热交换器计算示例【《热交换器原理与设计》课件】

《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14t/h的煤油由140c冷却到40℃,冷却水的进、出口水温为30c和40℃,煤油的工

作表压力为0.1MPa,水的工作表压力为0.3MPao

解

由已知条件，选用两台(1-2)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

1煤油进口温度八℃由题意140

2煤油出口温度由题意40

原

3冷却水进口温度6由题意30

始

4冷却水出口温度*C由题意40

数

5煤油工作表压力MPa由题意0.1

据Pi

6冷却水工作表压力P2MPa由题意0.3

7煤油流量Mkg/s由题意3.89

8煤油定性温度Ani*C(八+八)/2=(140+40)/290

9煤油比热CplkJ/(kg-°C)查物性表2.33

10煤油密度plkg/m3查物性表744

6045x10-6

11煤油黏度41kg/(m-s)查物性表

流12煤油导热系数21W/(m-℃)查物性表0.1328

体

pr/仔小_604.5x10-6x2330

的13煤油普兰德数Pn—13.7

40.1028

物

性14水的定性温度c(6+r2)/2=(30+40)7235

参15水的比热Cp2kJ/(kg-C)查物性表4.187

数3

16水的密度P2kg/m查物性表1000

17水的黏度kg/(ms)查物性表0.621

《

18水的导热系数〃2W/(m-QC)查物性表725xl0

„“2725x1()6X4I87

19水的普兰德数Pri—4.9

40.621

20热损失系数7L—取用0.98

传

热

Q=MicPi

21传热量QkW888

量14000/3600x2.33x(140-40)x0.98

项目符号单位计算公式或数据来源数值备注

及，，，

M2=Q/c/,2(t2—t2)

22冷却水量Mikg/s21.21

平=888/4.187x(40-30)

均

逆流时对数平均温x-加疝,J。。-1。

温,A/.100

23*CIn—nuxIn——39

差差△*io

24参数。及K

40-30

p0.091

/；-/；140-30

„L-L140-40

RR/j-40-3010

25温差修正系数中——由＜2-4＞型公式计算0.972

26有效平均温差c=i//Arim,c=0.972x3937.9

27初选传热系数K'W/(m2-℃)查参考资料230外径

广=_^_=888000/230x37.9

28估算传热面积F101.87

K'M

29管子材料及规格mm选用碳钢无缝钢管(p25x2.5

30管程内水流速CO2m/s选用1

M

A(=2=2I.21/L3OO/1

31管程所需流通截面Am20.02121

P型?

估=4A_=4x0.0212l/nx0.022

32每程管数n根/?68

算7rd；

传

7-r/nZtnJo-101.87/68^4/1«0.025

执

■♦、、33每根管长lm4.5

=4.77取标准长

面

等边三角

积34管子排列方式选

彩

及

传35管中心距smm由表2.332

执分程隔板槽处管中

36IEmm由表2.344

面心距

结

37平行于流向的管距即mm=scos300=32ccs30°27.7

构

38垂直于流向的管距Snmm.%=ssin30°=32sin30°16

39拉杆直径mm由2.1.5节16

40做草图图2.48

41作图结果所得数据见图2.48

六边形层数a—6

一台管子数“t根136

一台拉杆数根由表2.7,估计壳体直径在400~700mm间4

一台传热面积m2〃皿//=136兀x0.025＞：4.548.1

项目符号单位计算公式或数据来源数值备注

二台传热面积F"m22x48.196.2

管束中心至最外层

m由图2.48,量得或算出0.224

管中心距离

42管束外缘直径DLm0.224x2+2x0.01250/73

43壳体内径Dsm£>s=Di+2bi

〃3=0.25d=6.25mm.旦t8mm,故

0.5

5=0.0473+2x0.008

按照GBI51—1993规定，取标准直径

44长径比——//Ds=4.5/0.59合理

1.13J%.=1.13/21,21=165

45管程接管直径Dimm\p(oV1000x1(D180x5

按钢管标准取值

管

(。血4_1x1000x0.02

程管程雷诺数/

46RC2出-725x10*27586

计

A

算«2=A'0.023Re^Pr^

24

47管程换热系数«2W/(m-℃)4813

=0.621/0.02X0.023X2758608X4.9°4

48折流板形式选定弓形

49折流板缺口高度hm/i=0.25Ds=0.25x0.50.125

50折流板的圆心角度120

/

51折流板间距sm(0.2~1)Ds=(0.2-l)x0.5=0.l~0.5,取0.25

52折流板数目M块4500/250-117

53折流板上管孔数个由图2.481)6

士

冗54折流板上管孔直径赤m由GB151-1999规定0.0254

程

55通过折流板上管数根由图2.48112

结

56折流板缺口处管数根由图2.4824

构

57折流板直径Dbin由GB151-1999规定0.4955

及

58折流板缺口面积Awgm2.厅门211.00.038387

壳<=———0-(1----)sin—

"42D2

程-5.

