熱交換器計(jì)算示例【《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》課件】

《熱交換器計(jì)算示例》

2.6管殼式熱交換器

［例2.2］試對(duì)固定管板的管殼式煤油冷卻器進(jìn)行傳熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算和阻力計(jì)算。在該熱交換器中，

要求將14t/h的煤油由140c冷卻到40℃,冷卻水的進(jìn)、出口水溫為30c和40℃,煤油的工

作表壓力為0.1MPa,水的工作表壓力為0.3MPao

解

由已知條件，選用兩臺(tái)(1-2)型管殼式熱交換器串聯(lián)工作，水的結(jié)垢性強(qiáng)，工作壓力也較高，故使其在管程

流動(dòng)，而煤油的溫度、壓力均不高，且較潔凈，在殼程流動(dòng)也是合適的，計(jì)算過程和結(jié)果列于表2.11中。

表2.11例2.2計(jì)算表格

項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或數(shù)據(jù)來源數(shù)值備注

1煤油進(jìn)口溫度八℃由題意140

2煤油出口溫度由題意40

原

3冷卻水進(jìn)口溫度6由題意30

始

4冷卻水出口溫度*C由題意40

數(shù)

5煤油工作表壓力MPa由題意0.1

據(jù)Pi

6冷卻水工作表壓力P2MPa由題意0.3

7煤油流量Mkg/s由題意3.89

8煤油定性溫度Ani*C(八+八)/2=(140+40)/290

9煤油比熱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煤油導(dǎo)熱系數(shù)21W/(m-℃)查物性表0.1328

體

pr/仔小_604.5x10-6x2330

的13煤油普蘭德數(shù)Pn—13.7

40.1028

物

性14水的定性溫度c(6+r2)/2=(30+40)7235

參15水的比熱Cp2kJ/(kg-C)查物性表4.187

數(shù)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水的導(dǎo)熱系數(shù)〃2W/(m-QC)查物性表725xl0

?“2725x1()6X4I87

19水的普蘭德數(shù)Pri—4.9

40.621

20熱損失系數(shù)7L—取用0.98

傳

熱

Q=MicPi

21傳熱量QkW888

量14000/3600x2.33x(140-40)x0.98

項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或數(shù)據(jù)來源數(shù)值備注

及，，，

M2=Q/c/,2(t2—t2)

22冷卻水量Mikg/s21.21

平=888/4.187x(40-30)

均

逆流時(shí)對(duì)數(shù)平均溫x-加疝,J。。-1。

溫,A/.100

23*CIn—nuxIn——39

差差△*io

24參數(shù)。及K

40-30

p0.091

/；-/；140-30

?L-L140-40

RR/j-40-3010

25溫差修正系數(shù)中——由＜2-4＞型公式計(jì)算0.972

26有效平均溫差c=i//Arim,c=0.972x3937.9

27初選傳熱系數(shù)K'W/(m2-℃)查參考資料230外徑

廣=_^_=888000/230x37.9

28估算傳熱面積F101.87

K'M

29管子材料及規(guī)格mm選用碳鋼無縫鋼管(p25x2.5

30管程內(nèi)水流速CO2m/s選用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每程管數(shù)n根/?68

算7rd；

傳

7-r/nZtnJo-101.87/68^4/1?0.025

執(zhí)

■?、、33每根管長lm4.5

=4.77取標(biāo)準(zhǔn)長

面

等邊三角

積34管子排列方式選

彩

及

傳35管中心距smm由表2.332

執(zhí)分程隔板槽處管中

36IEmm由表2.344

面心距

結(jié)

37平行于流向的管距即mm=scos300=32ccs30°27.7

構(gòu)

