管壳式换热器传热计算示例(终)

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t1′=145℃；
过冷却水出口温度t1〞=45℃；
过冷却水工作压力P1=0.75Mp a（表压）
冷水流量G1=80000kg/h；
冷却水进口温度t2′=20℃；
冷却水出口温度t2〞=50℃；
冷却水工作压力P2=0.3 Mp a（表压）。

改为冷却水工作压力P2=2.5 Mp
2)定性温度及物性参数：
冷却水的定性温度t2=( t1′+ t1〞)/2=(20+50)/2=35℃；
冷却水的密度查物性表得ρ2=992.9 kg/m3；
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℃；
过冷水的密度查物性表得ρ1=976 kg/m3；
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；
过冷水的粘度μ1=0.3704×10－6 Pa·s。

过冷水的工作压力P1=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：
过冷却水流量：
；
4)有效平均温差
逆流平均温差：
根据式（3-20）计算参数p、R:
参数P：
参数R：
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：
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：
m2；
选用φ25×2.5无缝钢管作换热管；
管子外径d0=0.025 m；
管子径d i=0.025-2×0.0025=0.02 m；
管子长度取为l=3 m；
管子总数：
取720根管程流通截面积：
m2
管程流速：
m/s
管程雷诺数：
湍流
管程传热系数：（式3-33c）
6)结构初步设计：
布管方式见图所示:
管间距s=0.032m（按GB151,取1.25d0）；
管束中心排管的管数按4.3.1.1所给的公式确定：
取20根；
壳体径：
m 取Di=0.7m；
长径比：
布管示意图
l/D i=3/0.9=3.3 ，合理
选定弓形折流板
弓形折流板弓高：
折流板间距：m
折流板数量：
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 0.6955m 7）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：
m/s ；
壳程质量流速：
kg m 2
/s ；
壳程当量直径：
m ；
壳程雷诺数：
； 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 Pa.s
粘度修正系数：
根据式（3-62）计算壳程换热系数：
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：
传热系数比值，合理
9）管壁温度计算：
管外壁热流密度：
Ｗ/m2.℃
根据式(3-94a)计算管外壁温度：
℃
误差较核：
℃，误差不大；
10）管程压降计算：
根据式(3-94b)计算管壁温度：
℃；
壁温下水的粘度：Pa·s；
粘度修正系数：
；
查图3-30得管程摩擦系数：
管程数：；
管沿程压降计算依据式（3-112）：
Pa （W=w.ρ）
回弯压降：
Pa；
取进出口管处质量流速：W N2=1750 ㎏/㎡·s； (依据ρw2<3300取 w=1.822m/s) 进出口管处压降(依据 3-113)：
；
管程结垢校正系数：；
管程压降：
11）壳程压降计算：
壳程当量直径：
m；
雷诺数：
；
查得壳程摩擦系数：λ1=0.08；(图 3-34)
管束压降（公式3-129）：
Pa；
取进出口质量流速： kg/m2·s；( ρw2<2200 取W N2=1000 ㎏/㎡·s) 进出口管压降：
Pa；
取导流板阻力系数：;
导流板压降：
Pa
壳程结垢修正系数：；(表3-12)
壳程压降：
Ｐa；
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。

（2）结构设计（以下数据根据BG150-2011）
结构设计的任务是根据热力计算所决定的初步结构数据，进一步设计全部结构尺寸，选定材料并进行强度校核。

最后绘成图纸，现简要综述如下：
1）换热器流程设计
采用壳方单程，管方两程的1-4型换热器。

由于换热器尺寸不太大，可以用一台，未考虑采用多台组合使用，管程分程隔板采取上图中的丁字型结构，其主要优点是布管紧密。

2）管子和传热面积
采用 25×2.5的无缝钢管，材质20号钢，长3m，管长和管径都是换热器的标准管子尺寸。

管子总数为352根，其传热面积为：
3）管子排列方式
上图十字形走廊是为了装设分程隔板，故有壳程流体的泄漏和旁流的问题。

共有356个管孔，其中4个为装设拉杆用。

4）壳体
壳体径：；材质Q235 A钢；
壳体厚度（式6-1）：
t w<100℃
=0.7
C=2mm(厚度附加量见GB150)
P=1.2p1(p为设计压力要大于工作压力)
实取
5)管板
根据表5-8 查取
管板上开孔数与孔间距与管排列应一致。

6）折流板
因为无相变，采用通用的弓形折流板。

Q235 A钢板。

拱高：h=140mm;
板间距：B=230mm；
板数：n B=12块；
板厚：（依据表4-12）;
卧式布置，水平切口流动方向。

7）拉杆
选取Q235 A钢，12，共8根（依据表5-10）
8)封头
根据压力容器设计规采用材质为Q235的标准形状椭圆封头。

在满足强度要求条件下，取壁厚；曲面高度：
D为封头的平均直径；直边高度，。

9）进、出管
（a）管程进、出口管
ρw2<3300取取W N2=1750 ㎏/㎡·s，得进、出口流通面积为：
进出口管道直径：
取用：114×4mm的热轧钢管或水输送管。

(b)壳程进、出口管：
ρw2<2200取取壳程浸出口管处质量流速W N2=1000 ㎏/㎡·s，得进、出口流通面积为：
管程进出口管径为：
取用70×3mm的热轧钢管或水输送管
10）其它：
容器法兰和进、出口法兰及底座均可根据设计规取用或计算，热补偿计算参照本章5-5节进行；
尽管人智慧有其局限，爱智慧却并不因此就属于徒劳。

智慧果实似乎是否定性：理论上——“我知道我一无所知”；实践上——“我需要我一无所需”。

然而，达到了这个境界，在谦虚和淡泊哲人胸中，智慧痛苦和快乐业已消融为了一种和谐宁静了。