工程熱力學(xué)課程設(shè)計管式換熱器

00目錄TOC\o"1-5"\h\z緒論21.1管殼式換熱器概述21.2管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)21.3換熱器的研究內(nèi)容及意義3計算設(shè)計說明書52.1設(shè)計準(zhǔn)備52.1.1設(shè)計依據(jù)52.1.2設(shè)計原理52.1.3設(shè)計步驟62.2初步確定設(shè)備結(jié)構(gòu)62.2.1定性溫度62.2.2物性參數(shù)72.2.3初選管材及管內(nèi)流速72.2.4對數(shù)平均溫差72.2.5確定所選管材92.3校核換熱系數(shù)102.3.1管程換熱系數(shù)102.3.2板管計算102.3.3殼程傳熱系數(shù)112.3.4污垢熱阻和管壁熱阻122.3.5計算傳熱系數(shù)122.4折流板計算122.5阻力計算142.5.1管程流體阻力142.5.2殼程阻力152.6參數(shù)總表17設(shè)計小結(jié)19參考文獻(xiàn)20武漢理工大學(xué)《工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)》課程設(shè)計說明書武漢理工大學(xué)《工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)》課程設(shè)計說明書#2.2.2物性參數(shù)根據(jù)定性溫度，分別查得殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)⑺。管程淡水在78.5r下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度p=972.71kg/m3定壓比熱容C=4.1938pikJ(kg?K)熱導(dǎo)率入=0.67311W/(m?C)粘度V=3.725X10-71m2/s普朗特數(shù)Pr=2.261無量綱表2-1物性參數(shù)殼程淡水在40.5°C下的物性數(shù)據(jù):密度p=991.9952kg/m3定壓比熱容C=4.174P2kJ/(kg?K)熱導(dǎo)率入=0.63572W/(m?C)粘度v=6.539x10-72m2/s普朗特數(shù)Pr=4.2715無量綱表2-2物性參數(shù)2.2.3初選管材及管內(nèi)流速材料形式排列方式管徑/mm管長/m流速m/s管程數(shù)無縫碳鋼光管三角形25X2.562.02表2-3換熱管規(guī)格2.2.4對數(shù)平均溫差Q二qc(W)m1pl117又有：q二pq/3600m11v1根據(jù)前面公式有:將已知數(shù)據(jù)代入得:Q二(65x972.7/3600)x4.1938x(84-73)二8.1x105Wo式中：q-高溫淡水流體的流量，kg/s；mlc-高溫淡水流體的定壓比熱容，kJ(kg?°C)；P1%-高溫淡水流體的溫差，°C；Q-熱流量，W。O實際換熱量：Q二QX1.1/0.9二9.9x105Wo根據(jù)對數(shù)平均溫差公式計算:At—AtAt=1A2mAtln―1-At2按逆流計算將已知數(shù)據(jù)代入得:AtmAt1—At2_(84—45)—(73—36)84—4573—36二37.99c式中：At—逆流的對數(shù)平均溫差，C；mA[—熱流體進(jìn)出口溫差，°C；At—冷流體進(jìn)出口溫差，°C；2可按圖2-1中(b)所示進(jìn)行計算。圖2-1列管式換熱器內(nèi)流型再根據(jù)P和R的值確定溫差修正系數(shù)屮，1、2分別代表殼側(cè)和管側(cè):t"—t'73—84P—2——0.229t'—t''36—8412t'—t''36—45R———0.818t''—t'73—8422根據(jù)P,R查圖10-23⑻得：屮=0.99At'二屮At二0.99x37.99二37.61°Cmm2.2.5確定所選管材查資料⑵可知工程上水-水換熱器的換熱系數(shù)在800?1500W/(%2.。0,根據(jù)經(jīng)驗假定K=1100W/(m2?°C)。則總換熱面積為:QoK'AQoK'At'm9.9x1051100x37.61=23.93m2前面已經(jīng)選取管內(nèi)流速為U]=2.0m/s,d=0.02m，假設(shè)所需管數(shù)為ni則有:q/360065/3600n=九=-=28.7，取n=28。d2ux0.022x24ii4已知d二0.025m，0則所需管長為:23.93—x0.025x28=10.88m由L<管長X管程數(shù)=12m,故知與初選管材符合。由于需要兩個管程，所以總管數(shù)為：N=2n=2x28=56根t2.3校核換熱系數(shù)2.3.1管程換熱系數(shù)的計算Re=ud/v=2.0x0.02/(3.725x10-7)=1.1x1051i1式中Re-管程雷諾數(shù)；U]_管道內(nèi)流體的速度,m/s；v-運(yùn)動粘度m2/s。1一般Re>10000即為湍流，查資料知：Nu=0.023xRe0.8xPrn=0.023x(4.39x104)0.8x4.7540.3=317.051式中Nu1-努塞爾數(shù)；Re-管程雷諾數(shù)；Pr=普朗特數(shù)；n-加熱流體時取0.4,冷卻流體時取0.3。此處取0.3。h=Nux九/d=317.05x0.6731/0.02=10670.3W/(m2?°C)ii式中h-管程換熱系數(shù)W/(m2?。0。i2.3.2板管計算

