管壳式换热器传热计算示例(终-)---用于合并

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=0.3Mpa（表压）。改为冷却水工作压力P2=2.5Mp2)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ρ2=992.9kg/m3；冷却水的比热查物性表得Cp2=4.174kJ/kg.℃冷却水的导热系数查物性表得λ2=62.4W/m.℃冷却水的粘度μ2=727.5×10－6Pa·s；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ρ1=976kg/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λ1=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μ1=0.3704×10－6Pa·s。过冷水的工作压力P1=1.5Mpa（表压）3)传热量与水热流量取定换热器热效率为η=0.98；设计传热量：𝒬0=𝐺1·𝐶𝑝1·(t1−t1′′)η×10003600⁄=80000×4.174×(50−20)×10003600⁄=2727013W过冷却水流量：𝐺2=𝒬0𝐶𝑝2·(t2′′−t2′)=3600×7513334.187×1000×(40−30)=93676𝑡/ℎ；4)有效平均温差逆流平均温差：∆tcount=(t1′−t2′′)−(t1′′−t2′)𝑙𝑛t1′−t2′′t1′′−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′′−t2′t1′−t2′=50−2090−20=0.429参数R：R=t1′−t1′′t2′′−t2′=90−6550−20=0.833换热器按单壳程2管程设计，查图3—8得温差校正系数Ψ=0.83；有效平均温差：∆t𝑚=∆t𝑁=0.92×42.45=40.2℃5)管程换热系数计算：附录10，初定传热系数K0=400W/m.℃；初选传热面积：𝐴0=𝒬0𝐾0·∆t𝑚=751333400×40.2=169.59m2；选用φ25×2.5无缝钢管作换热管；管子外径d0=0.025m；管子内径di=0.025-2×0.0025=0.02m；管子长度取为l=3m；管子总数：𝑛=𝐴0𝜋·𝑑0·l=169.59𝜋×0.025×3=720取720根管程流通截面积：𝐴𝑡=𝑛𝑡2·𝜋4·𝑑𝑖2=3522·𝜋4·0.022=0.11309m2管程流速：𝑤2=𝐺2𝜌2·𝑎2×3600=93676976×0.11309×3600=0.23575m/s管程雷诺数：Re2=𝜌2·𝑤2·dμ2=976×0.23575×0.02370.4×10−6=12423≫104湍流管程传热系数：（式3-33c）α2=3605·(1+0.015t2)𝑤20.8(100𝑑𝑖)0.2=3605(1+0.015×77.5)×0.235750.8(100×0.02)0.2=1186𝑊/(𝑚2•°𝐶)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=1.1√𝑁𝑡=1.1·√720=29取20根；壳体内径：D𝑖=𝑠(𝑁𝑐−1)+4𝑑0=0.032×28+4×0.025=0.9m取Di=0.7m；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=0.2×0.9=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0.6955m7）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046.0032.0025.016.0233.01oic1sdBDAm2壳程流速：𝑤1=𝐺1/3600𝜌1·𝑓1=120003600⁄992.9×0.046=0.0.4865m/s；壳程质量流速：𝑊1=𝜌1·𝑤1=992.9×0.4865=483.05kgm2/s；壳程当量直径：𝐷𝑒=𝐷𝑖2−𝑁𝑡·𝑑02𝑁𝑡·𝑑0=0.92−720×0.0252720×0.025=0.02m；壳程雷诺数：Re2=𝜌2·𝑤2·dμ2=992.9×0.4865×0.02370.4×10−6=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𝜇𝑤1=0.549×10−3Pa.s粘度修正系数：𝜙1=(𝜇1𝜇𝑤1)0.14=(0.3704×0.54910−3)0.14=0.9206根据式（3-62）计算壳程换热系数：α1=𝜆1𝑑𝑒·𝑝𝑟13⁄·𝜙·js=0.6240.0307×2.31213⁄×0.9324×20=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=11α1+𝑟1+𝑟2𝑑0𝑑𝑖+1α2𝑑0𝑑𝑖布管示意图=11758+0.000344+0.000344(0.0250.02)+13407.5(0.0250.02)=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=𝒬0𝑁𝑡𝜋𝑑0𝑙=2727013720×𝜋×0.025×3=16074Ｗ/m2.℃根据式(3-94a)计算管外壁温度：𝑡𝑤1=𝑡1−𝑞1(1α1+𝑟1)=77.5−16074(1758+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+𝑞1𝑑0𝑑𝑖(1α2+𝑟2)=35+160740.0250.02(11186+0.000344)=58.8℃；壁温下水的粘度：𝜇𝑤2=486×10−6Pa·s；粘度修正系数：𝜙2=(𝜇2𝜇𝑤2)0.14=(727.7×10−6486×10−6)0.14=1.05；查图3-30得管程摩擦系数：λ2=0.0078管程数：𝑁𝑡=2；管内沿程压降计算依据式（3-112）：∆𝑝𝑖=(𝑊222ρ)(𝑙·𝑁𝑡𝑑𝑛)(λ2𝜙2)=(0.23575×976)22×976·3×40.02·0.0781.058=599.8Pa（W=w.ρ）回弯压降：∆𝑝𝑏=𝑊222𝜌2·4·n=(0.23575×976)22×976·2·4=216Pa；取进出口管处质量流速：WN2=1750㎏/㎡·s；(依据ρw23300取w=1.822m/s)进出口管处压降(依据3-113)：∆𝑝𝑛2=𝑊𝑛222𝜌2×1.5=175022×976×1.5=2353.4；管程结垢校正系数：𝜙𝑑2=1；管程压降：∆𝑝2=(∆𝑝𝑖+∆𝑝𝑏)𝜙𝑑2+∆𝑝𝑁2=(599.8+216)×1+2310.7=3452.82Pa11）壳程压降计算：壳程当量直径：𝑑𝑒=𝐷𝑖2−𝑁𝑡·𝑑02𝐷𝑖+𝑁𝑡·𝑑0=0.92−720×0.02520.9+720×0.025=0.019m；雷诺数：Re1=𝑊1d𝑒μ1=483.08×0.190.7275×10−3=12616；查得壳程摩擦系数：λ1=0.08；(图3-34)管束压降（公式3-129）：∆𝑝𝑖=𝑊122𝜌1·𝐷𝑖(𝑛𝑏+1)𝑑𝑒·𝜆1𝜙1=483.0822×992.9·0.9×100.019·0.080.9206=4837Pa；取进出口质量流速：𝑊𝑁1=1000kg/m2·s；(ρw22200取WN2=1000㎏/㎡·s)进出口管压降：∆𝑝𝑁1=𝑊𝑁122𝜌1·1.5=100022×992.9×1.5=335.7Pa；取导流板阻力系数：ξ𝑑=5;导流板压降：∆𝑝𝑑=𝑊𝑁122𝜌1·ξ𝑝=100022×992.9×5=2517.87Pa壳程结垢修正系数：𝜙𝑑=1.38；(表3-12)壳程压降：∆𝑝𝑙=∆𝑝0𝜙𝑑+∆𝑝𝑑+∆𝑝𝑁1=4837×1+2517.9+335.7=7690.7Ｐa；管程允许压降：[△P2]=35000Pa；（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𝜙25×2.5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=π𝑑0𝐿𝑁𝑡=𝜋×0.025×3×720=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Q235A钢；壳体厚度（式6-1）：δ=𝑝𝐷𝑠2[𝜎]𝑡𝜙−𝑝+𝑐[𝜎]𝑡=1245.88tw100℃𝜙=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)δ=1×1.2×7002×1245.88×0.7−1×1.2+2=2.482𝑚𝑚实取δ𝑠=6𝑚𝑚5)管板根据表5-8查取δ𝑚𝑖𝑛=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。Q235A钢板。拱高：h=140mm;板间距：B=230mm；板数：nB=12块；板厚：δ𝐵=5𝑚𝑚（依据表4-12）;卧式布置，水平切口流动方向。7）拉杆选取Q235A钢，𝜙12，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δ=δ𝐵=8𝑚𝑚；曲面高度：ℎ1=𝐷4=𝐷𝑠+δ4=700+84=177𝑚𝑚D为封头的平均直径；直边高度，ℎ0=25𝑚𝑚。9）进、出管（a）管程进、出口管ρw23300取取WN2=1750㎏/㎡·s，得进、出口流通面积为：𝑎𝑁2=𝐺23600𝑤𝑁2𝜌2=936763600×1750=0.01487𝑚2进出口管道直径：𝐷𝑁2=√4𝜋𝑎𝑁2=√4𝜋×0.01487=0.138𝑚取用：𝜙114×4mm的热轧钢管或水输送管。(b)壳程进、出口管：ρw22200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：