化工原理大作业换热器设计

2010秋季学期化工原理课程

综合设计作业

姓名：**

学号：**

班号：**

成绩

管壳式换热器的设计和选用

一、设计任务与条件

要求将某种物性和空气相近的加压气体由90℃冷却到40℃。已知气体的流率为3㎏/s 。以进口温度为20的冷却水作为冷却介质，试根据下述条件设计一列管换热器。 （1）冷却水走壳程，壳程装有弓形折流板； （2）气体走管程，气体压力取为106

Pa;

（3）管子外径d 1=25mm,内径d 2=20mm ，管子中心距=32mm ，等边三角形排列；

（4）气侧污垢热阻R 1=0.3m 2

·℃/kW 水侧污垢热阻R 2=0.6m 2

·℃/kW ，管壁导热系数 λ=0.45kW/(m·℃)。 二、设计计算

1.估算传热面积，初选换热器型号 （1）基本物性数据的查取 气体的定性温度=

2

4090+=65℃

查得气体在定性温度下的物性数据：λ 1

=2.935×10-5

kW/(m·℃)，Cp 1=1.009KJ/(㎏·℃),

μ1=2.035×10-5Pa·s ，ρ1=10.31㎏/m 3。

查阅相关资料，选择冷却水的温升为8℃，则水的出口温度为28℃ 水的定性温度=

2

2820+=24℃

查得水在定性温度下的物性数据为：λ

2

=0.605W/(m·℃)，Cp 2=4.179KJ/(㎏·℃),

μ2=9.0×10-4Pa·s ，ρ2=997.5㎏/m 3。 （2）热负荷计算

Q=q m,1Cp 1(T 1-T 2)=3×1.009×103×(90-40)=1.51×105W 冷却水消耗量 q m,2=

)

(122t t Cp Q -=1.51×105÷4.179÷103÷（28-20）=4.52㎏/s

（3）计算平均温度差 先按照纯逆流计算，得： Δt m 逆=

20

62ln 2062-=37.1

R=

20

284090--=6.250 P=

20

902028--=0.114

由R 、P 值，按单壳程，双管程结构，查图4.25得温度校正系数ψ=0.96，因为ψ>0.8,选用单壳程可行

Δt m =ψΔt m 逆=0.96×37.1=35.6℃ （4）选K 值，估算传热面积

参考课本表4-7，选总传热系数K 估=260w/(m·℃)，则 面积A 估=Q/（K 估Δt m ）=1.51×105÷260÷35.6=16.3㎡ （5）试选换热器型号

由两流体温差>50℃，可选用浮头式换热器，又管子外径d 1=25mm,内径d 2=20mm 。 取管内气体流速为u 1=25m/s 估算单程管子根数 N 0=

1

2

1

1785.01

u d q m ⨯⨯⨯ρ=3÷10.31÷0.785÷0.022÷25=37

根据传热面积估算管子长度为

L=A 估/（πd 2N 0）=16.3÷3.14÷0.025÷37=5.6m 若用2管程，则每管程的管长选用L 0=3m.

由换热器系列标准初选浮头式换热器型号为BES400-1.6-55-3/25-2Ι。

管总数N=74根，每管程的根数n=74÷2=37根，管中心距t=32mm ，等边三角形排列。 壳体内经D=400mm ，选取折流挡板间距h=0.5D=0.5×400mm=200mm ，故折流挡板数N B =

h

L 0-1=3÷0.2-1=14块。传热面积A 选=16.9㎡。

2.核算总传热系数

（1）管程对流传热系数α1

管内气体流速 u 1=

n

d q m ⨯⨯⨯2

111

785.0ρ=3÷0.785÷10.31÷0.022÷37=25.05m/s

R e1=

5

10

305.231

.1005.2502.0-⨯⨯⨯=2.54×105>104

P r1=

1

1

1λμp C =

2

5

3

10

935.210

035.210009.1--⨯⨯⨯⨯=0.70

气体在管内被冷却，则k=0.3

k

p c du d )(

)

(

023

.08

.0λ

μ

μ

ρ

λα=

=0.023×2.935÷0.02×（2.54×105）0.8×0.700.3÷100=639.30W/(m·℃) （2）壳程对流传热系数α2 壳程流通截面积A 0=hD(1-t

d 0)=0.2×0.4×（1-25÷32）=0.0175㎡

水流量 q m2=4.52㎏／s

水流速 u 2=q m2/（ρ2A 0）=4.52÷997.0÷0.0175=0.259m/s 管子为正三角形排列，则

2

02

)

785.02

3(4d d t d e π-=

=4×（3÷2×0.0322-0.785×0.0252）÷3.14÷0.025=0.02m

R e2 =0.02×997.5×0.259÷9.0÷10-4 =5738.29 P r2= 4.179×103× 9.0×10-4 ÷ 0.608= 6.186 水被加热，取（

w

μμ）

0.14

=1.05

α2=0.36×

e

d λ

×R e2

0.55

×Pr 31

×（

w

μμ）0.14

=0.36×0.608÷0.02×5738.290.55

×186.631

×1.05

=2463.20W/(m·℃) （3）总传热系数

已知气侧污垢热阻R 1=0.3m 2·℃/kW 水侧污垢热阻R 2=0.6m 2·℃/kW ，管壁导热系数λ=0.45kW/(m·℃)。 K

1=

2

1

α＋R 2＋

m

d bd λ2

＋R 1

1

2d d ＋

12

d d 1

1

α

=1÷2463.20＋0.0006＋0.0025×25÷45÷22.5＋0.0003×25÷20＋25÷20÷639.30 =3.398×10-3 K=294.30W/(m·℃) (4) 传热面积