中心管排數(shù)：N=1.1xN0.5=1.1x56o.5=9(根)0t管間距：s=1.25Xd=1.25X0.025=0.03125m0殼體內(nèi)徑：D=s(N-1)+4d=0.03125x(9-1)+4x0.025=0.35ms002.3.3殼程傳熱系數(shù)殼程流通面積:.352—56x0.0252)=0.0687m.352—56x0.0252)=0.0687m24st04殼程流速:=牟=65/991.995=0.387m/sa3600x0.06871當(dāng)量直徑:D2-Nd20.352-56x0.025256x0.025st0==6.25x10-56x0.025Ndt0殼側(cè)熱流體的雷諾數(shù):ud0.387x0.0625Re===3.70x104>104，故知冗側(cè)是湍流。V0.65385X10-62由資料［6查得流體橫向外掠單管時的努塞爾準(zhǔn)則式:10.62Re0$Pr310.62Re0$Pr3Nu=0.3+2282000丿4150.62X370000.5X4.27153=0.3+—0421[1+(4.2715)3]4[1+(37000)8]5282000Pr丿=225.56式中Nu2-努塞爾數(shù);Re-雷諾數(shù)；Pr-普朗特數(shù)。

Nu九225.56x0.63565()冗側(cè)的換熱系數(shù)h=22==2294.76W/'m2?°C丿od0.0687e2.3.4污垢熱阻和管壁熱阻查資料［6］知污垢熱阻和管壁熱阻可?。汗軆?nèi)側(cè)污垢熱阻R=1.76x10-4m2.七/Wi管外側(cè)污垢熱阻R=1.76xl0-4m2弋/W0查表可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為43.6W/(m?OC)；將已知數(shù)據(jù)代入得:0囂=5?73x10-5(m2?OC/W)式中：R式中：Rw管壁熱阻，m2.oc/W傳熱管壁厚，m;管壁熱導(dǎo)率，W/(m?oc)。2.3.5計算傳熱系數(shù)由于是工程上計算，可略去管壁導(dǎo)熱阻力,則有:K=1TOC\o"1-5"\h\z=1d1d+R+R0+0h0idhd0iii10.02510.025+1.76x10-4+1.76x10-40025+2294.76()0.0210670.40.02=1053.6W/\n2?°C丿絕對誤差二K—K=1053.6—1100=-46.4W/C2&C)(K—K)-464相對誤差=()x100%=———x100%=—4.4%K1053.6誤差在工程計算允許范圍以內(nèi)，故換熱系數(shù)校核符合要求。2.4折流板計算管殼式換熱器殼程流體流通面積比管程流通截面積大，為增大殼程流體的流速，加強(qiáng)其擾動程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。單殼程的換熱器僅需要設(shè)置橫向折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%?25%,取25%，取則切去的圓缺高度為：h=350x0.25=87.5mm故可取h=140mm查資料［9可知折流板板間距一般為D/3，結(jié)合一般標(biāo)準(zhǔn)取值，則取折流板間距SB=150mm折流板數(shù)Nb=折流板間距-1=150-1=39塊）折流板圓缺面水平裝配。圖2-2弓性折流板(水平圓缺)2.5阻力計算2.5.1管程流體阻力管程總阻力包括單程直管阻力和局部阻力。Ap=(Ap+Ap)NNFi12PSt查資料⑵得N=2,N=1.2,F=1.2，pSt式中N-管程數(shù)；pAp-管程總阻力，Pa；iF-管程結(jié)垢校正系數(shù)，對025x2.5mm的管子，取1.2；t單程直管阻力：Lpu2Ap=k+iid2i由Re=110000，查工程流體力學(xué)［3］表4-1知傳熱管絕對粗糙度g=0.12傳熱管相對粗糙度g=0.12=6.0x10-3d20i查資料⑵知，對光管，當(dāng)Re>105時，九=0.2864Re-0.2258=0.2864(1.1x105)42258=0.0208iip=972.7kg/m3，u=2.0m/s，將已知數(shù)據(jù)代入得:11Lpu26972.7x12.02Ap=X11=0.0208xx=12139.3Pa1id20.02i式中X-沿程損失系數(shù)；iL一管長，m；d=傳熱管內(nèi)徑，m；iP］—熱流體密度，kg/m3；

