管壳式换热器传热计算示例终用于合并.pdf

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 表压 壳程压力为 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 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t 2 50 冷却水工作压力P2 Mpa 表压 改为冷却水工作压力P2 Mp 2 定性温度及物性参数 冷却水的定性温度t2 t 1 t1 2 20 50 2 35 冷却水的密度查物性表得 2 kg m 3 冷却水的比热查物性表得Cp2 kJ kg 冷却水的导热系数查物性表得 2 W m 冷却水的粘度 2 10 6 Pa s 冷却水的普朗特数查物性表得Pr2 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 m 3 过冷水的比热查物性表得Cp1 kg 过冷水的导热系数查物性表得 1 m 过冷水的普朗特数查物性表得Pr2 2 312 过冷水的粘度 1 10 6 Pa s 过冷水的工作压力P1 Mpa 表压 3 传热量与水热流量 取定换热器热效率为 设计传热量 0 1 1 t1 t1 10003600 80000 4 174 50 20 10003600 2727013 W 过冷却水流量 2 0 2 t2 t2 3600 751333 4 187 1000 40 30 93676 4 有效平均温差 逆流平均温差 tcount t1 t2 t1 t2 t1 t2 t1 t2 90 50 65 20 90 50 65 30 42 45 根据式 3 20 计算参数p R 参数P P t2 t2 t1 t2 50 20 90 20 0 429 参数R R t1 t1 t2 t2 90 65 50 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 有效平均温差 t t 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 400 W m 初选传热面积 0 0 0 t 751333 400 40 2 169 59 m 2 选用 25 无缝钢管作换热管 管子外径d0 m 管子内径di 0 02 m 管子长度取为l 3 m 管子总数 0 0 l 169 59 0 025 3 720取 720 根 管程流通截面积 2 4 2 352 2 4 0 02 2 0 11309 m 2 管程流速 2 2 2 2 3600 93676 976 0 11309 3600 0 23575 m s 管程雷诺数 Re2 2 2 d 2 976 0 23575 0 02 370 4 10 6 12423 10 4 湍流 管程传热系数 式 3 33c 2 3605 1 0 015t2 2 0 8 100 0 2 3605 1 0 015 77 5 0 23575 0 8 100 0 02 0 2 1186 2 6 结构初步设计 布管方式见图所示 管间距s 0 032m 按 GB151 取 管束中心排管的管数按所给的公式确定 1 1 1 1 720 29 取 20 根 壳体内径 D 1 4 0 0 032 28 4 0 025 0 9m 取 Di 0 7m 长径比 l Di 3 合理 选定弓形折流板 弓形折流板弓高 h 0 2D 0 2 0 9 0 18 折流板间距 B D 3 0 9 3 0 3m 折流板数量 1 3 0 9 1 12 折流板上管孔直径由GB151 2014可确定为 折流板直径由GB151 2014可确定为 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 046 0 032 0 025 0 16 0233 01 o ic1 s d BDA m 2 壳程流速 1 1 3600 1 1 120003600 992 9 0 046 0 0 4865 m s 壳程质量流速 1 1 1 992 9 0 4865 483 05 kg m 2 s 壳程当量直径 2 0 2 0 0 92 720 0 0252 720 0 025 0 02m 壳程雷诺数 Re2 2 2 d 2 992 9 0 4865 0 02 370 4 10 6 26082 切去弓形面积所占比例按 h Di 查图 4 32 得为 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 1 0 549 10 3 粘度修正系数 1 1 1 0 14 0 3704 0 54910 3 0 14 0 9206 根据式 3 62 计算壳程换热系数 1 1 1 3 js 0 624 0 0307 2 312 1 3 0 9324 20 758 8 传热系数计算 水侧污垢热阻 r2 0 000344m 2 w 管壁热阻r 忽略 总传热系数 1 1 1 1 2 0 1 2 0 布管示意图 1 1 758 0 000344 0 000344 0 025 0 02 1 3407 5 0 025 0 02 460 2 传热系数比值 0 460 400 1 15 合理 9 管壁温度计算 管外壁热流密度 0 0 0 2727013 720 0 025 3 16074 m 2 根据式 3 94a 计算管外壁温度 1 1 1 1 1 1 77 5 16074 1 758 0 000344 43 03 误差较核 1 1 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 2 2 1 0 1 2 2 35 16074 0 025 0 02 1 1186 0 000344 58 8 壁温下水的粘度 2 486 10 6 Pa s 粘度修正系数 2 2 2 0 14 727 7 10 6 486 10 6 0 14 1 05 查图 3 30 得管程摩擦系数 2 0 0078 管程数 2 管内沿程压降计算依据式 3 112 22 2 2 2 0 23575 976 2 2 976 3 4 0 02 0 078 1 058 599 8 Pa W w 回弯压降 22 2 2 4 n 0 23575 976 2 2 976 2 4 216 Pa 取进出口管处质量流速 WN2 1750 s 依据 w 2 3300 取 w 1 822m s 进出口管处压降 依据 3 113 2 2 2 2 2 1 5 1750 2 2 976 1 5 2353 4 管程结垢校正系数 2 1 管程压降 2 2 2 599 8 216 1 2310 7 3452 82 Pa 11 壳程压降计算 壳程当量直径 2 02 0 0 92 720 0 025 2 0 9 720 0 025 0 019 m 雷诺数 Re1 1d 1 483 08 0 19 0 7275 10 3 12616 查得壳程摩擦系数 1 图 3 34 管束压降 公式3 129 1 2 2 1 1 1 1 483 08 2 2 992 9 0 9 10 0 019 0 08 0 9206 4837 Pa 取进出口质量流速 1 1000 kg m 2 s w2 2200 取 WN2 1000 s 进出口管压降 1 12 2 1 1 5 1000 2 2 992 9 1 5 335 7 Pa 取导流板阻力系数 5 导流板压降 12 2 1 1000 2 2 992 9 5 2517 87 Pa 壳程结垢修正系数 1 38 表3 12 壳程压降 0 1 4837 1 2517 9 335 7 7690 7 a 管程允许压降 P2 35000 Pa 见表 3 10 壳程允许压降 P1 35000 Pa 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 25 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 0 0 025 3 720 169m 2 3 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 700 材质 Q235 A 钢 壳体厚度 式6 1 2 1245 88 t w 100 C 2mm 厚度附加量见 GB150 P p 为设计压力要大于工作压力 1 1 2 700 2 1245 88 0 7 1 1 2 2 2 482 实取 6 5 管板 根据表 5 8 查取 0 75 0 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 5 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 8 曲面高度 1 4 4 700 8 4 177 D为封头的平均直径 直边高度 0 25 9 进 出管 a 管程进 出口管 w 2 3300 取 取WN2 1750 s 得进 出口流通面积为 2 2 3600 2 2 93676 3600 1750 0 01487 2 进出口管道直径 2 4 2 4 0 01487 0 138 取用 114 4mm 的热轧钢管或水输送管 b 壳程进 出口管 w 2 2200 取 取壳程浸出口管处质量流速W N2 1000 s 得进 出口流通 面积为 1 1 3600 1 1 80000 3600 1000 0 00222 2 管程进出口管径为 1 4 1 4 0 00222 0 1682 取用 70 3mm 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