管壳式热交换器设计（第一组）.doc

热交换器原理与设计（principle and design of heat exchange）管壳式换热器设计学院：计量测试工程学院专业：热能与动力工程班级：08级热能（3）设计成员：吴文江（0800203318）、钱国华（0800203308） 赵显顺（0800203335）、雷林伟（0800203307） 白杨（0800203303）、姚植海（0800203334）设计时间;2011年5月24日设计课题及要求：（第一组）某工厂要求设计一台换热器以回收工艺废水的余热，用于生活热水供应。已知：废水的流量为21.65，入口温度为95，工作压力0.3MPa。生活热水用量为27.5，市政供水温度：冬季为5，夏季为15，水压0.1MPa。求冬夏季生活热水供水温度？换热器的允许压降为0.03a 。目录1. 原始数据32. 流体的物性参数33. 传热量及平均温差44. 夏季下估算传热面积及传热面结构55. 管程计算66. 壳程结构及壳程计算67. 需用传热面积78. 阻力计算89. 冬季下换热器验算及校正810.管子布置图1211.设计思路及感想12项目符号单位计算公式或数据来源数据备注原始数据1234567废水进口温度冬季生活热水进口温度夏季生活热水进口温度废水工作表压力生活供水表压力废水流量生活供水流量t1t2t3p1p2M1M2MPaMPaKg/sKg/s由题意由题意由题意由题意由题意由题意由题意955150.30.16.01397.639流体的物性参数8910111213141516171819202122232425262728假定夏季热水供热出口温度假定冬季热水供应出口温度废水出口温度t2”t3”t1”假定值假定值假定值53.57643.57645废水定性温度比热密度粘度导热系数普兰德数tm1cp1111Pr1Kg/(kg.)Kg/m3kg/(m.s)W/(m.)Pr1(t1+t1”)/2查物性表查物性表查物性表查物性表Pr1=11/1704.1871000406.1*e-60.6682.545夏季生活用水定性温度比热密度粘度导热系数普兰德数tm2cp2222Pr2Kg/(kg.)Kg/m3kg/(m.s)W/(m.)Pr1(t2+t2”)/2查物性表查物性表查物性表查物性表Pr2=22/234.2884.1871000727.3*e-60.62644.852冬季生活用水定性温度比热密度粘度导热系数普兰德数tm3cp3333Pr3Kg/(kg.)Kg/m3kg/(m.s)W/(m.)Pr3(t3+t3”)/2查物性表查物性表查物性表查物性表Pr3=33/324.2884.1871000902.74*e-60.60836.201传热量及平均温差29303132333435363738热损失系数传热量LQ-kW取用Q=M2cp2(t1-t1”) L0.981233.83夏季逆流时的对数平均温差参数P及R温差修正系数有效平均温差t1m,cPRtmt1m,c=(tmax-tmin)/ln(tmax/tmin)tm=t1m,c35.4050.48221.2960.92832.856冬季逆流时的对数平均温差参数P及R温差修正系数有效平均温差t1m,cPRtmt1m,c=(tmax-tmin)/ln(tmax/tmin)tm=t1m,c45.4730.42861.2960.96844.018以下选择夏季计算3940初选传热系数估算传热面积KFW/(m2.)m2查参考资料F=Q/Ktm150025.035以外径为准估算传热面积及传热面结构414243444546474849505152535455管子材料及规格管程内水的流速管程所需流通截面每程管数每根管长管子排列方式管中心距分程隔板槽处管中心距平行于流向的管距垂直于流向的管距拉杆直径作草图作图结果所得数据六边形层数一台管子数拉杆数一台传热面积二台传热面积管束中心至最外层管中心距离管束外缘直径壳体内径长径比1AtnlslEsPsnantF”DLDSmmm/sm2根mmmmmmmmm根根m2mmm选用碳钢无缝钢管选用At=M1/11n=4* At/di2l= F/nZtdo取标准长选由表2.3由表2.3sP=scos30sn=s*sin30由2.1.5节见下图见表2.7，估计壳体直径小于400mmF”=ntdl由下图，量得2*0.1328+2*0.0125DS=DL+2b3b3=0.25d=6.25mm=0.2*DS=0.076/0.25-1由下图由 GB 151-1999 规定由下图由下图由 GB 151-1999 规定Awg=DS2/4*/2-(1-2h/DS)sin(/2)FC=1/+2(DS-2h)/DLsinarcos(DS-2h)/D)-2 arcos(DS-2h)/D)Awt=do2nt(1-Fc)/8Ab=Awg-AwtAc=lsDs-DL+(DL-do)(s-do)/sAs=sqrt(Ab*Ac)按D124=0.02245计算，并有钢管标准相近规格由下图Ncw=0.8h/sp选取Fbp=DS-DL+0.5NElEls/AcAtp=do(DH-do)0.5(1+Fc)ntAsb=Ds(Ds-Db)-arcos(1-2h/Ds)Re1=M1do/2Ac由下图由下图由(Asb+Atb)/Ac=0.09934 及Asb/(Asb+Atb)=0.5045查图2.30由Nss/Nc=0.5 及Fbp=0.6928jo=jHjcj1jbGs=M2/As假定查物性表2=joGscpPr(2/ w2)0.14弓形取0.09121.88取0.2523430.02544370.30950.019170.84222.013*e-317.157*e-329.375*e-322.45*e-3170*462.618130.69281.446*e-31.472*e-312603.330.0121.020.810.910.009022267.8845601.35*e-65138.287由式2-13需用传热面积93949596979899废水水垢热阻生活供水水垢热阻管壁热阻传热系数传热面积传热面积之比检验壳侧壁温rs,1rs,2KFF”/Ftw2(m2*)/W(m2*)/W(m2*)/Wm2查有关资料查有关资料K=1/2+ rs,2+ rs,1do/di+1*do/1*12F=Q/Ktm47.1/37.788tw2=tm2+K(1/2+ rs,2)*tm20.000170.00034略993.778837.7881.24648.715稍大与原假定值差3.715阻力计算100101102103104105106107108109110111112113管内摩擦系数管侧壁温壁温下水的粘度沿程阻力回弯阻力进出口连接管阻力管程总阻力理想管束摩擦系数理想管束错流段阻力理想管束缺口处阻力旁路校正系数折流板泄露校正系数折流板间距不等的校正系数壳程总阻力fitw1w1PiPrPNPtfkPbkPwkRbR1RsPs Kg/(m*s)PaPaPaPa-PaPa-Pa查图2.35假定查物性表Pi=4fiL1t12(1/w1)-0.14/2diPr=41t12Zt/2PN=1.51t12/2Pt=Pi+Pr+PN查图2.36Pbk=4fkMs2Nc(2/ w2)-0.14/2Ac22Pwk=Ms2(2+0.6Ncw) /2AbAc2查图2.38查图2.67间距相等，不需校正Ps=(Nb-1) Pbk Rb+NbPwk R1+2Pbk Rb(1+Ncw/Nc)Rs0.006545601.35*e-617721.86400075022471.860.19305.93391.960.990.47516987.49没超过0.03MPa,满足条件没超过0.03MPa,满足条件 以上设计的换热器符合假设的夏季生活水温度，但不符合冬季假设的出口温度。 以下对冬季进行校核。流体的物性参数114115116117118119120121121122123124125126假定冬季热水供应出口温度废水出口温度t2”t1”假定值假定值43.57635废水定性温度比热密度粘度导热系数普兰德数tm1cp1111Pr1Kg/(kg.)Kg/m3kg/(m.s)W/(m.)Pr1(t1+t1”)/2查物性表查物性表查物性表查物性表Pr1=11/1654.1871000438*e-60.66352.764冬季生活用水定性温度比热密度粘度导热系数普兰德数tm2cp2222Pr2Kg/(kg.)Kg/m3kg/(m.s)W/(m.)Pr1(t2+t2”)/2查物性表查物性表查物性表查物性表Pr2=22/224.2884.1871000902.74*e-60.60836.201传热量及平均温差127128129130131134热损失系数传热量LQt1m,cPRtm-kW取用Q=M2cp2(t1-t1”) Lt1m,c=(tmax-tmin)/ln(tmax/tmin)tm=t1m,c0.981480.6039.750.42861.5550.88535.179逆流时的对数平均温差参数P及R温差修正系数有效平均温差管程计算135136管程雷诺数管程换热系数Re11W/(m2.)Re1=11di/11=1* 0.023*Re10.8Pr10.4/di22154.774346.84壳程结构及壳程计算137138139140141142143144145146壳程雷诺数理想管束传热因子折流板缺口校正因子折流板泄露校正因子旁通校正因子壳程传热因子壳程质量流速壳侧壁面温度壁温下生活水粘度壳侧换热系数Re2jHjcj1jbjoGstw2w22g/(m2*s)Kg/(m*s)W/(m2*)Re1=M1do/2Ac由下图由下图由(Asb+Atb)/Ac=0.09934 及Asb/(Asb+Atb)=0.5045 查图2.30由Nss/Nc=0.5 及Fbp=0.6928jo=jHjcj1jbGs=M2/As假定查物性表2=joGscpPr(2/ w2)0.1421939.130.0121.020.810.910.009022267.8850549.4*e-64977.478需用传热面积147148149150传热系数传热面积传热面积之比检验壳侧壁温KFF”/Ftw2 (m2*)/Wm2K=1/2+ rs,2+ rs,1do/di+1*do/1*12F=Q/Ktm47.1/43.812tw2=tm2-K(1/2+ rs,2)*tm2960.6443.8121.07546.72稍小与原定值差3.279阻力计算100101102103104105106107108109110111112113管内摩擦系数管侧壁温壁温下水的粘度沿程阻力回弯阻力进出口连接管阻力管程总阻力理想管束摩擦系数理想管束错流段阻力理想管束缺口处阻力旁路校正系数折流板泄露校正系数折流板间距不等的校正系数壳程总阻力fitw1w1PiPrPNPtfkPbkPwkRbR1RsPs Kg/(m*s)PaPaPaPa-PaPa-Pa查图2.35假定查物性表Pi=4fiL1t12(1/w1)-0.14/2diPr=41t12Zt/2PN=1.51t12/2Pt=Pi+Pr+PN查图2.36Pbk=4fkMs2Nc(2/ w2)-0.14/2Ac22Pwk=Ms2(2+0.6Ncw) /2AbAc2查图2.38查图2.67间距相等，不需校正Ps=(Nb-1) Pbk Rb+NbPwk R1+2Pbk Rb(1+Ncw/Nc)Rs0.0058545601.35*e-611053.12400075015803.120.18289.83378.930.990.47518413.48没超过0.03MPa,满足条件没超过0.03MPa,满足条件结论根据所设计的热交换器，题目中夏季生活热水供水温度53.576，冬季生活热水供水温度43.576由已知条件，选用两台型管壳式换热器，工艺废水的结垢性强，工作压力也较大，故使其在管程流动。生活用水较洁净温度不高，在壳程中流动也是合理的。设计总结：这次管壳式换热器课程设计，我设计的管壳式换热器过多或少存在一些误差，但在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： (1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的国标GB中搜集)的能力；(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；(3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力；(4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为水的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，