u-管內(nèi)流速，m/s；iAp-單程直管阻力，Pa。i查資料⑵可知，局部阻力按下式計算,3pu2——2將已知數(shù)據(jù)代入得:3pu3pu2i23x972.7x2.022=5836.2Pa式中Ap-局部阻力，Pa；2pi-熱流體密度，kg/m3；U]-管內(nèi)流速，m/s；管程總阻力為：Ap=(12139.3+5836.2)x2x1x1.2=43141.2Pa=0.0431MPa<O.IMPai則管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2.5.2殼程阻力計算殼程總阻力由流體流經(jīng)管束的阻力和流體通過折流板缺口的阻力組成。查資料⑵可知，殼程阻力按下式計算：Ap=(Ap'+Ap')FNo12ss查資料⑵得，N=1，F(xiàn)=1.2，ss式中Ap-殼程總阻力，Pa；0Ap'-流體流過管束的阻力，Pa；Ap'-流體流過折流板缺口的阻力，Pa；2F-殼程結(jié)垢校正系數(shù)；N-殼程數(shù)；s查資料⑵得流體流經(jīng)管束的阻力按下式計算APi'=Ffnc（Nb+1）%吁將已知數(shù)據(jù)代入：991995x03872Ap'=0.5x0.304x8.23x(39+1)x=3717.1Pai2式中Ap'-流體流過管束的阻力，Pa；F-管子排列方式為正三角形，所以F二0.5；f-殼程流體的摩擦系數(shù)，查［1］知，f=1.52Re-0.153=1.52(3.7x104)-0.153=0.304；000n-橫過管束中心線的管子數(shù)，n=1.1N0.5二1.1x560.5二8.23；TOC\o"1-5"\h\zccTN-折流擋板數(shù)，N=39；BBP=冷流體密度，kg/m3；2u—按殼程流通面積計算的流速，u=0.387m/s；22查資料⑵知，流體通過折流板缺口的阻力依下式計算：?2=Nb心5-普)呼將已知數(shù)據(jù)代入：Ap'=39（3.5—2x°」5））991."5x°3872=7656.67Pa20.352式中N-折流擋板數(shù)，N=39；BBB-折流擋板間距，m,B=0.15m；D-殼體內(nèi)徑，m,D=0.35m；P-冷流體密度，kg/m3；2u—按殼程流通面積計算的流速，u=0.387m/s；22Ap'—流體流過折流板缺口的阻力，Pa；2殼程總阻力：Ap=3717.1Pa+7656.67Pa=11373.77Pa=0.0114MPa<O.IMPa0則殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。由于該換熱器管程和殼程阻力均小于最大允許值，因此是滿足設(shè)計要求的。2.6參數(shù)總表表2-4換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果

數(shù)參程管A/量流56CO/S/溫口出/進(jìn)378563物性co/s/溫性定567540.gks/密s?aps/黏曰F數(shù)特朗普設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)管型U數(shù)臺1Xm蔔O53數(shù)程殼1X/mmw管外23/mm管600列子管A數(shù)65i93/mmO51X數(shù)程管2質(zhì)材鋼碳程管OC)O?co?a漩傳熱系數(shù)/[W/(m2?°C)]1053.6設(shè)計小結(jié)參考文獻(xiàn)李志勇，喻健良,劉志軍?過程機(jī)械[M].北京: