管壳式换热器设计要点

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目录1前言 12课程设计任务书 23课程设计说明书 33.1 确定设计方案 33.1.1 选择换热器的类型 33.1.2 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 43.3.1 热流量 43.3.2 平均传热温度差 43.3.3 循环冷却水用量 43.3.4 总传热系数K 53.3.4计算传热面积63.4 工艺结构尺寸 63.4.1 管径和管内流速 63.4.2 管程数和传热管数 63.4.3 平均传热温差校正及壳程数 73.4.4 传热管排列和分程方法 73.4.5 壳体内径 73.4.6 折流板 83.4.7 接管 83.5 换热器核算 83.5.1 热量核算 83.5.2 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 161 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。12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 85C,出 口温度60C,冷却介质为循环水，入口温度为 25C,出口温度为40C,允许压强降不 大于10A5Pa。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 C下的有关物性数据如下：密度 R =977kg/m3恒压比热容 cp1 =4.189kJ/(kg. C)导热系数 ，1=0.6695W/(mC )粘度=39.335 10/Pa循环水在32.5 C下的物性数据：密度 P2 =994.8 kg/m3恒压比热容 cp2 =4.174kJ/( kg C)导热系数 2 =0.6233w/( mC)粘度2 =0.764 103 Pa s3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 85C,出口温度60Co冷流体(循环水) 进口温度25C,出口温度40Co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 a较大的循环水(一般气体 a 4夜体)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25mrK 2.5mm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=72.5C管程流体的定性温度为t =(25+40) /2=32.5 C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 C下的有关物性数据如下：密度 ：1=977 kg/m 3定压比热容 cp1 =4.189 kJ /(kg C)导热系数1=0.6695 W/( m C)黏度 1=39.335 X 10-5 Pa s循环水在0.1MPa, 32.5 C下的有关物性数据如下：密度 0=994.8 kg/m 3定压比热容 Cpo =4.174 kJ /(kg C)导热系数0 =0.6233 W/( m- C)黏度 N°=76.4 X10-5 Pa s3.3 换热器热力计算3.3.1 热流量Q1= m1Cp1 (T1-T2)(3-1)式中：Q1 热源热流量，单位 WCp1 一定压比热容，单位kJ/ (kg k);T1 热源进口温度，单位K;T2热源出口温度，单位Ko333、贝U: Q=2.4*10A9/ (3600*24*280) X 4.189 X 10 X (85-60) =7969.57X103( w)3.3.2 平均传热温度差有效平均温度差:.,工匕-也tm 二二ln义(3-2)-t2式中：At), 收2 分别为换热器两端冷热流体的温差， K。将 &1=8540 =35K, &2 =6025 = 35K代入式(3-2)得:则：tm, -40K3.3.3 .循环冷却水用量冷却水热流量：mo=-Q(3-3)cpo(t2 - L)式中：me冷源热流量，单位；kg/s ;Cp0 一定压比热容，单位kJ/ (kg - k);ti 冷源进口温度，单位 K;t2 冷源出口温度，单位 KoM： m0 =7969.57 X 10 3/4.174 X 10 3X (40-25)=127.29(kg/s)3.3.4 总传热系数K管程传热系数(3-4)du :计算雷诺数Rei = 一i式中：Rei 雷诺数；di换热管内径，单位mm则雷诺数：Rei =26041.88计算管程换热系数i d iU ii 0.8 cpii 0.4二 i = 0.023()()(3-5)d i ), i式中：Re 雷诺数;Pr普朗特数;九i 导热系数，单位 W/(m- k);di 换热管内径，单位mm则管程换热系数: _2-62.33 100.80.023 26041.88(0.0203_4.174 100.764 100.6233J3-)0.4=4693.67W/(m k)壳程传热系数假设壳程的传热系数入0=390W/(n2 C ) 污垢热阻：热水侧的热阻 飞 =0.000344常 C/W冷却水侧的热阻 =0.000172宿 C/W钢的导热系数入=45W/(m°C )总传热系数:1bdo 。