管壳式换热器设计要点.pdf
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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1 2 课程设计任务书2 3 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3 3.2 确定物性数据3 3.3 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6 3.4 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壳体内径7
2、3.4.6折流板 8 3.4.7接管 8 3.5 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12 3 .6 换热器主要结构尺寸、计算结果13 3.7 换热器示意图、管子草图、折流板图14 4 设计总结 15 5 参考文献 16 1 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
3、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
4、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。 2 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
5、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 3 1 /977mkg 恒压比热容 1p c =4.189kJ/(kg.) 导热系数 1=0.6695W/(m) 粘度 5 1 10335.39Pa 循环水在 32.5下的物性数据: 密度 2=994.8 /m 3 恒压比热容 2p c=4.17
6、4kJ/( kg) 导热系数 2=0.6233w/( m ) 粘度sPa 3 2 10764.0 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,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
7、使 较大的循环水(一般气体液 3 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25mm 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=72.5 管程流体的定性温度为 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 1=977 kg/m3 定压比热容 1p c =4.189 kJ /(kg ) 导热系数 1=0.6695 W/( m ) 黏度 1=39.33510
8、-5 Pas 循环水在 0.1MPa ,32.5 下的有关物性数据如下: 密度 0=994.8 kg/m 3 定压比热容 0p c=4.174 kJ /(kg ) 导热系数 0=0.6233 W/( m ) 黏度 o=76.410 -5 Pas 3.3 换热器热力计算 3.3.1 热流量 1 Q= 11p cm(T1T2) (3-1) 式中: 1 Q热源热流量,单位W ; 1p C定压比热容,单位kJ / (kgk) ; 1 T热源进口温度,单位K; 2 T热源出口温度,单位K。 4 则: 1 Q=2.4*109/ (3600*24*280)4.18910 3 (85-60)=7969.57
9、3 10 ( w) 3.3.2 平均传热温度差 有效平均温度差: 2 1 21 , ln t t tt tm (3-2) 式中: 1 t, 2 t分别为换热器两端冷热流体的温差,K。 将 1 t=354085K, 2 t=352560K代入式( 3-2)得: 则: , m t40K 。 3.3.3 循环冷却水用量 冷却水热流量: mo = )( 12 ttc Q po i (3-3) 式中: 0 m冷源热流量,单位;kg/s ; 0p C定压比热容,单位kJ / (kgk) ; 1t冷源进口温度,单位K; 2 t冷源出口温度,单位K。 则: 0m =7969.5710 3/4.174 10 3
10、(40-25)=127.29(kg/s) 3.3.4 总传热系数 K 管程传热系数 计算雷诺数 i ii i ud Re (3-4) 式中: i Re雷诺数; i d换热管内径,单位mm。 5 则雷诺数: i Re=26041.88 计算管程换热系数 0.80.4 0.023()() pii iiii i iii c d u d (3-5) 式中: Re雷诺数; i Pr普朗特数; i导热系数,单位 W/(m k) ; i d换热管内径,单位mm 。 则管程换热系数: i 4. 0 33 8 .0 2 ) 6233.0 10764.010174.4 (88.26041 020.0 1033.6
11、2 023.0 =4693.67W/(mk) 壳程传热系数 假设壳程的传热系数0=390W/(m 2) 污垢热阻: 热水侧的热阻 si R0.000344m 2/W 冷却水侧的热阻 so R0.000172m 2/W 钢的导热系数 45W/(m ) 总传热系数: so om o i o si i R d bd d d R di do K 1 1 (3-6) 式中: m d对数平均直径,取0.0225mm ; b 传热管壁厚, m 。 导热系数; o d换热管外径,单位mm 。 将数值依次代入( 3-6)得: K280.5W/(m ) 3.3.5 计算传热面积 计算传热面积S= 1 Q/Kt (
12、3-7) 式中: K 传热系数, W/(m k) ; 6 S与 K 值对应的传热面积, m 2 t 有效平均温差, K; 1 Q交换的热量, W 。 则S=591.91( 2 m ) 考虑 15的面积裕度, S=S1.15=680.70 ( 2 m ) 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 1 u1m/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 1 2 . 4 n ud V i i i (3-8) 式中: i V流体的流量, m 3 /s ; i d 管子内径, m ; i n单程管管数
13、( 必须取为整数 ) 。 则: 102.0 4 8.99429.127 2 i n407.5=408(根) 按单程管计算,所需的传热管长度L 为 iidn S L (3-9) 代入数据 (3-9) 有: 02.040814.3 680.70 L=26.6m 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 l= 8 m ,则该换 热器管程数为 Np=L/l (3-10) 式中:L按单程计算的管长,m ; 7 l选定的每程管长, m 。 则该换热器管程数: Np=26.6/8 4(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
14、差校正系数 R= 12 21 TT tt =67.1 25-40 60-85 P= 21 12 tt TT =6. 0 60-85 25-40 按单壳程、四管程结构,温差校正系数查教材图可得t =0.95 平均传热温差tm =mtt (3-11) 代入数据有:tm =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 d ,则: o dt25.1(3-12) t=1.252531.2532(mm ) 横过管束中心线的管数: Nnc19. 1(3-13) 代入数据有: c n= 1.1916
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