.O.521120z2x0.125、.

计儿=-----X--------(n1-------------)sin60

、*

算4|_21800.5_

59错流区内管子数占口1.一2八1D.-2/r'

Fc”.=—{〃+2(------)smarccos(-------)0.64

总管数的百分数,冗2LDL

-2arcos(———)}=—[TT

D】n

〜0.5-0.25、.「0.25/

+2(-----------)sinarccos(z------)

0.4730.473.

♦0.25,

-2arcos------)

0.473

项目符号单位计算公式或数据来源数值备注

八w尸品"(I—E)

缺口处管子所占面8

60Awim20.01237

积乃xO.025?一八,

=---------x140x(1-0.64)lx

8

流体在缺口处流通

614m2Ab=4w一50.038387—0.012370.026

面积g

2

62流体在两折流板间A,m4=4Q,_£>L+2($_4)]0.031

错流流通截面积s

八nciAc(\A-i-i1.0.473—0.025

=0.25|0.5-0.473|+------------

0.032

x(0.032-0.025)

63壳程流通截面积人nr=70.026x0.0310.0284

按兀。2/4=o0284计算，并由钢管标准选

64壳程接管直径o,mm①203x6

相近规格

65错流区管排数M排由图2.488

每一缺口内的有效h

壳66AU排N*—=0.8x0.125/0.0273.7

程错流管排数

结

67旁流通道数NE1

构

68旁通挡板数网对选取3

及

69错流面积中旁流面"bp1Fbp=|D-DL+1/2NE，EUJAC0.395

壳

积所占分数=[0.5-0.473+l/2xIx0.0441x0.25Z0.031

程

2

计70一块折流班上管子AmmA出(1-Fc)/?t/20.0335

算和管孔间泄漏面积=71x0.025x0.0004x1.64x136/2

71折流板外缘与壳体Asbm24=5^2^；_虹8。刈—号)]0.002365

内壁之间泄漏面枳

0.5x(0.5-0.4955)

2

r0.25.1

^--arccos(Z1l-----)

L().5」

M4,3.89x0.025

72壳程雷诺数Re\e，~4人，-604.5x10^x0.02845664

73理想管束传热因子JH由图2.280.011

折流板管束校正因

74Jc由图2.291.01

子

壳75折流板泄露校正因Jl击A/,+4_0.002356+0.00350.74

九一0.031

程子

结=0.1889

构4,_0.002356

及4+4—0002356+0.0035

项目符号单位计算公式或数据来源数值备注

壳=0.4查图2.30

程76旁通校正因子由区=3=0.375及尺p=0.3950.94

计N8

算查图2.31

jo=jHjcj\jb

77壳程传热因子Jo0.0977

=0.011x1.01x0.74x0.94

G=^.=3.89/0.0284

78Gskg/(m2-s)137

壳程质量流量54

79壳侧壁面温度fw*C假定40

6

80壁温下煤油黏度"wlkg/(m-s)查物性表1080x10

014

CM=joGscpPr^。也G

81壳侧换热系数W/(m2-℃)406

=0.0077x137x2330x13.7-2/3/1.0574

2e

82水垢热阻七2(m-C)/W查表得0.00034

83油污垢热阻小(nr-℃)/W查表得0.00017

84管壁热阻略

W/(m2.℃)

85传热系数K-1301

需八一1G.l,1,

|_四44」

用

'I25，皿25T

传=——+0.00017+0.00034X;—+4813—

14062020_

热

面F=-Q—=888000/301x37.9

86传热面积Fnr77.84

积K^tm

87传热面积之比F7F96.2/77.841.236稍大

88检验壳侧壁温TwleCQi=Li_K(,+4.I)A*39.96与假定

%值差

=90-301x(|7406+0.00017)x2H.90.04°C

89管内摩擦系数查图2.350.0365

90管侧壁温，w2℃假定40

6

91壁温下水的粘度"w2kg/(ms)查物性表653.3x1O-

92沿程阻力APiPa11530两台

d,2

阻

,八八八八181000x1

=4x0.0065x------------

力0.022

计725x104

算653.3x1()4

AQ.l(XX)xl

93向弯阻力APPaAP=4-£—^Z,=4x-------x48000两台

r，2，2

△%=L5应=L5x侬迎

94进出口连接管阻力△PNPa750

“22

95两台管程总阻力APtPaAPI=API+APT+APN20280没超表

项目符号单位计算公式或数据来源数值备注

=11530+8000+7502.10规定

96理想管束摩擦系数人——查图2.360.19

97理想管束错流段阻△PbkPa△P1八警山人严65.4

力248

48Q2v2

=4x0.19x--__—x1.0574

2x0.03『x774

98理想管束缺口处阻△PwkPaM251.2

△电=^—(2+0.6心)

力244月

3.89?><(2+0.6><3.7)