Rso,dm ：o(3-6)式中：dm对数平均直径，取0.0225mmb 传热管壁厚，m导热系数；do 换热管外径，单位mm将数值依次代入(3-6)得：K =280.5W/(m C )3.3.5计算传热面积计算传热面积S =Qi/Kt(3-7)式中：K传热系数，W/(m- k);与K值对应的传热面积，m2t 有效平均温差，K；Qi 交换白热量，WI r2则 S'=591.91 (m )2考虑 15%的面积裕度，S= S'X 1.15=680.70 (m)3.4 工艺结构尺寸3.4.1 管径和管内流速选用4 25x2.5mm的传热管(碳钢管)，可设管内冷却水流速5 = 1m/s3.4.2 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Vni = , 2(3-8)-di u.143式中：Vi 流体白流量，m/s；di 管子内径，成ni 单程管管数(必须取为整数)。127.29- 994.8贝U: ni =407.5=408 (根)只2-0.022 14按单程管计算，所需的传热管长度 L为, SL=-T(3-9)二 ndi代入数据(3-9)有:680.70 =26.6m 3.14 408 0.02按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长1= 8 m 热器管程数为N p=L/l(3-10)式中：l 按单程计算的管长，n选定的每程管长，mi则该换热器管程数：N=26.6/8 - 4(管程) 传热管总根数N = 408 X4= 1632 (根)3.4.3 平均传热温差校正及壳程数Ti -T2- 85-60 = 1 .6 7 t2 -t140-25平均传热温差校正系数t2 T _ 40-25 =0.6Ti -丁2 85-60R=P=按单壳程、四管程结构，温差校正系数查教材图可得中At =0.95平均传热温差 tm = ! t tm(3-11)代入数据有： Mm =0.95 X 40=36.8 ( C )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 do,则：t=1.25d。(3-12)t=1.25X25= 31.25=32 (mm横过管束中心线的管数：nc=1.19/N(3-13)代入数据有：nc= 1.19 . 1632 =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：D =1.05t； N 川(3-14)代入数据有：D = 1.05t； 1632/0.7 = 1622mm。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=0.25X 1700=425mm,故可取 h=425mm.取折流板间距B=0.3D,则：B=0.3X 1700=510 （mm为了便于制造和维修，减小阻力，取 B为500mm折流板数13Nb传热管长-1 折流板间距(3-15)式中：1 传热管管长;B 折流板间距。代入（3-15）数据有：Nb =8000-1=15（块） 500折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)d= 4V式中：v 流体白流量，m3/s；4 127.29/977代入数据有：d =3.14 20= 0.091(m)取标准管径为102 mm o取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为管程流体进出口接管:(3-17)4 127.29/994.8代入(3-17)数据有：d = J=0.330(m)3.14 1.5取标准管径为377 mm3.5 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:ai=0.36 Re055 Pr1/3( )a14(3-18)d eM w式中：Re 雷诺数；Pr 普朗特数；1 导热系数，单位 W/(mk);de当量直径，单位mm水做冷却剂时，粘度校正为(Uo)04=1.05当量直径，管子为正三角形排列时uw(3-19 )式中：do 换热管外径，单位 mmt 换热管管心距，单位mm)= 0.020 (n)4( X0.0322 - -X0.0252代入数据(3-19)有：de= 24e3.14 0.025壳程流通截面积So = BD(1 - do)(3-20)t式中：B 折流板间距。D 单管程结构，壳体内径。 2代入数据(3-20)有：So =0.5 X 1.7 X ( 1 0.025/0.032 ) =0.1860 (m )壳程热水的流速及其雷诺数分别为_ 9 _ _2.4 10 /280 24 3600/977u0 =0.546Re00.1860(3-21)式中：de 当量直径P1 热水在0.1MPa, 72.5 C下的密度- 1热水在0.1MPa, 72.5 C下的粘度。则代入数据有：Re。0.02 0.546 97752 7 12339.335 10普朗特准数(3-22)式中：Pr 普朗特数;九一一导热系数，单位 W/(m-k)；丹粘度，单位m2 /s。4.189 1 03 39.335 1 0, 则代入数据有：Pr = = 2.4610.6695因此，壳程热水的传热膜系数%为a . =0.36Re0.55 Pr一 ide,1/3( Mo )0.14M w(3-33)式中：Re雷诺数;Pr 一普朗特数;片一一导热系数，单位 W/(m-k)；d .一一换热管当量直径，单位mm则由式(3-6)得：喏271230.552,611/3(1.05) = 4495W/(m k)(2)管程对流传热系数二 i -0.023Re08 Pr0.4di(3-34)式中：Re雷诺数;Pri 一普朗特数;导热系数，单位 W/(mk)；di 换热管内径，单位mm管程流通截面积Si =土乂0.022 黑 1632 =0.2562 ( m2)42管程循环水的流速及其雷诺数分别为127.29/994.8ui = 0.4990.2562同(3-21)Reidui Pii代入数据有：Rei0.02 0.499 994.8 3=129950.764 10普朗特准数PrCpiui(3-35)0.80.412995 4.97 =* 2660因此，管程循环水的传热膜系数代入数据(3-34)有：口 i = 0.023 父 0.6233 i0.02(3)总传热系数K冷却水侧的热阻Rso= 0.000172m2 - C/W热水侧的热阻Rs1 = 0.000344m2 C /W钢的导热系数入=45W/(n2 C)根据Ko1do do bdoRsi - (3-36)di 'dmRso ：o式中：dm 对数平土§直径，取 0.0225mmKob 传热管壁厚，ml 将数值依次代入(5-6)得：Ko 737.4 2.63K1'280.5满足换热器设计要求，初选的换热器合适。