38垂直于流向的管距Snmm.%=ssin30°=32sin30°16

39拉桿直徑mm由2.1.5節(jié)16

40做草圖圖2.48

41作圖結(jié)果所得數(shù)據(jù)見圖2.48

六邊形層數(shù)a—6

一臺(tái)管子數(shù)“t根136

一臺(tái)拉桿數(shù)根由表2.7,估計(jì)殼體直徑在400~700mm間4

一臺(tái)傳熱面積m2〃皿//=136兀x0.025＞：4.548.1

項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或數(shù)據(jù)來源數(shù)值備注

二臺(tái)傳熱面積F"m22x48.196.2

管束中心至最外層

m由圖2.48,量得或算出0.224

管中心距離

42管束外緣直徑DLm0.224x2+2x0.01250/73

43殼體內(nèi)徑Dsm￡>s=Di+2bi

〃3=0.25d=6.25mm.旦t8mm,故

0.5

5=0.0473+2x0.008

按照GBI51—1993規(guī)定，取標(biāo)準(zhǔn)直徑

44長徑比——//Ds=4.5/0.59合理

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

45管程接管直徑Dimm\p(oV1000x1(D180x5

按鋼管標(biāo)準(zhǔn)取值

管

(。血4_1x1000x0.02

程管程雷諾數(shù)/

46RC2出-725x10*27586

計(jì)

A

算?2=A'0.023Re^Pr^

24

47管程換熱系數(shù)?2W/(m-℃)4813

=0.621/0.02X0.023X2758608X4.9°4

48折流板形式選定弓形

49折流板缺口高度hm/i=0.25Ds=0.25x0.50.125

50折流板的圓心角度120

/

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

52折流板數(shù)目M塊4500/250-117

53折流板上管孔數(shù)個(gè)由圖2.481)6

士

冗54折流板上管孔直徑赤m由GB151-1999規(guī)定0.0254

程

55通過折流板上管數(shù)根由圖2.48112

結(jié)

56折流板缺口處管數(shù)根由圖2.4824

構(gòu)

57折流板直徑Dbin由GB151-1999規(guī)定0.4955

及

58折流板缺口面積Awgm2.廳門211.00.038387

殼<=———0-(1----)sin—

"42D2

程-5.

.O.521120z2x0.125、.

計(jì)兒=-----X--------(n1-------------)sin60

、*

算4|_21800.5_

59錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管子數(shù)占口1.一2八1D.-2/r'

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

總管數(shù)的百分?jǐn)?shù),冗2LDL

-2arcos(———)}=—[TT

D】n

?0.5-0.25、.「0.25/

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

0.4730.473.

?0.25,

-2arcos------)

0.473

項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或數(shù)據(jù)來源數(shù)值備注

八w尸品"(I—E)

缺口處管子所占面8

60Awim20.01237

積乃xO.025?一八,

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

8

流體在缺口處流通

614m2Ab=4w一50.038387—0.012370.026

面積g

2

62流體在兩折流板間A,m4=4Q,_￡>L+2($_4)]0.031

錯(cuò)流流通截面積s

八nciAc(\A-i-i1.0.473—0.025

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

0.032

x(0.032-0.025)

63殼程流通截面積人nr=70.026x0.0310.0284

按兀。2/4=o0284計(jì)算，并由鋼管標(biāo)準(zhǔn)選

64殼程接管直徑o,mm①203x6

相近規(guī)格

65錯(cuò)流區(qū)管排數(shù)M排由圖2.488

每一缺口內(nèi)的有效h

殼66AU排N*—=0.8x0.125/0.0273.7

程錯(cuò)流管排數(shù)

結(jié)

67旁流通道數(shù)NE1

構(gòu)

68旁通擋板數(shù)網(wǎng)對(duì)選取3

及

69錯(cuò)流面積中旁流面"bp1Fbp=|D-DL+1/2NE，EUJAC0.395

殼

積所占分?jǐn)?shù)=[0.5-0.473+l/2xIx0.0441x0.25Z0.031

程

2

計(jì)70一塊折流班上管子AmmA出(1-Fc)/?t/20.0335

算和管孔間泄漏面積=71x0.025x0.0004x1.64x136/2

71折流板外緣與殼體Asbm24=5^2^；_虹8。刈—號(hào))]0.002365

內(nèi)壁之間泄漏面枳

0.5x(0.5-0.4955)

