1、 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=0.75Mpa(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 Mpa(表压) 。改为 冷却水工作压力 P2=
2、2.5 Mp2)定性温度及物性参数:冷却水的定性温度 t2=( t1+ t 1)/2=(20+50)/2=35;冷却水的密度查物性表得 2=992.9 kg/m3;冷却水的比热查物性表得 Cp2=4.174 kJ/kg.冷却水的导热系数查物性表得 2=62.4 W/m.冷却水的粘度 2=727.5106 Pas;冷却水的普朗特数查物性表得 Pr2=4.865;过冷水的定性温度 ; 1=(11)=77.5过冷水的密度查物性表得 1=976 kg/m3;过冷水的比热查物性表得 Cp1=4.192kJ/kg.;过冷水的导热系数查物性表得 1=0.672w/m.;过冷水的普朗特数查物性表得 Pr2 ;
3、=2.312过冷水的粘度 1=0.3704106 Pas。过冷水的工作压力 P1=1.5 Mpa(表压)3)传热量与水热流量取定换热器热效率为 =0.98;设计传热量:0=11(11)10003600=800004.174(50-20)10003600=2727013 过冷却水流量:;2= 0 2(22)= 36007513334.1871000(4030)=93676 / 4)有效平均温差逆流平均温差:=(12)(12)1212=(9050)(6520)90506530=42.45 根据式(3-20)计算参数 p、 R:参数 P:=2212=502090-20=0.429参数 R:=1122
4、=90655020=0.833换热器按单壳程 2 管程设计,查图 38 得温差校正系数 =0.83;有效平均温差: =0.9242.45=40.2 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;0=00=75133340040.2=169.59选用 252.5 无缝钢管作换热管;管子外径 d0=0.025 m;管子内径 di=0.025-20.0025=0.02 m;管子长度取为 l=3 m;管子总数: 取 720 根=00= 169.590.0253=720管程流通截面积:m2=242=352240.022=0.11309管程流速:m/s2=2
5、223600= 936769760.113093600=0.23575管程雷诺数:湍流2= 222 =9760.235750.02370.4106 =12423104管程传热系数:(式 3-33c)2=3605(1+0.0152)20.8(100)0.2 =3605(1+0.01577.5)0.235750.8(1000.02)0.2 =1186/(2)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: =1.1=1.1720=29取 20 根;壳体内径: =(1)+40=0.03228+4
6、0.025m 取 Di=0.7m; =0.9长径比:l/Di=3/0.9=3.3 ,合理选定弓形折流板弓形折流板弓高: =0.2=0.20.9=0.18折流板间距: m=/3=0.9/3=0.3折流板数量: =1=(3/0.9)1=12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m2046.320516.2301oic1 sdBDA壳程流速:m/s;1=1/3600 11=120003600992.90.046=0.0.4865
7、壳程质量流速:kg m2/s;1= 11=992.90.4865=483.05壳程当量直径:m;=2020 =0.927200.02527200.025=0.02壳程雷诺数:;2= 222 =992.90.48650.02370.4106 =26082切去弓形面积所占比例按 h/Di=0.2 查图 4-32 得为 0.145壳程传热因子查 图 3-24 得为 js=20管外壁温度假定值 tw1=45 壁温过冷水粘度 Pa.s 1=0.549103粘度修正系数:1=(11)0.14=(0.37040.549103)0.14=0.9206布管示意图根据式(3-62)计算壳程换热系数:1=113=0
8、.6240.03072.312130.932420=7588)传热系数计算:水侧污垢热阻: r2=0.000344m2./w管壁热阻 r 忽略总传热系数:= 111+1+20+120= 11758+0.000344+0.000344(0.0250.02)+ 13407.5(0.0250.02)=4602传热系数比值 ,合理0=460400=1.159)管壁温度计算:管外壁热流密度:/m 2.0=00= 27270137200.0253=16074根据式(3-94a)计算管外壁温度:1=11(11+1)=77.516074(1758+0.000344)=43.03误差较核:,误差不大; 11=5
9、050.54=0.5410)管程压降计算:根据式(3-94b) 计算管内壁温度: ; 2=2+10(12+2)=35+160740.0250.02( 11186+0.000344)=58.8壁温下水的粘度: Pas;2=486106粘度修正系数:; 2=(22)0.14=(727.7106486106)0.14=1.05查图 3-30 得管程摩擦系数: 2=0.0078管程数 : ;=2管内沿程压降计算依据式(3-112):Pa ( W=w.)=(222)()(22)=(0.23575976)22976340.020.0781.058=599.8回弯压降:Pa;=22224=(0.235759
10、76)2297624=216取进出口管处质量流速: WN2=1750 /s; (依据 w 23300 取 w=1.822m/s)进出口管处压降(依据 3-113):;2=22221.5=1750229761.5=2353.4管程结垢校正系数: ; 2=1管程压降: 2=(+)2+2=(599.8+216)1+2310.7=3452.82 11)壳程压降计算:壳程当量直径:m;=202+0=0.927200.02520.9+7200.025=0.019雷诺数:;1=11=483.080.190.7275103=12616查得壳程摩擦系数: 1=0.08;(图 3-34)管束压降(公式 3-129
11、):Pa; =1221(+1) 11=483.0822992.90.9100.019 0.080.9206=4837取进出口质量流速: kg/m2s;( w 22200 取 WN2=1000 /s)1=1000进出口管压降:Pa;1=12211.5=100022992.91.5=335.7取导流板阻力系数: ;=5导流板压降:Pa=1221=100022992.95=2517.87壳程结垢修正系数: ;(表 3-12)=1.38壳程压降:a;=0+1=48371+2517.9+335.7=7690.7管程允许压降: P2=35000 Pa;(见表 3-10)壳程允许压降: P1=35000 P
12、a; 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 252.5 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:=0=0.0253720=16923)管子排列
13、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)壳体壳体内径: ;材质 Q235 A 钢; =700壳体厚度(式 6-1):=2+tw100=1245.88=0.7C=2mm(厚度附加量 见 GB150)P=1.2p1(p 为设计压力 要大于工作压力)= 11.270021245.880.711.2+2=2.482 实取 =6 5)管板根据表 5-8 查取 =0.750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
14、B=12 块;板厚: ( 依据 表 4-12);=5 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范采用材质为 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:=8 1=4=+4 =700+84 =177 D 为封头的平均直径;直边高度, 。0=25 9)进、出管(a)管程进、出口管w 23300 取 取 WN2=1750 /s,得进、出口流通面积为:2= 2360022= 9367636001750=0.01487 2进出口管道直径:2= 42= 40.01487=0.138 取用: 1144mm 的热轧钢管或水输送管。(b)壳程进、出口管:w 22200 取 取壳程浸出口管处质量流速 WN2=1000 /s,得进、出口流通面积为:1= 1360011= 8000036001000=0.002222管程进出口管径为:1= 41= 40.00222 =0.1682 取用 703mm 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范取用或计算,热补偿计算参照本章5-5 节进行;