(4)传热面积Si = Qi/( Ki Atm)(3-37)代入数据有：6=7969.57 X103/ (356.9 X40) =558.2 (m2)面积裕度为S -S1H =父100%(3-38)Si=(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： 工 AR =(AR+AP2 FtNpNs(3-39)式中：Np 管程数；Ns 壳程数；Ft 结构校正系数取 n=1 N p=4 F t=1.4直管部分的压降 Pi = 1 idi 2(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：入i =0.0282代入数据(3-40)有： p =0.028 04689948=1220.2p10.0222)弯管回路中的压降2个邛2二3 Ui2：300.8(3-41)因此总压降为P iP, _ (1220.2+300.8 ) X 1.4 X4X1=8517.6Pa<100kPa管程流动阻力在允许范围之类。(2)壳程阻力(3-42)(3-43)总压降：工 AP0 =UP； +AP2' FsNs式中：Fs 结垢校正系数，对流体Fs=1.0;Ns壳程数，Ns =1 o流体横过管束的压降,p u 2 p 1 = Ff°nc(NB+1)胃3式中：F =0.5f0=5.0 X (27123) -0.228 =0.4877nc=48Ns =15u0=0.546m/s所以， p1=0.5 X 0.4877 X48X (15+1) X (90 X 0.546 2)/2 =2512.36 (Pa)流体流过折流板缺口的阻力AF2 ; Ns 3.52B0 u。2D 2(3-44)式中：B=0.50mD=1.70m2代入数据有：p =15 (3.5-2 05) 977 0.546 = 6360.6(Pa)因此计算总阻力将数值代入(3-43):Z %=(2512.36.6+6360.6 ) X 1 X 1=8872.96Pa<105Pa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 o换热面积/m2680.70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105不大于105操作温度(进/出)/ C25/4085/60流 /(kg/s)127.2913.89流体密度/(kg/m 3)994.8977流速/(m/s)0.4990.546传热量/kW7969.57总传热系数/W/(m 2 - K)356.9对流传热系数/W/(m 2 - K)26604495污垢热阻/m 2 K/ W0.0003440.000172阻力降/KPa8.5188.872程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格 25 X 2.51632管长/mm8000管间距/mm32排列方式正三角形折流板型式(上下)间距/mm切口高度25%500壳体内径/mm1700传热面积裕度/%21.93.7 换热器示意图、管子草图、折流板3-1换热器示意图44个3-2 管子排列示意图3-3折流板图4.设计总结固定管板式换热器的两端和壳体连为一体， 管子则固定于管板上，结构简单；在相 同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，本设计由于换热任务较大，故管数较多。这种 结构使壳侧清洗困难。在设计过程中应尽量做到：1、增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的情况下，尽量选 择较高的流速。152、提高平均温差。对于无相变的流体，采用逆流的传热方式，不仅可提高平均温 差，还有助于减少结构中的温差应力。3、妥善布置传热面。本设计采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空 间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。参考文献171 王中铮，等1 杨世铭，等. 传热学：第 4 版高等教育出版社， 20132 夏清，等 . 化工原理：上册 .2 版天津：天津大学出版社， 2007热交换器原理与设计：第 2 版 东南大学出版社， 20023 杨明，等 . 管壳式换热器的一种优化设计J; 北京航空航天大学学报;2009 年4 王福新 , 等 . 管壳式换热器壳程流体通道设计J; 管道技术与设备 ; 2011 年5 大连理工大学化工原理教研室 . 化工原理课程设计. 大连理工大学出版社， 19946 王元文，等. 管壳式换热器的优化设计J; 广东化工 ; 2005 年 03 期7 柴诚敬，刘国维，李阿娜 . 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社， 199500250.000344 0025 0.0025 0.025 0.0001722660 0.02000.02045 0.02254495=737.4 W/ (m 2 C )知此计算值与前面的初设值 K =280.5 W/ (m 2 C )的关系: