管壳式换热器设计要点.pdf

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 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。 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=4.174kJ/( 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=39.335×10 -5 Pa·s 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=76.4×10 -5 Pa·s 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 / （kg·k) ； 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）×4.189×10 3 ×（85-60）=7969.57× 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 / （kg·k) ； 1t冷源进口温度，单位K； 2 t冷源出口温度，单位K。 则： 0m =7969.57×10 3/4.174 ×10 3×(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 1033.62 023.0 =4693.67W/(m·k) 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 （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=S×1.15=680.70 （ 2 m ） 3.4 工艺结构尺寸 3.4.1 管径和管内流速 选用25×2.5mm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 ( 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 = 408×4= 1632（根） 3.4.3 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 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 =0.95×40=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=1.25×2531.2532（mm ） 横过管束中心线的管数： Nnc19. 1（3-13） 代入数据有： c n= 1.191632 =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： /05.1DNt（3-14） 代入数据有：mmt16227.0/163205.1D。 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=0.25×1700=425mm ，故可取 h=425mm. 8 取折流板间距 B=0.3D，则： B=0.3×1700=510（mm ） 为了便于制造和维修，减小阻力，取B为 500mm 。 折流板数 1 折流板间距 传热管长 B N（3-15） 式中： l 传热管管长； B 折流板间距。 代入（ 3-15）数据有：1 500 8000 B N=15(块) 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 u V d 4 （3-16） 式中：V流体的流量， m 3 /s ； 代入数据有：)(091.0 2014.3 977/29.1274 md 取标准管径为 102 mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为 u V d 4 （3-17） 代入（ 3-17）数据有：)(330.0 5. 114. 3 8.994/29.1274 md 取标准管径为 377 mm。 3.5 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： 9 0.14 ()1.05 o w u u 14. 03/155. 0 1 i )(PrRe36.0 a w o e d （3-18） 式中： Re雷诺数； Pr 普朗特数； 1导热系数，单位 W/(m ·k) ； e d当量直径，单位mm 。 水做冷却剂时，粘度校正为 当量直径，管子为正三角形排列时 de 223 4() 24 o o td d （ 3-19 ） 式中： o d换热管外径，单位mm 。 t 换热管管心距，单位mm 。 代入数据（ 3-19）有： de 22 3 4(0.0320.025 ) 24 3.140.025 0.020（m ） 壳程流通截面积 S o = BD(1 t do ) （3-20） 式中： B 折流板间距。 D 单管程结构，壳体内径。 代入数据（ 3-20）有： So =0.5×1.7 ×（10.025/0.032 ）0.1860（ 2 m ） 壳程热水的流速及其雷诺数分别为 1860.0 977/360024280/104 .2 9 0 u0.546 1 1 0 Re oeu d （3-21） 式中： de 当量直径。 1 热水在 0.1MPa ，72.5 下的密度。 10 1热水在 0.1MPa ，72.5 下的粘度。 则代入数据有： 50 10335.39 977546.002.0 Re=27123 普朗特准数 1 1 p C Pr（3-22） 式中： Pr 普朗特数； 1导热系数，单位 W/(m ·k) ； 1粘度 ，单位 m 2 /s 。 则代入数据有： Pr461.2 6695.0 10335.3910189.4 53 因此，壳程热水的传热膜系数 i为 14.03/155.01 i )(PrRe36.0 w o e d （3-33） 式中： Re雷诺数； Pr 普朗特数； 1导热系数，单位 W/(m ·k) ； d换热管当量直径，单位mm 。 