管壳式换热器设计

1、课 程 设 计 设计题目：管壳式水-水换热器姓 名 院 系 专 业 年 级 学 号 指导教师 年 月 日 目录 1前言12课程设计任务书23课程设计说明书3 3.1确定设计方案3 3.1.1选择换热器的类型 3 3.1.2流动空间及流速的确定 33.2确定物性数据 33.3换热器热力计算4 3.3.1热流量 4 3.3.2平均传热温度差 4 3.3.3循环冷却水用量 4 3.3.4总传热系数K5 3.3.4计算传热面积 63.4工艺结构尺寸6 3.4.1管径和管内流速 6 3.4.2管程数和传热管数 6 3.4.3平均传热温差校正及壳程数 7 3.4.4传热管排列和分程方法 7 3.4.5壳体

2、内径 7 3.4.6折流板 8 3.4.7接管 83.5换热器核算8 3.5.1热量核算 8 3.5.2换热器内流体的流动阻力123 .6换热器主要结构尺寸、计算结果 133.7换热器示意图、管子草图、折流板图144设计总结 155参考文献 16 1前言 在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，成为热交换器。热交换器在工业生产中的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器、省煤器、空气预测器，电厂热力系统中的凝汽器、除氧器、给水加热器、冷水塔；冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气和煤气预热；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；制糖

3、工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是热交换器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用热交换器的场合更是不胜枚举。在航空航天工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运行时产生的大量热量；热交换器也是不可或缺的重要部件。根据热交换器在生产中的地位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说，对其基本要求有： （1）满足工艺过程所提出的要求。热交换强度高，热损失少。在有利的平均温度下工作。 （2）要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠。 （3）设备紧凑。这对大型企业，航空航天、新能源开发和余热回收装置更有重要意义。 （4）保证低

4、的流动阻力，以减少热交换器的消耗。管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。 2课程设计任务书2.1设计题目管壳式水-水换热器设计2.2设计任务设计一个处理能力为2.4x106吨/年热水的管壳式换热器，热水入口温度85，出口温度60，冷却介质为循

5、环水，入口温度为25，出口温度为40，允许压强降不大于105Pa。每年按照280天计算，每天连续24小时运行。试设计一台管壳式换热器，完成该生产任务。2.3设计原始资料（技术参数） 热水在72.5下的有关物性数据如下： 密度 恒压比热容 =4.189kJ/(kg.) 导热系数 =0.6695W/(m) 粘度 Pa循环水在32.5下的物性数据： 密度 =994.8/m3 恒压比热容 =4.174kJ/(kg) 导热系数 =0.6233w/(m) 粘度 3课程设计说明书3.1 确定设计方案3.1.1.选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度85，出口温度60。冷流体（循环水）进口温度25

6、，出口温度40。该换热器冷却热的热水，传热量较大，可预计排管较多，因此初步确定选用固定管板式换热器。3.1.2流动空间及流速的确定单从两物流的操作压力看，热水操作压力达0.1MPa，应使热水走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；且两流体温度相差较大，应使较大的循环水（一般气体液体）走管内。所以从总体考虑，应使循环水走管程，热水走壳程。选用25mm2.5mm的碳钢管，管内循环水流速取1m/s。3.2 确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程热水的定性温度为 T=(85+60)/2=72.5管程流体的定性温度为

7、t =（25+40）/2=32.5根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。热水在0.1MPa，72.5下的有关物性数据如下： 密度 =977 kg/m 定压比热容 =4.189 /(kg) 导热系数 =0.6695 W/(m） 黏度 =39.33510-5 Pas循环水在0.1MPa，32.5下的有关物性数据如下： 密度 =994.8 kg/m 定压比热容=4.174 /(kg) 导热系数 =0.6233 W/(m） 黏度 =76.410-5 Pas3.3 换热器热力计算3.3.1 热流量 = (T1T2) （3-1） 式中:热源热流量，单位W； 定压比热容，单位/（kgk)； 热

8、源进口温度，单位K； 热源出口温度，单位K。2则：=2.4*109/（3600*24*280）4.18910 3 （85-60）=7969.57( w)3.3.2平均传热温度差 有效平均温度差： （3-2） 式中：，分别为换热器两端冷热流体的温差，K。将=K，=K代入式（3-2）得：则：40。3.3.3循环冷却水用量冷却水热流量： mo = （3-3） 式中：冷源热流量，单位；kg/s； 定压比热容，单位/（kgk)； 冷源进口温度，单位K； 冷源出口温度，单位K。 则：=7969.5710 3/4.17410 3(40-25)=127.29(kg/s)3.3.4总传热系数K 管程传热系数计算

9、雷诺数 （3-4） 式中：雷诺数； 换热管内径，单位mm。 则雷诺数：=26041.88 计算管程换热系数 （3-5） 式中：雷诺数； 普朗特数； 导热系数，单位W/(mk)； 换热管内径，单位mm。 则管程换热系数： =4693.67W/(mk)壳程传热系数假设壳程的传热系数0=390W/(m2)污垢热阻：热水侧的热阻0.000344m2/W 冷却水侧的热阻0.000172m2/W钢的导热系数45W/(m )总传热系数： （3-6） 式中：对数平均直径，取0.0225mm； 传热管壁厚，m。 导热系数； 换热管外径，单位mm。将数值依次代入（3-6）得：280.5W/(m )3.3.5 计算

10、传热面积计算传热面积 =/Kt （3-7） 式中：传热系数，W/(mk)； 与值对应的传热面积，m 有效平均温差，K; 交换的热量，W。 则=591.91（）考虑15的面积裕度， S=1.15=680.70（）3.4 工艺结构尺寸3.4.1 管径和管内流速 选用252.5mm的传热管(碳钢管)，可设管内冷却水流速1m/s 。3.4.2管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 （3-8） 式中：流体的流量，m/s； 管子内径，m； 单程管管数(必须取为整数)。 则：407.5=408（根） 按单程管计算，所需的传热管长度L为 （3-9） 代入数据(3-9)有：=26.6m按单管程设

11、计，传热管过长,宜采用多管程结构。现取传热管长 l= 8 m ，则该换热器管程数为 Np=L/l （3-10） 式中：按单程计算的管长，m； l选定的每程管长，m。 则该换热器管程数：Np=26.6/84(管程）传热管总根数 N = 4084= 1632（根）3.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数 R= P=按单壳程、四管程结构，温差校正系数查教材图可得=0.95平均传热温差= (3-11)代入数据有：=0.9540=36.8 ()3.4.4 传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25，则： （3-12） t=1.

12、252531.2532（mm） 横过管束中心线的管数： （3-13） 代入数据有： = 1.19=48（根）3.4.5 壳体内径 采用单管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为： （3-14） 代入数据有：。圆整可取D=1700mm。3.4.6 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.251700=425mm ，故可取h=425mm.取折流板间距B=0.3D，则： B=0.31700=510（mm）为了便于制造和维修，减小阻力，取B为500mm。 折流板数 （3-15） 式中：传热管管长； 折流板间距。 代入（3-15）数据有：=15(块)折

13、流板圆缺面水平装配。 3.4.7 接管 壳程流体进出口接管：取接管内热水流速为u=20m/s，则接管内径为 （3-16） 式中：流体的流量，m/s； 代入数据有：取标准管径为 102 mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为 （3-17）代入（3-17）数据有：取标准管径为 377 mm。3.5 换热器核算 3.5.1 热量核算 壳程对流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用Kern公式： （3-18） 式中：雷诺数； 普朗特数； 导热系数，单位W/(mk)； 当量直径，单位mm。 水做冷却剂时，粘度校正为 当量直径，管子为正三角形排列时 （3-19） 式中：

14、换热管外径，单位mm。 换热管管心距，单位mm。 代入数据（3-19）有： 0.020（m） 壳程流通截面积 So = BD(1) （3-20） 式中： 折流板间距。 单管程结构，壳体内径。 代入数据（3-20）有：So =0.51.7（10.025/0.032）0.1860（） 壳程热水的流速及其雷诺数分别为 0.546 （3-21） 式中：当量直径。 热水在0.1MPa，72.5下的密度。 热水在0.1MPa，72.5下的粘度。 则代入数据有：=27123 普朗特准数 （3-22） 式中：普朗特数； 导热系数，单位W/(mk)； 粘度 ，单位m/s。 则代入数据有： 因此，壳程热水的传热膜

15、系数为 （3-33） 式中：雷诺数； 普朗特数； 导热系数，单位W/(mk)； 换热管当量直径，单位mm。则由式（3-6）得：= 4495W/(mk) (2)管程对流传热系数 （3-34） 式中：雷诺数； 普朗特数； 导热系数，单位W/(mk)； 换热管内径，单位mm。 管程流通截面积 0.2562（） 管程循环水的流速及其雷诺数分别为 同（3-21) 代入数据有：=12995 普朗特准数 （3-35）因此，管程循环水的传热膜系数 代入数据（3-34）有：2660(3)总传热系数Ki 冷却水侧的热阻0.000172m2/W 热水侧的热阻0.000344m2/W 钢的导热系数45W/(m2) 根

16、据 （3-36） 式中：对数平均直径，取0.0225mm； 传热管壁厚，m。 将数值依次代入（5-6）得： =737.4 W/ (m2) 知此计算值与前面的初设值Ki=280.5 W/ (m2)的关系： 满足换热器设计要求，初选的换热器合适。（4）传热面积 /() （3-37） 代入数据有：7969.57103/（356.940）558.2 (m2 ）面积裕度为 （3-38）=（680.70-558.2）/558.2=21.9 所用管程数取值与所求相差不大。3.5.2 换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力 总压降： （3-39） 式中：管程数； 壳程数； 结构校正系数。 取 Ns=1 Np

17、=4 Ft=1.4 直管部分的压降 = （3-40） 由管内流体： Re=12995 ,传热管相对粗糙度e/d=0.1/20=0.005 查莫狄摩擦系数图，得：i=0.028 代入数据（3-40）有：1220.2 弯管回路中的压降 300.8 （3-41） 因此总压降为 =（1220.2+300.8）1.441 =8517.6Pa100kPa 管程流动阻力在允许范围之类。（2）壳程阻力 总压降： （3-42） 式中：结垢校正系数，对流体； 壳程数，。 流体横过管束的压降 p1=(NB+1) （3-43） 式中：=0.5 =5.0(27123）-0.228=0.4877 =48 =15 =0.5

18、46m/s 所以，p1=0.50.487748(15+1)(900.5462)/2 2512.36（Pa）流体流过折流板缺口的阻力 （3-44） 式中： B=0.50m D=1.70m 代入数据有： 6360.6(Pa) 因此计算总阻力将数值代入（3-43）： =(2512.36.6+6360.6）11=8872.96PaPa 壳程流动阻力也比较适宜。3.6 换热器主要结构尺寸、计算结果列表根据设计结果判断该换热器设计合理，具体结果见表3-1。3-1 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式： 列管式换热器换热面积/m2 680.70工艺参数名称管程壳程物料名称循环水热水操作压力Pa不大于不大于操作温度（进/出）/25/4085/60流量/(kg/s)127.29 13.89流体密度/(kg/m3)994.8 977流速/(m/s)0.499 0.546传热量/kW 7969.57总传热系数/W/(m2K) 356.9对流传热系数/W/(m2K)26604495污垢热阻/m2K/ W 0.000344 0.000172阻力降/KPa8.518 8.872程数4 1推荐使用材料碳钢 碳钢管子规格252.5管数 1632管长/mm 8000管间距/mm 32排列方式 正三角形折流板型式（上下）间距/mm500 切口高度 2