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=0.3 Mpa（表压）。改为 冷却水工作压力P2=2.5 Mp 2)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=992.9 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λ2=62.4 W/m.℃ 冷却水的粘度μ2=727.5×10－6 Pa·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 ℃；

过冷水的密度查物性表得ρ1=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λ1=0.672w/m.℃； 过冷水的普朗特数查物性表得Pr2 ；

过冷水的粘度μ1=0.3704×10－6Pa·s。 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η=0.98； 设计传热量：

过冷却水流量：

；

4)有效平均温差 逆流平均温差：

根据式（3-20）计算参数p、R: 参数P：

参数R：

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：

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：

2 m；

选用φ25×2.5无缝钢管作换热管； 管子外径d0=0.025 m；

管子内径di=0.025-2×0.0025=0.02 m； 管子长度取为l=3 m； 管子总数：

取720根

管程流通截面积：

m2

管程流速：

m/s

管程雷诺数：

湍流

管程传热系数：（式3-33c）

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：

取20根； 壳体内径：

m 取Di=0.7m；

长径比：

布管示意图

l/Di=3/0.9=3.3，合理

选定弓形折流板

弓形折流板弓高： 折流板间距： m 折流板数量：

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

do0.025Ac1BDi10.2330.610.046s0.032m2

壳程流速：

m/s；

壳程质量流速：

2 kg m/s；

壳程当量直径：

m；

壳程雷诺数：

；

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 Pa.s 粘度修正系数：

根据式（3-62）计算壳程换热系数：

8）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：

传热系数比值 ，合理

9）管壁温度计算： 管外壁热流密度：

Ｗ/m2.℃ 根据式(3-94a)计算管外壁温度：

℃

误差较核：

℃，误差不大； 10）管程压降计算：

根据式(3-94b)计算管内壁温度：

℃；壁温下水的粘度： Pa·s； 粘度修正系数：

；

查图3-30得管程摩擦系数： 管程数： ；

管内沿程压降计算依据式（3-112）：

Pa （W=w.ρ）

回弯压降：

Pa；

取进出口管处质量流速：WN2=1750 ㎏/㎡·s；(依据ρw2<3300取 进出口管处压降(依据 3-113)：

w=1.822m/s)

；

管程结垢校正系数： ； 管程压降：

11）壳程压降计算：

壳程当量直径：

m；

雷诺数：

；

查得壳程摩擦系数：λ1=0.08；(图 3-34) 管束压降（公式3-129）：

Pa；

取进出口质量流速： kg/m2·s；( ρw2<2200 取WN2=1000 进出口管压降：

Pa； 取导流板阻力系数： ; 导流板压降：

Pa

壳程结垢修正系数： ；(表3-12) 壳程压降：

Ｐa；

㎏/㎡·s)

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 25×2.5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：

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： ；材质Q235 A钢； 壳体厚度（式6-1）：

tw<100℃ =0.7 C=2mm(厚度附加量见GB150) P=1.2p1(p为设计压力要大于工作压力)

实取 5)管板

根据表5-8查取

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： （ 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 ；曲面高度：

D为封头的平均直径；直边高度， 。 9）进、出管 （a）管程进、出口管

ρw2<3300取取WN2=1750 ㎏/㎡·s，得进、出口流通面积为：

进出口管道直径：

取用： 114×4mm的热轧钢管或水输送管。 (b)壳程进、出口管：

ρw2<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：

管程进出口管径为：

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；