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t 1′=145℃；过冷却水出口温度t 1〞=45℃；过冷却水工作压力P 1=0.75Mp a （表压）冷水流量G 1=80000kg/h ；冷却水进口温度t 2′=20℃；冷却水出口温度t 2〞=50℃；冷却水工作压力P 2=0.3 Mp a （表压）。

改为 冷却水工作压力P 2=2.5 Mp2)定性温度及物性参数：冷却水的定性温度t 2=( t 1′+ t 1〞)/2=(20+50)/2=35℃；冷却水的密度查物性表得ρ2=992.9 kg/m 3；冷却水的比热查物性表得C p2=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P r2=4.865；过冷水的定性温度t 1=(t 1−t 1′′)==77.5℃；过冷水的密度查物性表得ρ1=976 kg/m 3；过冷水的比热查物性表得C p1=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P r2=2.312；过冷水的粘度μ1=0.3704×10－6 Pa·s。

过冷水的工作压力 P 1=1.5 Mp a （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：Q 0=G 1·C p1·(t 1−t 1′′)η×10003600⁄=80000×4.174×(50−20)×10003600⁄=2727013 W过冷却水流量：G 2=Q 0C p 2·(t 2′′−t 2′)=3600×7513334.187×1000×(40−30)=93676 t/ℎ ；4)有效平均温差逆流平均温差：∆t count =(t 1′−t 2′′)−(t 1′′−t 2′)ln t 1′−t 2′′t 1′′−t 2′=(90−50)−(65−20)ln 90−5065−30=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：∆t m=Ψ∆t N=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：A0=Q0K0·∆t m =751333400×40.2=169.59 m2；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d i=0.025-2×0.0025=0.02 m；管子长度取为l=3 m；管子总数：n=A0π·d0·l =169.59π×0.025×3=720取720根管程流通截面积：A t=n t2·π4·d i2=3522·π4·0.022=0.11309m2管程流速：w2=G2ρ 2·a2×3600=93676976×0.11309×3600=0.23575m/s管程雷诺数：Re2=ρ 2·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(100d i)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1.25d 0）； 管束中心排管的管数按4.3.1.1所给的公式确定： N c =1.1√N t =1.1·√720=29取20根；壳体内径：D i =s (N c −1)+4d 0=0.032×28+4×0.025=0.9 m 取Di =0.7m ；长径比： l/D i =3/0.9=3.3 ，合理选定弓形折流板弓形折流板弓高： h =0.2D i =0.2×0.9=0.18m折流板间距： B =D i /3=0.9/3=0.3m折流板数量： n B =l B ⁄−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046.0032.0025.016.0233.01o i c1=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=s d BD A m 2壳程流速：w 1=G 1/3600ρ 1·f 1=120003600⁄992.9×0.046=0.0.4865 m/s ；壳程质量流速：W 1=ρ 1·w 1=992.9×0.4865=483.05kg m 2/s ；壳程当量直径：D e =D i 2−N t ·d 02N t ·d 0=0.92−720×0.0252720×0.025=0.02m ；壳程雷诺数：Re 2=ρ 2·w 2·dμ2=992.9×0.4865×0.02370.4×10−6=26082；切去弓形面积所占比例按 h/D i =0.2查图4-32得为0.145壳程传热因子查 图3-24得为j s =20管外壁温度假定值 t w1′=45℃壁温过冷水粘度μw1=0.549×10−3 Pa.s布管示意图粘度修正系数：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=λ1d e ·p r 13⁄·ϕ·js =0.6240.0307×2.31213⁄×0.9324×20=758 8）传热系数计算：水侧污垢热阻：r 2=0.000344m 2.℃/w管壁热阻r 忽略总传热系数：K j =11α1+r 1+r 2d 0d i +1α2d 0d i=11758+0.000344+0.000344(0.0250.02)+13407.5(0.0250.02)=460W m 2⁄℃传热系数比值K j K 0⁄=460400⁄=1.15，合理9）管壁温度计算：管外壁热流密度：q 0=Q 0N t πd 0l =2727013720×π×0.025×3=16074Ｗ/m 2.℃ 根据式(3-94a)计算管外壁温度：t w1=t 1−q 1(1α1+r 1)=77.5−16074(1758+0.000344)=43.03℃ 误差较核：t w1−t w1′=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：t w2=t 2+q 1d 0d i (1α2+r 2)=35+160740.0250.02(11186+0.000344)=58.8℃ ； 壁温下水的粘度：μw2=486×10−6 Pa·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 ：N t =2；管内沿程压降计算依据式（3-112）：∆p i =(W 222ρ)(l·N t d n )(λ2ϕ2)=(0.23575×976)22×976·3×40.02·0.0781.058=599.8Pa （W=w.ρ） 回弯压降：∆p b =W 222ρ2·4·n =(0.23575×976)22×976·2·4=216Pa ；取进出口管处质量流速：W N2=1750 ㎏/㎡·s ； (依据ρw 2<3300取 w=1.822m/s)进出口管处压降(依据 3-113)：∆p n2=W n222ρ2×1.5=175022×976×1.5=2353.4；管程结垢校正系数：ϕd2=1；管程压降：∆p2=(∆p i+∆p b)ϕd2+∆p N2=(599.8+216)×1+2310.7=3452.82 Pa11）壳程压降计算：壳程当量直径：d e=D i2−N t·d02D i+N t·d0=0.92−720×0.02520.9+720×0.025=0.019m；雷诺数：Re1=W1d eμ1=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）：∆p i=W122ρ1·D i(n b+1)d e·λ1ϕ1=483.0822×992.9·0.9×100.019·0.080.9206=4837Pa；取进出口质量流速：W N1=1000 kg/m2·s；( ρw2<2200 取W N2=1000 ㎏/㎡·s) 进出口管压降：∆p N1=W N122ρ1·1.5=100022×992.9×1.5=335.7Pa；取导流板阻力系数：ξd=5; 导流板压降：∆p d=W N122ρ1·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：∆p l=∆p0ϕd+∆p d+∆p N1=4837×1+2517.9+335.7=7690.7Ｐa；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。