2x0.026x0.031x774

99旁路修正系数Rb——查图2.380.85

折流板泄漏校正系

100R—查图2.370.48

数

折流板间距不等校

101氏——间距相等，不需校正1

正系数

102壳程总阻力PaAPs=[(M-1)APbkRh+NbAPwk]Ri1007

+2APbk(l+NC)&=[(17-1)x64.5x

0.85+17x51.2]x0.48+2x65.4x0.85

x(l+3.7/8)xl

没超表

103两台壳程总阻力APSPa2XAP；=2X10072014

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3000kg/h的煤油从匕=140℃

冷却至!lt"i=40℃。冷却水入口温度匕=30℃,冷却水量为Mz=15nI3/h。

［解I

①煤油的热物性参数值

煤油平均温度按卡路里温度计算，即ti,*=/+Fc（匕一门）=40+0.3（140—40）=70℃。查

得煤油在70℃时物性参数值：

黏度闺=10.0x10-4机/（〃对，导热系数1I=0.14VW（/M-℃）,

比热Cpi=2.22x103力（依.七），密度pi=825口加3。

②传热量Q

33

Q=Micpi（f|-t"i）=3000x2.22x10x（140-40）=666000x10J/h

③冷却水出口温度t"?

由Q=M2cp2(t"2-t’2)，得

Q,666000X103

1-30=40.6℃

M2cp22-15x994x4.18x1()3

④冷却水的热物性参数值

冷却水的平均温度t2〃,=、^=35.3℃,冷却水在该温度下的热物性参数值为：

黏度P2=7.22X10-4^/（W6）,导热系数入2=0.627W/（心C）,

比热Cp2=4.18xl0"（版•℃）,密度p2=994必加3。

⑤选型

由于是液一液热交换，选I型。

⑥流道的当量直径&，

选取在流道中的流速，冷却水侧为W2=0.5"Z/S,煤油侧为WI=0.4〃?/$。设冷却水侧的流

通截面积为A2,煤油侧为Ai，则

M215x994

A?=-=0.00833nr

3600w2p23600x0.5x994

A,=3600wipi=3600x0.4x825=0-0025m

取螺旋板宽H=0.6"?,则去除封条宽厚的有效板宽H,，=H—2x0.1=0.58〃?。通道宽b?（水

侧）和也（煤油侧）为

A0.00833

2=0.014w

b2=0.58

Ai0.0025

b,=H；=-K58-=0.(X)43m

查产品样本取b2=15mm,b）=5mm

通道的当量直径也（水侧）和de1（煤油侧）为:

_2Hhi_2x0.58x0.015

3―H,，+b2―0.58+0015=0.0292m

,2H-b2xQ.58xQ.QO5

<l=0.0099m

由一记而().58+0.005

⑦雷诺数Rc及普朗籽数Pr（下标2为水侧，1为煤油侧的值，下同）

M215

W2=3600A2P2=3600x0.58x0.015=0.48mis

wzde2P20.48x0.0292x994

Re2=M2=7.22xl(r=19296

ucp7.22X10-4X4.18X103

F22---------(^27---------=4.81

Pr2=

MiMi3000

W|=3600Alp।=3600bHpi=3630x0.(X)5x0.58x825—0.348m/s

wdeipiO.348x().()()99x825

Rei=2842

10.0x10

I0.0X1(T4X2.22XI03

Pnr,-阳VCp|

0J4=15.9

⑧对流换热系数a

由式(3.2),

784478404

a2=0.0397^;Re9-Pr?=0.0397x^^xl92960-x4.8l

=3658IW(/M2-℃)

=0.0397盒Re??154PH3=o0397x()濡产8420784x15.90J

=656.7VW(/n2-4C)

⑨传热系数K

因介质是水和煤油，故取材质为A3卷筒钢板，厚3=4〃"〃，其导热系数入=46.5卬/(%℃),

两侧污垢热阻取RI=R2=0.0000017M.C/W,则

+端+°顿刈7+0.0000017

K=530VVW-℃)

⑩对数平均温差一〃”

(0一t"2)二(门一，)(140—40.6)二(40—30)

*"=l'Lt"2=140-40.6

M40-30

⑪传热面积F

F=Q=666000x1()3=&95加

Kdtm530x3600x39

⑫每块螺旋板有效长度le

,__8.95

\e—ou—=----------7.72m

2H-2x0.58

⑬螺旋板圈数及下料尺寸

设d2=200〃?机，c=bi+b2+28=5+15+2x4=28mm,贝I」

di=d2-(b2-bi)=2i)0-(l5-5)=190mm

由式(3.15)得螺旋体的有效圈度〜为

(2bz-di—d2)+A/(di+di2bz)2+16c^

n«=4c

(2x15-190-200)+^(190+200-2x15)2+16x28

4x28

=6.69

取有效圈数n,=7,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:

2

l/=li=f{n(di+2bi+46+d2)4-2(n-n)c}

314

=^-{7x(1904-2x5+4x44-200)+2(72-7)X28}

—8.26m

由式(3.13)得外侧螺旋板的下料尺寸为：

2

U=12{n(d14-2b-+48+d2