1、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 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 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
2、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
3、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 日武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 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
4、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
5、式换热器 平均温差法 压力降 结构设计 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 主要符号表 1t 高温淡水进口 水温 .0C “1t 高温淡水出口 水温 .0C vq 高温冷却淡水流量 . 3/mh 2t 低温淡 水进口水温 .0C 2t 低温淡 水出口水温 .0C P 允许最大压力降 . aMp m1t 高温冷却淡水（壳程）的定性温度 .0C 1cp 高温冷却淡水比热 . 0/( )kJ kg C 1 高温冷却淡水密度 . 3/kg m 1 高温冷却淡水动力粘度 . /(m )Ws 1 高温冷却淡水导热系数 . 0/(m )WC 1Pr 高温冷却淡水普朗特数 2mt 低温淡 水 （管程
6、）的定性温度 .0C 2cp 低温淡 水 比热 . 0/( )kJ kg C 2 低温淡 水 密度 . 3/kg m 2 低温淡 水 动力粘度 . /(m)Ws 2 低温淡 水 导热系数 . 0/(m )WC 2Pr 低温淡 水 普朗特数 热损失系数 Q 传热量 .kW 12MM、 高、低温水质量流量 . /kgs 1,mct 逆流时对数平均温差 .0C 温差修正系数 mt 有效平均温差 .0C K 初选传热系数 . 20/(m )WC F 估算传热面积 . 2m 2 管程内水的流速 . /ms tA 管程所需流通截面 . 2m n 每程管数 .根 l 每根管长 .m s 管心距 .mm lE
7、 分程隔板槽处管中心距 .mm ps 平行于流向的管距 .mm ns 垂直于流向的管距 .mm nt 总管子数 “F 传热面积 . 2m LD 管束外缘直径 .m SD 壳体内径 .m 2D 管程接管直径 .m 2Re 管程雷诺数 2 管程换热系数 h 折流板缺口高度 .m ls 折流板间距 .m bN 折流板数目 .块 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 Hd 折流板上管孔直径 .m bD 折流板直径 .m wgA 折流板缺口面积 . 2m CF 错流区内管数占总管束的百分比 wtA 缺口处管子所占面积 . 2m bA 流体在缺口处流通面积 . 2m cA 流体在两折流板间错流流通
8、截面 . 2m SA 壳程流通截面积 . 2m 1D 壳程接管直径 .mm CN 错流区管排数 .排 CWN 每一缺口内的有效错流管排数 .排 EN 旁流通道数 SSN 旁通挡板数 .对 bpF 错流面积中旁流面积所占分数 tbA 一块折流板上管子和管孔泄露面积 . 2m SbA 折流板外缘与壳内壁之间泄露面积 . 2m 1Re 壳程雷诺 数 Hj 理想管束传热因子 Cj 折流板缺口校正因子 lj 折流板泄露校正因子 bj 旁通校正因子 oj 壳程传热因子 SG 壳程质量流速 . 2/ ( )kg m S wt 壳侧壁面温度 .0C 1W 壳侧壁温下水的动力粘度 . /( )kg m S 1
9、壳程换热系数 . 2 0/ (m )W C rs 水垢热阻 . 02(m ) / WC K 传热系数 . 2 0/ (m )W C F 传热面积 . 2m 1wt 检验壳侧壁温 .0C if 管内摩擦因子 2wt 管侧壁温 .0C 2w 管侧壁温下水的动力粘度 . /( )kg m S iP 沿程阻力 .aP rP 回弯阻力 .aP NP 进出口连接管阻力 .aP tP 管程总阻力 .aP kf 理想管束摩擦系数 bkP 理想管束错流段阻力 .aP wkP 理想管束缺口处阻力 .aP Rb 旁路校正系数 Rl 折流板泄露校正系数 Rs 折流板间距不等的校正系数 SP 壳程总阻力 .aP 武汉理
10、工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 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
11、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
12、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 - 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 1 - 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
13、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
14、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
15、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。 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 2 - 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
16、，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
17、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。 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 3 - 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
18、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。 武汉理工大学工程热力学与传热学课程设计说明书 - 4 - 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 mtKFQ （ 2-1） 式中： Q 热负荷， W； F
19、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： “ “1 1 1 1 2 2 2 2( ) ( )ppQ c M t t c M t t （ 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： “ “1 1 1 1 2 2 2 2( ) ( )ppQ c M t t c M t t （ 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 0C ，其右上角“ ”代表流体的进口状态，“ ”代表流体的出口状态； 以放热量为准的对外热损失系数，通常为 0.970.98。