则由式（ 3-6）得： i 0.551/3 0.6695 0.36271232.461(1.05) 0.02 = 4495W/(m·k) (2) 管程对流传热系数 4 .08 .0 PrRe023.0 i i i i d （3-34） 式中： Re雷诺数； i Pr普朗特数； i导热系数，单位 W/(m ·k) ； 11 i d换热管内径，单位mm 。 管程流通截面积 2 1632 02.0 4 S 2 i0.2562（ 2 m） 管程循环水的流速及其雷诺数分别为 499.0 2562.0 8.994/29.127 i u 同（3-21) i ii i du Re 代入数据有： i Re 3 10764.0 8.994499.002.0 =12995 普朗特准数 i ipiu c rP（3-35） 因此，管程循环水的传热膜系数 代入数据（ 3-34）有： 97.412995 4. 08.0 i 02.0 6233.0 023.02660 (3) 总传热系数 Ki 冷却水侧的热阻 so R0.000172m 2·/W 热水侧的热阻 1s R0.000344m 2·/W 钢的导热系数 45W/(m 2·) 根据 so om o i o ii o O R d bd d d Rsi d d K 1 1 （3-36） 式中： m d对数平均直径，取0.0225mm ； b传热管壁厚， m 。 将数值依次代入（ 5-6）得： 0 K 000172. 0 4495 1 0225.045 025. 00025.0 020. 0 025. 0 000344. 0 0200. 02660 025.0 1 =737.4 W/ (m 2·) 知此计算值与前面的初设值Ki =280.5 W/ (m2·)的关系： 12 63.2 5 .280 4 .737 ' 1 0 K K 满足换热器设计要求，初选的换热器合适。 （4）传热面积 1 S 1 Q/( i K m t) （3-37） 代入数据有： 1 S7969.57×10 3/ （356.9×40）558.2 (m2 ） 面积裕度为 %100 1 1 S SS H（3-38） =（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： spt NNFPPP 211 （3-39） 式中： p N 管程数； s N壳程数； t F结构校正系数。 取Ns=1 N p=4 Ft=1.4 直管部分的压降 1 P= i i i i u d l 2 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：i=0.028 代入数据（ 3-40）有： 2 8 .994468.0 02.0 8 028.0 2 1 p 1220.2 弯管回路中的压降 2 3 i 2 2 u p i 300.8 （3-41） 因此总压降为 13 1 P = （1220.2+300.8 ）×1.4 ×4×1 =8517.6Pa100kPa 管程流动阻力在允许范围之类。 （2）壳程阻力 总压降：NsFPPP s ， 210 （3-42） 式中： s F结垢校正系数，对流体0. 1 s F； s N壳程数，1 s N。 流体横过管束的压降 p 1= c n 0 Ff(NB+1) 2 2 oou （3-43） 式中： F =0.5 0 f=5.0×(27123） -0.228 =0.4877 c n=48 s N=15 0 u=0.546m/s 所以， p 1=0.5×0.4877×48×(15+1) ×(90×0.546 2)/2 2512.36（Pa） 流体流过折流板缺口的阻力 2 2 5. 3 2 00 2 u D B NP s ， （3-44） 式中： B=0.50m D=1.70m 代入数据有： 2 546.0977 ) 7.1 5.0 25.3(15 2 2 p 6360.6(Pa) 因此计算总阻力将数值代入（3-43）： 0 P =(2512.36.6+6360.6 ）×1×1=8872.96Pa 5 10Pa 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。 14 3-1 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器型式：列管式换热器 换热面积 /m 2 680.70 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 5 10 不大于 5 10 操作温度（进 / 出） / 25/40 85/60 流量 /(kg/s) 127.29 13.89 流体密度 /(kg/m 3) 994.8 977 流速 /(m/s) 0.499 0.546 传热量 /kW 7969.57 总传热系数 /W/(m 2·K) 356.9 对流传热系数 /W/(m 2·K) 2660 4495 污垢热阻 /m 2·K/ W 0.000344 0.000172 阻力降 /KPa 8.518 8.872 程数4 1 推荐使用材料碳钢碳钢 管子规格25×2.5 管数 1632 管长 /mm 8000 管间距 /mm 32 排列方式正三角形 折流板型式（上下）间距 /mm 500 切口高度 25 壳体内径 /mm 1700 传热面积裕度 /% 21.9 3.7 换热器示意图、管子草图、折流板 15 3-1 换热器示意图 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。 16 2、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 1 王中铮，等 . 热交换器原理与设计：第2 版东南大学出版社，2002 1 杨世铭，等 . 传热学：第4 版高等教育出版社，2013 2 夏清，等 . 化工原理：上册.2 版天津：天津大学出版社，2007 3 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，1994 6 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，1995