工程热力学课程设计管式换热器

00目录TOC\o"1-5"\h\z绪论21.1管壳式换热器概述21.2管壳式换热器的结构及性能特点21.3换热器的研究内容及意义3计算设计说明书52.1设计准备52.1.1设计依据52.1.2设计原理52.1.3设计步骤62.2初步确定设备结构62.2.1定性温度62.2.2物性参数72.2.3初选管材及管内流速72.2.4对数平均温差72.2.5确定所选管材92.3校核换热系数102.3.1管程换热系数102.3.2板管计算102.3.3壳程传热系数112.3.4污垢热阻和管壁热阻122.3.5计算传热系数122.4折流板计算122.5阻力计算142.5.1管程流体阻力142.5.2壳程阻力152.6参数总表17设计小结19参考文献20武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书#2.2.2物性参数根据定性温度，分别查得壳程和管程流体的有关物性数据⑺。管程淡水在78.5r下的有关物性数据如下：密度p=972.71kg/m3定压比热容C=4.1938pikJ(kg・K)热导率入=0.67311W/(m•C)粘度V=3.725X10-71m2/s普朗特数Pr=2.261无量纲表2-1物性参数壳程淡水在40.5°C下的物性数据:密度p=991.9952kg/m3定压比热容C=4.174P2kJ/(kg・K)热导率入=0.63572W/(m•C)粘度v=6.539x10-72m2/s普朗特数Pr=4.2715无量纲表2-2物性参数2.2.3初选管材及管内流速材料形式排列方式管径/mm管长/m流速m/s管程数无缝碳钢光管三角形25X2.562.02表2-3换热管规格2.2.4对数平均温差Q二qc(W)m1pl117又有：q二pq/3600m11v1根据前面公式有:将已知数据代入得:Q二(65x972.7/3600)x4.1938x(84-73)二8.1x105Wo式中：q-高温淡水流体的流量，kg/s；mlc-高温淡水流体的定压比热容，kJ(kg・°C)；P1%-高温淡水流体的温差，°C；Q-热流量，W。O实际换热量：Q二QX1.1/0.9二9.9x105Wo根据对数平均温差公式计算:At—AtAt=1A2mAtln―1-At2按逆流计算将已知数据代入得:AtmAt1—At2_(84—45)—(73—36)84—4573—36二37.99c式中：At—逆流的对数平均温差，C；mA[—热流体进出口温差，°C；At—冷流体进出口温差，°C；2可按图2-1中(b)所示进行计算。图2-1列管式换热器内流型再根据P和R的值确定温差修正系数屮，1、2分别代表壳侧和管侧:t"—t'73—84P—2——0.229t'—t''36—8412t'—t''36—45R———0.818t''—t'73—8422根据P,R查图10-23⑻得：屮=0.99At'二屮At二0.99x37.99二37.61°Cmm2.2.5确定所选管材查资料⑵可知工程上水-水换热器的换热系数在800〜1500W/(%2.。0,根据经验假定K=1100W/(m2・°C)。则总换热面积为:QoK'AQoK'At'm9.9x1051100x37.61=23.93m2前面已经选取管内流速为U]=2.0m/s,d=0.02m，假设所需管数为ni则有:q/360065/3600n=九=-=28.7，取n=28。d2ux0.022x24ii4已知d二0.025m，0则所需管长为:23.93—x0.025x28=10.88m由L<管长X管程数=12m,故知与初选管材符合。由于需要两个管程，所以总管数为：N=2n=2x28=56根t2.3校核换热系数2.3.1管程换热系数的计算Re=ud/v=2.0x0.02/(3.725x10-7)=1.1x1051i1式中Re-管程雷诺数；U]_管道内流体的速度,m/s；v-运动粘度m2/s。1一般Re>10000即为湍流，查资料知：Nu=0.023xRe0.8xPrn=0.023x(4.39x104)0.8x4.7540.3=317.051式中Nu1-努塞尔数；Re-管程雷诺数；Pr=普朗特数；n-加热流体时取0.4,冷却流体时取0.3。此处取0.3。h=Nux九/d=317.05x0.6731/0.02=10670.3W/(m2・°C)ii式中h-管程换热系数W/(m2・。0。i2.3.2板管计算

中心管排数：N=1.1xN0.5=1.1x56o.5=9(根)0t管间距：s=1.25Xd=1.25X0.025=0.03125m0壳体内径：D=s(N-1)+4d=0.03125x(9-1)+4x0.025=0.35ms002.3.3壳程传热系数壳程流通面积:.352—56x0.0252)=0.0687m.352—56x0.0252)=0.0687m24st04壳程流速:=牟=65/991.995=0.387m/sa3600x0.06871当量直径:D2-Nd20.352-56x0.025256x0.025st0==6.25x10-56x0.025Ndt0壳侧热流体的雷诺数:ud0.387x0.0625Re===3.70x104>104，故知冗侧是湍流。V0.65385X10-62由资料［6查得流体横向外掠单管时的努塞尔准则式:10.62Re0$Pr310.62Re0$Pr3Nu=0.3+2282000丿4150.62X370000.5X4.27153=0.3+—0421[1+(4.2715)3]4[1+(37000)8]5282000Pr丿=225.56式中Nu2-努塞尔数;Re-雷诺数；Pr-普朗特数。

