管壳式换热器传热计算示例(终 ) - 用于合并[教学试题].doc

管壳式换热器传热设计说明书设计一列管试换热器，主要完成冷却水过冷水的热量交换设计压力为管程1.5MPa（表压），壳程压力为0.75MPa（表压），壳程冷却水进,出口温度分别为20和50，管程过冷水进，出口温度分别为90和65管程冷水的流量为80t/h。2、 设计计算过程：（1）热力计算1)原始数据：过冷却水进口温度t1=145；过冷却水出口温度t1=45；过冷却水工作压力P1=0.75Mpa（表压）冷水流量G1=80000kg/h；冷却水进口温度t2=20；冷却水出口温度t2=50；冷却水工作压力P2=0.3 Mpa（表压）。改为 冷却水工作压力P2=2.5 Mp2)定性温度及物性参数：冷却水的定性温度t2=( t1+ t1)/2=(20+50)/2=35；冷却水的密度查物性表得2=992.9 kg/m3；冷却水的比热查物性表得Cp2=4.174 kJ/kg.冷却水的导热系数查物性表得2=62.4 W/m.冷却水的粘度2=727.5106 Pas；冷却水的普朗特数查物性表得Pr2=4.865；过冷水的定性温度t1=(t1-t1)=77.5； 过冷水的密度查物性表得1=976 kg/m3；过冷水的比热查物性表得Cp1=4.192kJ/kg.；过冷水的导热系数查物性表得1=0.672w/m.；过冷水的普朗特数查物性表得Pr2=2.312；过冷水的粘度1=0.3704106 Pas。过冷水的工作压力 P1=1.5 Mpa（表压）3)传热量与水热流量取定换热器热效率为=0.98；设计传热量：Q0=G1Cp1t1-t110003600=800004.17450-2010003600=2727013 W过冷却水流量：G2=Q0Cp 2t2-t2=36007513334.1871000(40-30)=93676 t/h ；4)有效平均温差逆流平均温差：tcount=t1-t2-t1-t2lnt1-t2t1-t2=90-50-(65-20)ln90-5065-30=42.45 根据式（3-20）计算参数p、R:参数P：P=t2-t2t1-t2=50-2090-20=0.429参数R：R=t1-t1t2-t2=90-6550-20=0.833换热器按单壳程2管程设计，查图38得温差校正系数=0.83；有效平均温差：tm=tN=0.9242.45=40.2 5)管程换热系数计算：附录10，初定传热系数K0=400 W/m.；初选传热面积：A0=Q0K0tm=75133340040.2=169.59 m2；选用252.5无缝钢管作换热管；管子外径d0=0.025m；管子内径di=0.025-20.0025=0.02 m；管子长度取为l=3 m；管子总数： n=A0d0l=169.590.0253=720 取720根管程流通截面积：At=nt24di2=352240.022=0.11309m2管程流速：w2=G2 2a23600=936769760.113093600=0.23575m/s管程雷诺数：Re2= 2w2d2=9760.235750.02370.410-6=12423 104 湍流管程传热系数：（式3-33c）2=3605(1+0.015t2)w20.8(100di)0.2=3605(1+0.01577.5)0.235750.8(1000.02)0.2=1186W/(m2C)6)结构初步设计：布管方式见图所示:管间距s=0.032m（按GB151,取1.25d0）；管束中心排管的管数按4.3.1.1所给的公式确定： Nc=1.1Nt=1.1720=29 取20根；壳体内径： Di=sNc-1+4d0 =0.03228+40.025=0.9m 取Di=0.7m； 布管示意图长径比：l/Di=3/0.9=3.3 ，合理 选定弓形折流板弓形折流板弓高： h=0.2Di=0.20.9=0.18m折流板间距： B=Di/3=0.9/3=0.3m折流板数量： nB=lB-1=3/0.9-1=12折流板上管孔直径由GB151-2014可确定为 0.0254mm 折流板直径由GB151-2014可确定为 0.6955m 7）壳程换热系数计算壳程流通面积：根据式(3-61)中流体横过管束时流道截面积m2壳程流速：w1=G1/3600 1f1=120003600992.90.046=0.0.4865 m/s；壳程质量流速： W1= 1w1=992.90.4865=483.05kg m2/s；壳程当量直径： De=Di2-Ntd02Ntd0=0.92-7200.02527200.025=0.02m；壳程雷诺数： Re2= 2w2d2=992.90.48650.02370.410-6=26082；切去弓形面积所占比例按 h/Di=0.2查图4-32得为0.145壳程传热因子查 图3-24得为js=20管外壁温度假定值 tw1=45 壁温过冷水粘度w1=0.54910-3 Pa.s 粘度修正系数：1=1w10.14=0.37040.54910-30.14=0.9206根据式（3-62）计算壳程换热系数：1=1depr13js=0.6240.03072.312130.932420=7588）传热系数计算：水侧污垢热阻：r2=0.000344m2./w管壁热阻r忽略总传热系数：Kj=111+r1+r2d0di+12d0di=11758+0.000344+0.0003440.0250.02+13407.50.0250.02=460Wm2传热系数比值KjK0=460400=1.15，合理9）管壁温度计算：管外壁热流密度：q0=Q0Ntd0l=27270137200.0253=16074/m2.