热交换器计算示例【《热交换器原理与设计》课件】VIP

热交换器计算示例2.6 管壳式热交换器例2.2试对固定管板的管壳式煤油冷却器进行传热计算、结构计算和阻力计算。在该热交换器中，要求将14 t/h的T-1煤油由140 冷却到40 ，冷却水的进、出口水温为30 和40 ，煤油的工作表压力为0.1 MPa，水的工作表压力为0.3 MPa。解由已知条件，选用两台12型管壳式热交换器串联工作，水的结垢性强，工作压力也较高，故使其在管程流动，而煤油的温度、压力均不高，且较洁净，在壳程流动也是合适的，计算过程和结果列于表2.11中。表2.11 例2.2计算表格项目符号单位计算公式或数据来源数 值备注原始数据1煤油进口温度t1由题意1402煤油出口温度t1由题意403冷却水进口温度t2由题意304冷却水出口温度t2由题意405煤油工作表压力p1MPa由题意0.16冷却水工作表压力p2MPa由题意0.37煤油流量M1kg/s由题意3.89流体的物性参数8煤油定性温度tm1(t1+ t1)/2=(140+40)/2909煤油比热cp1kJ/(kg)查物性表2.3310煤油密度1kg/m查物性表74411煤油黏度1kg/(ms)查物性表604.510-612煤油导热系数1W/(m)查物性表0.102813煤油普兰德数Pr113.714水的定性温度tm2(t2+ t2)/2=(30+40)/23515水的比热cp2kJ/(kg)查物性表4.18716水的密度2kg/m查物性表100017水的黏度2kg/(ms)查物性表0.62118水的导热系数2W/(m)查物性表72510-619水的普兰德数Pr24.9传热量及平均温差20热损失系数L取用0.9821传热量QkWQM1 cp1 (t1t1) L14000/36002.33(14040)0.9888822冷却水量M2kg/sM2 = Q/cp2(t2t2)= 888/4.187(40-30)21.2123逆流时对数平均温差t1m,c3924参数P及RP0.091R1025温差修正系数由型公式计算0.97226有效平均温差tmtm =t1m,c=0.9723937.9估算传热面积及传热面结构27初选传热系数KW/(m2)查参考资料230外径28估算传热面积Fm2F=888000/23037.9101.8729管子材料及规格mm选用碳钢无缝钢管252.530管程内水流速2m/s选用131管程所需流通截面Atm2At =21.21/1000/10.0212132每程管数n根n =40.02121/0.0226833每根管长lml=F/nZtdo=101.87/6840.025=4.77 取标准长4.534管子排列方式选等边三角形35管中心距smm由表2.33236分程隔板槽处管中心距lEmm由表2.34437平行于流向的管距sPmmsp = s cos30=32 cos3027.738垂直于流向的管距snmmsn = s sin30=32 sin301639拉杆直径mm由2.1.5节1640做草图图2.4841作图结果所得数据见图2.48六边形层数a6一台管子数nt根136一台拉杆数根由表2.7，估计壳体直径在400700mm间4一台传热面积m2ntdl=1360.0254.548.1二台传热面积Fm2248.196.2管束中心至最外层管中心距离m由图2.48，量得或算出0.22442管束外缘直径DLm0.2242+20.01250.47343壳体内径DSmDS= DL+2b3b3=0.25d=6.25mm，且8mm，故DS=0.0473+20.008按照GB1511999规定，取标准直径0.544长径比l/DS=4.5/0.59合理管程计算45管程接管直径D2mmD2=165按钢管标准取值180546管程雷诺数Re2/2758647管程换热系数2W/(m2)2=0.023 Re20.8Pr20.4=0.621/0.020.023275860.84.90.44813壳程结构及壳程计算48折流板形式选定弓形49折流板缺口高度hmh=0.25DS=0.250.50.12550折流板的圆心角度12051折流板间距lsm(0.21)Ds=(0.21)0.5=0.10.5, 取0.2552折流板数目Nb块4500/250-11753折流板上管孔数个由图2.4811654折流板上管孔直径dHm由GB151-1999 规定0.025455通过折流板上管数根由图2.4811256折流板缺口处管数根由图2.482457折流板直径Dbm由GB151-1999 规定0.495558折流板缺口面积Awgm20.03838759错流区内管子数占总管数的百分数Fc0.6460缺口处管子所占面积Awtm2Awt =nt (1Fc) =140(1-0.64)0.0123761流体在缺口处流通面积Abm2Ab= Awg Awt=0.0383870.012370.026壳程结构及壳程计算62流体在两折流板间错流流通截面积Acm2Ac =lsDsDL+(sdo)=0.250.5-0.473+(0.0320.025)0.03163壳程流通截面积Asm20.028464壳程接管直径D1mm按D12 /4=0.0284计算，并由钢管标准选相近规格203665错流区管排数Nc排由图2.48866每一缺口内的有效错流管排数Ncw排Ncw =0.80.125/0.0273.767旁流通道数NE168旁通挡板数Nss对选取369错流面积中旁流面积所占分数Fbp1Fbp= Ds DL+1/2 NE lE ls/ Ac=0.50.473+1/210.0440.25/0.0310.39570一块折流班上管子和管孔间泄漏面积Atbm2Atb=do(dH-do) (1 Fc)nt /2=0.0250.00041.64136 /20.003571折流板外缘与壳体内壁之间泄漏面积Asbm20.00236572壳程雷诺数Re1566473理想管束传热因子jH由图2.280.01174折流板管束校正因子jc由图2.291.01壳程结构及壳程计算75折流板泄露校正因子j1由=0.1889=0.4 查图2.300.7476旁通校正因子jb由及 Fbp =0.395查图2.310.9477壳程传热因子jojo = jH jc j1 jb=0.0111.010.740.940.007778壳程质量流量Gskg/(ms)=3.89/0.028413779壳侧壁面温度tw假定4080壁温下煤油黏度w1kg/(ms)查物性表108010-681壳侧换热系数1W/(m2)1=joGscpPr-2/3（/w）0.14=0.0077137233013.7-2/3/1.0574406需用传热面积82水垢热阻rs,2(m2)/W查表得0.0003483油污垢热阻rs,1(m2)/W查表得0.0001784管壁热阻略85传热系数KW/(m2)30186传热面积Fm2F=888000/30137.977.8487传热面积之比F”/F96.2/77.841.236稍大88检验壳侧壁温tw1= 90-301(1/406+0.00017)37.939.96与假定值差0.04阻力计算89管内摩擦系数fi查图2.350.006590管侧壁温tw2假定4091壁温下水的粘度w2kg/(ms)查物性表653.310-692沿程阻力PiPa11530两台93回弯阻力PrPa8000两台94进出口连接管阻力PNPa75095两台管程总阻力PtPaPt=Pi+Pr+PN=11530+8000+75020280没超表2.10规定96理想管束摩擦系数fk查图2.360.1997理想管束错流段阻力PbkPa65.498理想管束缺口处阻力PwkPa51.299旁路修正系数Rb查图2.380.85100折流板泄漏校正系数R1查图2.370.48101折流板间距不等校正系数Rs间距相等，不需校正1102壳程总阻力PsPaPs =( Nb -1)Pbk Rb + Nb Pwk R1+2Pbk (1+Ncw/Nc) Rs=(17-1)64.50.85+1751.20.48+265.40.85(1+3.7/8)11007103两台壳程总阻力PsPa2Ps =210072014没超表2.10规定3.1 螺旋板式热交换器例3.1试设计一台螺旋板式热交换器，将质量流量3 000kg/h的煤油从t1= 140冷却到t1=40。冷却水入口温度t2=30 ，冷却水量为M2=15 m3/h。解 煤油的热物性参数值煤油平均温度按卡路里温度计算，即t1mt1Fc (t1t1)400.3(14040)70。查得煤油在70时物性参数值：黏度110.0104 kg/(ms)，导热系数10.14 W/(m)，比热cp12.22103 J/(kg)，密度1825 kg/m3。 传热量Q QM1 cp1 (t1t1)3 0002.22103(14040)666 000103 J/h 冷却水出口温度t2由QM2 cp2 (t2t2)，得 t2t23040.6 冷却水的热物性参数值冷却水的平均温度 t2m35.3，冷却水在该温度下的热物性参数值为：黏度27.22104 kg/(ms)，导热系数20.627 W/(m)，比热cp24.18103 J/(kg)，密度2994 kg/m3。 选型由于是液液热交换，选型。 流道的当量直径de选取在流道中的流速，冷却水侧为w20.5 m/s，煤油侧为w10.4 m/s。设冷却水侧的流通截面积为A2，煤油侧为A1，则 A20.008 33 m2 A10.002 5 m2取螺旋板宽H0.6 m，则去除封条宽厚的有效板宽HeH20.10.58 m。通道宽b2 (水侧)和b1 (煤油侧)为 b20.014 m b10.004 3 m查产品样本取b215 mm，b15 mm通道的当量直径de2(水侧)和de1(煤油侧)为： de20.029 2 m de10.009 9 m 雷诺数Re及普朗特数Pr (下标2为水侧，1为煤油侧的值，下同) w20.48 m/s Re219 296 Pr24.81 w10.348 m/s Re12 842 Pr115.9 对流换热系数由式(3.2)， 20.039 7RePr0.039 719 2960.7844.810.4 3 658 W/(m2) 10.039 7RePr0.039 72 8420.78415.90.3 656.7 W/(m2) 传热系数K因介质是水和煤油，故取材质为A3卷筒钢板，厚4 mm，其导热系数46.5 W/(m)，两侧污垢热阻取R1R20.000 0017 m2/W，则 R1R20.000 00170.000 0017 K530 W/(m2) 对数平均温差tlm tlm39 传热面积F F8.95 m2 每块螺旋板有效长度le le7.72 m 螺旋板圈数及下料尺寸设d2200 mm，cb1b225152428 mm，则 d1d2(b2b1)200(155)190 mm由式(3.15)得螺旋体的有效圈度ne为 ne 6.69取有效圈数ne7，此即为内侧螺旋板的实际圈数。由式(3.12)得内侧螺旋板的下料尺寸为： lil1n(d12b14d2)2(n2n)c 7(1902544200)2(727)28 8.26 m由式(3.13)得外侧螺旋板的下料尺寸为： lol2n(d12b24d2)(d2)2n2c 7(19021544200)(2004)27228 9.42 m 热交换器外径D由式(3.16)得： Dd22nc2200228724600 mm 压降由式(3.10)得：煤油侧： 34 775 Pa0.035 MPa冷却水侧： 48 073 Pa0.048 MPa因两侧压降均不足1工程大气压，在工程上一般的允许范围内，故本热力设计符合要求。3.2 板式热交换器例3.2 欲将流量为9000 kg/h的热水从110 冷却到40 ，冷水的入口温度为35 ，出口温度为65 ，压降最大不超过50 kPa，试进行一台板式热交换器热力设计计算。解首先确定板型。设选择兰州石油化工机械厂制造的BP型板片。从厂家产品规格查得，板间距b4.8 mm，流道宽L430 mm，板厚为1.2 mm，单片传热的投影面积为0.52 m2，传热准则关系为Nu0.091Re0.73Prn，压降的准则关系式为Eu42 400Re0.545，当流程数m7时，应乘以校正系数m，即EuEumEu 传热量Q QM1cp1(t1t1)9 0004.19(11040)2 639 700 kJ/h 所需冷水量M2 M221 101 kg/h 假定流程数m1、m2热水m16，冷水m23 假定通道数n1、n2热水n13，冷水n26 计算平均温差tm按逆流计算时 tlm，c18.2 P0.4，R2.33按3壳程、6管程的管壳式热交换器查得修正系数0.88， tmtlm，c0.8818.216.0 确定两侧对流换热系数1、2对于热水侧： 流速w10.42 m/s质量流速G11w1974.80.42409 kg/(m2s)当量直径de12b24.89.6 mm取t1(t1t1)/2(11040)/275 为定性温度，查得水动力黏度，1380.6106 kg/(ms)，导热系数167.1102 W/(m)，比热cp14.19 kJ/(kg)。 Re110 317 Pr12.38 10.091RePr0.091(10 317)0.732.380.3 7 020 W/(m2)对于冷水侧： w20.48 m/s G22w2988.10.48474.3 kg/(m2s)取t2(6535)/250 为定性温度，由此查得冷水的2549.4106 kg/(ms)，264.8102 W/(m)，cp24.17 kJ/(kg)，Pr23.54 Re28 288 20.091RePr0.091(8 288)0.733.540.4 7 386 W/(m2) 计算传热系数K设水垢阻r1r20.000 017 m2/W。今板片厚 1.2 mm，不锈钢板材的导热系数 14.4 W/(m)K 2 531 W/(m2) 所需传热面积F F18.1 m2 由传热面求板片数Nt *由于板片有波纹，板片参与换热的实际面积略大于其投影面积。 Nt2236.837 由通道数与流程数求板片数Nt Ntm1n1m2n216336137今NtNt，故满足传热要求。 压降P计算热水侧：Eu142 400Re42 40010 3170.545275.4今程数小于7，故Eu1Eu1275.4236.1 P1Eu11w236.1974.80.42240 598 N/m241 kPaP允冷水侧：Eu242 400Re42 4008 2880.545310.3因程数小于7，故Eu2Eu2310.31