Nu九225.56x0.63565()冗侧的换热系数h=22==2294.76W/'m2・°C丿od0.0687e2.3.4污垢热阻和管壁热阻查资料［6］知污垢热阻和管壁热阻可取：管内侧污垢热阻R=1.76x10-4m2.七/Wi管外侧污垢热阻R=1.76xl0-4m2弋/W0查表可得碳钢在该条件下的热导率为43.6W/(m•OC)；将已知数据代入得:0囂=5・73x10-5(m2・OC/W)式中：R式中：Rw管壁热阻，m2.oc/W传热管壁厚，m;管壁热导率，W/(m・oc)。2.3.5计算传热系数由于是工程上计算，可略去管壁导热阻力,则有:K=1TOC\o"1-5"\h\z=1d1d+R+R0+0h0idhd0iii10.02510.025+1.76x10-4+1.76x10-40025+2294.76()0.0210670.40.02=1053.6W/\n2・°C丿绝对误差二K—K=1053.6—1100=-46.4W/C2&C)(K—K)-464相对误差=()x100%=———x100%=—4.4%K1053.6误差在工程计算允许范围以内，故换热系数校核符合要求。2.4折流板计算管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其扰动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。单壳程的换热器仅需要设置横向折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%〜25%,取25%，取则切去的圆缺高度为：h=350x0.25=87.5mm故可取h=140mm查资料［9可知折流板板间距一般为D/3，结合一般标准取值，则取折流板间距SB=150mm折流板数Nb=折流板间距-1=150-1=39块）折流板圆缺面水平装配。图2-2弓性折流板(水平圆缺)2.5阻力计算2.5.1管程流体阻力管程总阻力包括单程直管阻力和局部阻力。Ap=(Ap+Ap)NNFi12PSt查资料⑵得N=2,N=1.2,F=1.2，pSt式中N-管程数；pAp-管程总阻力，Pa；iF-管程结垢校正系数，对025x2.5mm的管子，取1.2；t单程直管阻力：Lpu2Ap=k+iid2i由Re=110000，查工程流体力学［3］表4-1知传热管绝对粗糙度g=0.12传热管相对粗糙度g=0.12=6.0x10-3d20i查资料⑵知，对光管，当Re>105时，九=0.2864Re-0.2258=0.2864(1.1x105)42258=0.0208iip=972.7kg/m3，u=2.0m/s，将已知数据代入得:11Lpu26972.7x12.02Ap=X11=0.0208xx=12139.3Pa1id20.02i式中X-沿程损失系数；iL一管长，m；d=传热管内径，m；iP］—热流体密度，kg/m3；

u-管内流速，m/s；iAp-单程直管阻力，Pa。i查资料⑵可知，局部阻力按下式计算,3pu2——2将已知数据代入得:3pu3pu2i23x972.7x2.022=5836.2Pa式中Ap-局部阻力，Pa；2pi-热流体密度，kg/m3；U]-管内流速，m/s；管程总阻力为：Ap=(12139.3+5836.2)x2x1x1.2=43141.2Pa=0.0431MPa<O.IMPai则管程流体阻力在允许范围之内。2.5.2壳程阻力计算壳程总阻力由流体流经管束的阻力和流体通过折流板缺口的阻力组成。查资料⑵可知，壳程阻力按下式计算：Ap=(Ap'+Ap')FNo12ss查资料⑵得，N=1，F=1.2，ss式中Ap-壳程总阻力，Pa；0Ap'-流体流过管束的阻力，Pa；Ap'-流体流过折流板缺口的阻力，Pa；2F-壳程结垢校正系数；N-壳程数；s查资料⑵得流体流经管束的阻力按下式计算APi'=Ffnc（Nb+1）%吁将已知数据代入：991995x03872Ap'=0.5x0.304x8.23x(39+1)x=3717.1Pai2式中Ap'-流体流过管束的阻力，Pa；F-管子排列方式为正三角形，所以F二0.5；f-壳程流体的摩擦系数，查［1］知，f=1.52Re-0.153=1.52(3.7x104)-0.153=0.304；000n-横过管束中心线的管子数，n=1.1N0.5二1.1x560.5二8.23；TOC\o"1-5"\h\zccTN-折流挡板数，N=39；BBP=冷流体密度，kg/m3；2u—按壳程流通面积计算的流速，u=0.387m/s；22查资料⑵知，流体通过折流板缺口的阻力依下式计算：®2=Nb心5-普)呼将已知数据代入：Ap'=39（3.5—2x°」5））991."5x°3872=7656.67Pa20.352式中N-折流挡板数，N=39；BBB-折流挡板间距，m,B=0.15m；D-壳体内径，m,D=0.35m；P-冷流体密度，kg/m3；2u—按壳程流通面积计算的流速，u=0.387m/s；22Ap'—流体流过折流板缺口的阻力，Pa；2壳程总阻力：Ap=3717.1Pa+7656.67Pa=11373.77Pa=0.0114MPa<O.IMPa0则壳程流体阻力在允许范围之内。由于该换热器管程和壳程阻力均小于最大允许值，因此是满足设计要求的。2.6参数总表表2-4换热器主要结构尺寸和计算结果

数参程管A/量流56CO/S/温口出/进378563物性co/s/温性定567540.gks/密s•aps/黏曰F数特朗普设备结构参数管型U数台1Xm蔔O53数程壳1X/mmw管外23/mm管600列子管A数65i93/mmO51X数程管2质材钢碳程管OC)O•co•a漩传热系数/[W/(m2・°C)]1053.6设计小结参考文献李志勇，喻健良,刘志军•过程机械[M].北京: