U型管换热器设计.doc

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本科毕业设计〔论文〕
U型管换热器结构设计与建模
学院名称
制造科学与工程学院
专业名称
过程装备与控制工程
学生
XX
学号
XX
指较大、结构简单、价格廉价承受能力强的特点。由于U型换热管的两端都同时固定在上同一块管板上，管子可以自由伸缩，因此，当壳体与U形换热管有温差时不会产生热应力。但是，U型管换热器的主要缺点就是U型管具有一定的弯曲半径，故管板的利用率较差，管内不容易清洗，一旦内层有管束堵塞更换困难，只有将堵塞的换热管两端封住，影响传热。
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所以，U型管式换热器适用于管与壳壁温差较大或管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的介质的情形；有时候也用在换热器壳程容易结垢，需要清洗，但又不适宜用浮头式或固定管板式的场合。U 型管换热器是一种典型的管壳式换热器， 其管子弯成 U形,管子的两端固定在同一管板上， 因此每根管子可以自由伸缩，而与其他管子及壳体无关。U 型管换热器仅有一块管板，且无浮头，所以结构简单，造价比其他换热器廉价。U 形管束可以从壳体内抽出，所以管子便于清洗。但管内清洗困难，所以管内介质必须是清洁且不易结垢的物料。由于换热管呈 U形，管子的更换除外侧一层外，内部管子大部分不能更换。管束中心部分存在空隙，所以流体易发生短路而影响传热效果。U 形管的弯头部分曲率不同， 管子长度不一， 因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。
换热器的生产需求
U型管换热器在当前市场的生产需求是比较大的，U型管换热器是在工业过程生产中实现两种介质间进行热量传递的一种设备，也可以用来保证工艺流程和条件的同时实现二次能源余热的回收。在化工厂换热器约占总投资10%-20%；在炼油厂换热器约占全部工艺设备投资的35%-40%。由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需要。近20年来，换热设备在能量储备、转化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了广泛运用。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度到达工艺过程规定的指标，以满足工艺过程的需要。除此之外，换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。所谓低品位热能是指难以利用容易忽略的热能，例如工业排放的烟道气、高炉炉气等。
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第二章 换热器工艺计算
设计任务
设计题目
U型管换热器结构设计，处理量为12000Nm/h，使用寿命为15年。
设计参数
〔1〕由2管程和1壳程组成。
〔2〕水蒸汽加热空气：
水蒸汽：入口温度100℃，出口温度100℃；
空 气：入口温度30℃，出口温度40℃。
〔3〕；允许的压降：不大于105Pa。
方案确定
考虑到空气和水蒸气均不易结垢，且为了便于强化传热，应使传热系数较小的流体管程。因此，选择空气走壳程，水蒸气走管程。
确定介质物性参数
根据定性温度，分别从《化学化工物性数据手册》中查取壳程和管程流体的相关物性数据如下表2-1：
表2-1 相关介质物性参数
介质
空气
水蒸气
温度/℃
30℃
35℃〔差值法取值〕
40℃
100℃
密度kg/m3




定压比热容kJ/(kg.℃)




导热系数W/(m.℃)









2-1
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计算总传热系数
热流量：
〔2-1〕
平均传热温差：
〔2-2〕
水蒸气用量：
常压下100℃的水蒸气汽化热为r=2258KJ/Kg，则
〔2-3〕
总传热系数K
①管程传热系数：
〔2-4〕

②壳程传热系数：
假设壳程传热系数；污垢热阻， ；管壁的导热系数