2

r0.25.1

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

L().5」

M4,3.89x0.025

72殼程雷諾數(shù)Re\e，~4人，-604.5x10^x0.02845664

73理想管束傳熱因子JH由圖2.280.011

折流板管束校正因

74Jc由圖2.291.01

子

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

九一0.031

程子

結(jié)=0.1889

構(gòu)4,_0.002356

及4+4—0002356+0.0035

項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或數(shù)據(jù)來源數(shù)值備注

殼=0.4查圖2.30

程76旁通校正因子由區(qū)=3=0.375及尺p=0.3950.94

計(jì)N8

算查圖2.31

jo=jHjcj\jb

77殼程傳熱因子Jo0.0977

=0.011x1.01x0.74x0.94

G=^.=3.89/0.0284

78Gskg/(m2-s)137

殼程質(zhì)量流量54

79殼側(cè)壁面溫度fw*C假定40

6

80壁溫下煤油黏度"wlkg/(m-s)查物性表1080x10

014

CM=joGscpPr^。也G

81殼側(cè)換熱系數(shù)W/(m2-℃)406

=0.0077x137x2330x13.7-2/3/1.0574

2e

82水垢熱阻七2(m-C)/W查表得0.00034

83油污垢熱阻小(nr-℃)/W查表得0.00017

84管壁熱阻略

W/(m2.℃)

85傳熱系數(shù)K-1301

需八一1G.l,1,

|_四44」

用

'I25，皿25T

傳=——+0.00017+0.00034X;—+4813—

14062020_

熱

面F=-Q—=888000/301x37.9

86傳熱面積Fnr77.84

積K^tm

87傳熱面積之比F7F96.2/77.841.236稍大

88檢驗(yàn)殼側(cè)壁溫TwleCQi=Li_K(,+4.I)A*39.96與假定

%值差

=90-301x(|7406+0.00017)x2H.90.04°C

89管內(nèi)摩擦系數(shù)查圖2.350.0365

90管側(cè)壁溫，w2℃假定40

6

91壁溫下水的粘度"w2kg/(ms)查物性表653.3x1O-

92沿程阻力APiPa11530兩臺(tái)

d,2

阻

,八八八八181000x1

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

力0.022

計(jì)725x104

算653.3x1()4

AQ.l(XX)xl

93向彎阻力APPaAP=4-￡—^Z,=4x-------x48000兩臺(tái)

r，2，2

△%=L5應(yīng)=L5x儂迎

94進(jìn)出口連接管阻力△PNPa750

“22

95兩臺(tái)管程總阻力APtPaAPI=API+APT+APN20280沒超表

項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或數(shù)據(jù)來源數(shù)值備注

=11530+8000+7502.10規(guī)定

96理想管束摩擦系數(shù)人——查圖2.360.19

97理想管束錯(cuò)流段阻△PbkPa△P1八警山人嚴(yán)65.4

力248

48Q2v2

=4x0.19x--__—x1.0574

2x0.03『x774

98理想管束缺口處阻△PwkPaM251.2

△電=^—(2+0.6心)

力244月

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

2x0.026x0.031x774

99旁路修正系數(shù)Rb——查圖2.380.85

折流板泄漏校正系

100R—查圖2.370.48

數(shù)

折流板間距不等校

101氏——間距相等，不需校正1

正系數(shù)

102殼程總阻力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

沒超表

103兩臺(tái)殼程總阻力APSPa2XAP；=2X10072014

2.10規(guī)定

3.1螺旋板式熱交換器

［例3.1］試設(shè)計(jì)一臺(tái)螺旋板式熱交換器，將質(zhì)量流量3000kg/h的煤油從匕=140℃

冷卻至!lt"i=40℃。冷卻水入口溫度匕=30℃,冷卻水量為Mz=15nI3/h。

［解I

①煤油的熱物性參數(shù)值

煤油平均溫度按卡路里溫度計(jì)算，即ti,*=/+Fc（匕一門）=40+0.3（140—40）=70℃。查

得煤油在70℃時(shí)物性參數(shù)值：

黏度閨=10.0x10-4機(jī)/（〃對(duì)，導(dǎo)熱系數(shù)1I=0.14VW（/M-℃）,

比熱Cpi=2.22x103力（依.七），密度pi=825口加3。

②傳熱量Q

33

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

③冷卻水出口溫度t"?

由Q=M2cp2(t"2-t’2)，得

Q,666000X103

1-30=40.6℃

M2cp22-15x994x4.18x1()3

④冷卻水的熱物性參數(shù)值

冷卻水的平均溫度t2〃,=、^=35.3℃,冷卻水在該溫度下的熱物性參數(shù)值為：

黏度P2=7.22X10-4^/（W6）,導(dǎo)熱系數(shù)入2=0.627W/（心C）,

比熱Cp2=4.18xl0"（版?℃）,密度p2=994必加3。

⑤選型

由于是液一液熱交換，選I型。

⑥流道的當(dāng)量直徑&，

選取在流道中的流速，冷卻水側(cè)為W2=0.5"Z/S,煤油側(cè)為WI=0.4〃?/$。設(shè)冷卻水側(cè)的流

通截面積為A2,煤油側(cè)為Ai，則

M215x994

A?=-=0.00833nr

3600w2p23600x0.5x994

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

取螺旋板寬H=0.6"?,則去除封條寬厚的有效板寬H,，=H—2x0.1=0.58〃?。通道寬b?（水

側(cè)）和也（煤油側(cè)）為

A0.00833

2=0.014w

b2=0.58

Ai0.0025

b,=H；=-K58-=0.(X)43m

查產(chǎn)品樣本取b2=15mm,b）=5mm

通道的當(dāng)量直徑也（水側(cè)）和de1（煤油側(cè)）為:

_2Hhi_2x0.58x0.015

3―H,，+b2―0.58+0015=0.0292m

,2H-b2xQ.58xQ.QO5

<l=0.0099m

由一記而().58+0.005

⑦雷諾數(shù)Rc及普朗籽數(shù)Pr（下標(biāo)2為水側(cè)，1為煤油側(cè)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,-陽VCp|

0J4=15.9

⑧對(duì)流換熱系數(shù)a

由式(3.2),

784478404

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

=3658IW(/M2-℃)

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

=656.7VW(/n2-4C)

⑨傳熱系數(shù)K

因介質(zhì)是水和煤油，故取材質(zhì)為A3卷筒鋼板，厚3=4〃"〃，其導(dǎo)熱系數(shù)入=46.5卬/(%℃),

兩側(cè)污垢熱阻取RI=R2=0.0000017M.C/W,則

+端+°頓刈7+0.0000017

K=530VVW-℃)

⑩對(duì)數(shù)平均溫差一〃”

(0一t"2)二(門一，)(140—40.6)二(40—30)

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

M40-30

?傳熱面積F

F=Q=666000x1()3=&95加

Kdtm530x3600x39

?每塊螺旋板有效長度le

,__8.95

\e—ou—=----------7.72m

2H-2x0.58

?螺旋板圈數(shù)及下料尺寸

設(shè)d2=200〃?機(jī)，c=bi+b2+28=5+15+2x4=28mm,貝I」

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

由式(3.15)得螺旋體的有效圈度?為

(2bz-di—d2)+A/(di+di2bz)2+16c^

n?=4c

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

4x28

=6.69

取有效圈數(shù)n,=7,此即為內(nèi)側(cè)螺旋板的實(shí)際圈數(shù)。由式(3.12)得內(nèi)側(cè)螺旋板的下料尺寸為:

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)得外側(cè)螺旋板的下料尺寸為：

2

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