低温淡水（39℃）
992.6
4.174
0.633
668.12
4.42
壳程高温淡水（78.5℃）
972.7
4.1935
0.673
362.7
2.24
3.3传热量及平均温差的计算
壳程高温冷却水的质量流量：
（3-3）
传热量：
（3-4）
由此可得管程低温淡水的质量流量：
（3-5）
式中：
ηL—以放热量为准的对外热损失系数，取0.98；
由传热学知识求得：
，
按图3-1所示计算逆流式的对数平均温差：
（3-6）
图3-1壳管式换热器逆流型温度变化图
故有效平均温差：
（3-7）
式中：
，由参数：
查图3-2得。
图3-2温差修正系数
3.4传热面结构设计
3.4.1估算传热面积
查参考文献[2]附录A得传热系数取值范围1000-2000W/m2·℃，初选传热系数=1200W/m2·℃。
估算传热面积：
（3-8）
3.4.2传热管束的选取
传热管束根据管侧冷流体的流量及管内流速来确定。
流速是换热器设计的重要参数，提高流速可以提高传热系数（减少传热面积）；减少在管子表面生成污垢的可能性，但同时压力降和功耗也随之增加。
水在管道中的最大允许速度与管道的材质有关，本文中管子材料选用碳钢无缝钢管，型号为Φ25×2.5，即其外径d0=25mm，内径di=20mm，初步计算时选定管内水的流速为。
管程所需流通截面：
（3-9）
每程管数：
根（3-10）
取整n=54根。
每根管长：
（3-11）
取标准管长2m。
式中：
Z1—总管程数，在本设计中其值为2；Z1=2×N；
δ—管板厚度（固定取为0.05m）；0.006为误差修正。
管子布置的结构参数如表3-2。
表3-2换热管分布的结构参数
管子排列方式
管间距
S（mm）
分程隔板槽处管间距
lE（mm）
平行于流向的杆S（mm）
垂直于流向的管距Sn（mm）
等边三角形
32
44
27.7
16
3.4.3管束布置
管子排布形式有正三角、正方形、转角正方形，转角三角形、同心圆几种排布形式。
其中正三角排布形式和正方形排布用的较多，正方形排布有益于清扫污垢，常用在易生成污垢的场合，而正三角排布有结构紧凑，工艺方便，能获得更大的传热系数的特点，本例题设计中，污垢形成相对较少，因此总要从结构紧凑等方面考虑选择正三角布置。
中心管排数：
根（3-12）
取值为11。
由以上数据初步画出换热管分布草图，如附图1。
3.4.4拉杆的选取
查文献[1]表2.7查得拉杆有关数据，如表3-3（估计壳体直径在400-700mm之间）。
表3-3拉杆结构数据参数
换热管直径（mm）
拉杆直径（mm）
拉杆数量（mm）
25
16
4
3.5壳程结构设计
3.5.1初步估算壳内径
如附图1，用CAD画草图量得管束中心至最外层管中心距离为0.1996m。
管束外缘直径：
（3-13）
壳体内径：
（3-14）式中：
b3=0.25d=6.25且不小于8mm，故取b3=8mm。
因此可取换热器壳体标准直径,即公称直径。
由文献[4]可初选壳内径为0.5m，则换热管长度与壳体直径之比为。
目前所采用的换热管长度与壳体直径之比为4-25之间，所以初选的壳体与换热管结构参数较为匹配。
3.5.2折流板设计
管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其扰动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。
本文采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%～25%，取25%，则切去的圆缺高度为：
（3-15）折流板的圆心角：
120o
查参考资料[2]可知折流板板间距为
，
结合一般标准取值，则取折流板间距:
ls=150mm。
折流板数:
（3-16）
取值：
12
折流板与结构布局相关的参数见表3-4。
表3-4折流板结构布局相关参数
折流板形式
折流板缺口高度h
折流板的圆心角θ
折流板间距lS
折流板数目Nb
折流板直径Db
弓形
0.125m
120
0.15m
12
0.4955m
第4章校核传热系数及传热面积
4.1管程换热系数计算
管程接管直径：
（4-1）
由YB231-70按钢管取标准值：
Ø146×5。
管程雷诺数：
（4-2）
一般Re>10000即为湍流。
管程换热系数：
（4-3）
4.2壳程换热系数计算
折流板缺口面积：
（4-4）
错流区内管数占总管数的百分比：
（4-5）
缺口处管子所占面积:
（4-6）
流体在缺口处的面积：
（4-7）
流体在两折流板间错流流通截面积：
（4-8）
壳程流通截面积：
（4-9）
壳程接管直径按
计算得：
D1=0.186m
并由钢管标准选相近规格，选取D1=180mm×5。
错流区管排数，由附图2知：
每一缺口内的有效错流管排数：
根（4-10）
旁流通道数：
；旁流挡板数：
错流面积中旁流面积所占分数：
（4-11）
一块折流板上管子与管孔间泄露面积：
（4-12）
折流板外缘与壳体内壁之间的泄露面积：
（4-13）
壳侧热流体的雷诺数：
（4-14）
故知壳侧是湍流。
壳程传热因子：
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