根据式(3-94a)计算管外壁温度：tw1=t1-q111+r1=77.5-160741758+0.000344=43.03误差较核： tw1-tw1=50-50.54=-0.54，误差不大；10）管程压降计算：根据式(3-94b)计算管内壁温度： tw2=t2+q1d0di12+r2=35+160740.0250.0211186+0.000344=58.8 ； 壁温下水的粘度：w2=48610-6Pas；粘度修正系数： 2=2w20.14=727.710-648610-60.14=1.05；查图3-30得管程摩擦系数：2=0.0078 管程数 ：Nt=2；管内沿程压降计算依据式（3-112）：pi=W222lNtdn22=(0.23575976)22976340.020.0781.058=599.8Pa （W=w.）回弯压降：pb=W22224n=(0.23575976)2297624=216Pa；取进出口管处质量流速：WN2=1750 /s； (依据w2<3300取 w=1.822m/s)进出口管处压降(依据 3-113)：pn2=Wn22221.5=1750229761.5=2353.4；管程结垢校正系数：d2=1； 管程压降：p2=pi+pbd2+pN2=599.8+2161+2310.7=3452.82 Pa11）壳程压降计算：壳程当量直径：de=Di2-Ntd02Di+Ntd0=0.92-7200.02520.9+7200.025=0.019m；雷诺数：Re1=W1de1=483.080.190.727510-3=12616；查得壳程摩擦系数：1=0.08；(图 3-34)管束压降（公式3-129）：pi=W1221Di(nb+1)de11=483.0822992.90.9100.0190.080.9206=4837Pa； 取进出口质量流速：WN1=1000 kg/m2s；( w2<2200 取WN2=1000 /s)进出口管压降：pN1=WN12211.5=100022992.91.5=335.7Pa；取导流板阻力系数：d=5;导流板压降：pd=WN1221p=100022992.95=2517.87Pa壳程结垢修正系数：d=1.38；(表3-12)壳程压降：pl=p0d+pd+pN1=48371+2517.9+335.7=7690.7a；管程允许压降：P2=35000 Pa；（见表3-10）壳程允许压降：P1=35000Pa； P2<P2 P1<P1即压降符合要求。（2）结构设计（以下数据根据BG150-2011）结构设计的任务是根据热力计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核。最后绘成图纸，现简要综述如下：1） 换热器流程设计采用壳方单程，管方两程的1-4型换热器。由于换热器尺寸不太大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用，管程分程隔板采取上图中的丁字型结构，其主要优点是布管紧密。2）管子和传热面积采用 252.5的无缝钢管，材质20号钢，长3m，管长和管径都是换热器的标准管子尺寸。管子总数为352根，其传热面积为：F=d0LNt=0.0253720=169m23）管子排列方式上图十字形走廊是为了装设分程隔板，故有壳程流体的泄漏和旁流的问题。共有356个管孔，其中4个为装设拉杆用。4）壳体壳体内径：Ds=700mm；材质Q235 A钢； 壳体厚度（式6-1）：=pDs2t-p+c t=1245.88 tw<100 =0.7C=2mm(厚度附加量 见GB150)P=1.2p1(p为设计压力 要大于工作压力)=11.270021245.880.7-11.2+2=2.482 mm实取 s=6 mm5)管板根据表5-8 查取 min=0.75d0mm管板上开孔数与孔间距与管排列应一致。6）折流板因为无相变，采用通用的弓形折流板。Q235 A钢板。拱高：h=140mm;板间距：B=230mm；板数：nB=12块；板厚：B=5 mm （ 依据 表4-12）;卧式布置，水平切口流动方向。7）拉杆选取Q235 A钢，12，共8根（依据表5-10）8)封头 根据压力容器设计规范采用材质为Q235的标准形状椭圆封头。在满足强度要求条件下，取壁厚=B=8 mm ；曲面高度：h1=D4=Ds+4=700+84=177 mmD为封头的平均直径；直边高度，h0=25 mm。9）进、出管（a）管程进、出口管w2<3300取 取WN2=1750 /s，得进、出口流通面积为：aN2=G23600wN22=9367636001750=0.01487 m2进出口管道直径：DN2=4aN2=40.01487=0.138 m取用：1144mm的热轧钢管或水输送管。(b)壳程进、出口管：w2<2200取 取壳程浸出口管处质量流速WN2=1000 /s，得进、出口流通面积为：aN1=G13600wN11=8000036001000=0.00222m2管程进出口管径为：DN1=4aN1=40.00222 =0.1682 m取用703mm的热轧钢管或水输送管10）其它：容器法兰和进、出口法兰及底座均可根据设计规范取用或计算，热补偿计算参照本章5-5节进行； 8教学#材料