化工原理 壳管式换热器选型计算

题目：假定:压载水的温度为15℃，拟利用船舶的主机缸套冷却水进行热交换（取换热器进口的缸套水温度T1=75℃，出口温度T2=65℃），将压载水加热到25℃或30℃，其中，压载水的流量为800m3/h。换热器的热损失可忽略，不考虑管、壳程阻力压降。要求确定主机缸套冷却水的流量，并选择一种换热器（常用的，能耐海水腐蚀）。[取污垢热阻12d25dRR9/10mkw]选型计算步骤：压载水（海水）密度1=331.02510kg/m，定压比热容3p1=3.8910J/kgkc。淡水密度332/kg100.1m，在10℃～90℃时，其定压比热容几乎没有变化，可取3p2=4.210J/kgkc。热源水定性温度T=122TT=75652=70℃。经饱和水的物性表，查得：2=0.668wmk，2=406.1×610PaS。已知，压载水体积流量为：1vq=8003mh压载水质量流量为：31111.025800222.23600360010vmkgsqq压载水由初温1t=15℃，利用主机缸套冷却水分别加热到2t=25℃，30℃，由于两种情况下，冷热流体的温差均不大于50℃，故均可选用固定管板式换热器进行计算，具体如下:压载水，进，冷压载水，进，热热源，进，热热源，进，冷换热器【1】压载水：1t=15℃→2t=25℃海水的热导率、粘度比纯水稍低，其影响因素比较复杂，为简化计算，近似认为纯水。定性温度1525202t℃。经饱和水的物性表，查得:1=0.599wmk1=1004×610PaS物性参数如下表：物性流体密度（3kg/m）比热（J/kg·K）粘度（PaS）导热系数（wmk）1.压载水(冷源)31.0251033.89101004×6100.5992.缸套水(热源)31.01034.210406.1×6100.668注：管程流体（压载水）参数下标为1，壳程流体（缸套水）参数下标为2.(1)计算热负荷m1p121qCttQ（）=3222.23.89102515（）=9.333×610W通过热量衡算，知m2p212QqCTT（）=639.333104.2107565（）=222.22kg/s即，热源体积流量m2v2qq3600ρ=3222.2236001.010=8003mh(2)平均温差逆流:热源75℃→65℃冷源25℃←15℃温差50℃50℃由12tt=5050212mttt2逆=50502=50R=1221TTtt=75652515=1，P=2111ttTt=25150.1677515查温度校正系数ψ图，知ψ≈1＞0.8，故采用单壳程可行。且mmtφt逆=50℃(3)估算传热面积A估查表知，水-水换热的总传热系数为：1396～2838wmk，可选总传热系数2WK1800mk估，则mQAKt估估=629.33310103.7m180050(4)试选型管壳程的选择：本设计实例中，与缸套冷却水不同，压载水一般未经特殊处理，所含杂质较复杂，进而压载水侧极易产生腐蚀、结垢及沉淀，为方便换热器的维护管理，故采用压载水走管程，缸套冷却水走壳程。管程流速的选择：对于壳管式换热器，一般要求管程流速达0.2～2.5m⁄s，壳程流速达0.5～2.5m⁄s，结合本设计实例，为防止压载水杂质沉积，管程压载水流速取1mu1.5s。管子排列方式选择：管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳内径可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。本例选择正三角形排列。传热管的选择：选传热管19mm×2mm，其内径2d=0.017m，外径2d=0.019m。估算单程管子根数：v1211qnπ3600du4ˊ=28003.1436000.0171.54=653根根据传热面积估算管子长度：2ALπdnˊ估ˊ=103.72.66m3.140.019653若采用单程管，则每管程的管长选用L=ι=3m。由换热器设计手册查得，可选管子总数N=607根，管中心距t=25mm,正三角形排列。壳体内径D=700mm，可取折流板间距h=600mm，折流板数Bι3N114h0.6块,传热面积可选A105.1选㎡，管程流通面积为0.1073㎡。故，由换热器系列标准选用固定管板式换热器：BEM700-0.350.25-105.1-319-1I(5)校核总传热系数K①管程对流传热系数1。管内流体流速：v11221q800mu1.6sπ3.143600dn36000.0176074434111161duρ0.0171.61.02510Re2.7110μ10041036p1111Cμ3.8910100410Pr7.04λ0.5990.80.440.820.411111λ0.599α0.023RePr2.71107.046224.6d0.=0.023017=mwk（）②壳程对流传热系数2α。壳程流通面积：0d19S=hD(1)=0.60.710.1008t25㎡缸套水流速：v228003600qmu==2.2Ss0.1008／正三角形排列的当量直径：220e0223π4td24dπd33.1440.0250.01924=3.140.00.017319=－－㎜34e22262duρ0.01732.21.010Re9.3710μ406.11036p2222Cμ4.210406.110Pr2.55λ0.6680.80.340.80.322222eλ0.668α0.023RePr9.37102.5511163.8/()d0.017=0.023=3Wmk（）③总传热系数。由于压载水所含杂质较为复杂，在管程侧易产生结垢，而壳程侧冷却水也易产生结垢，为简化计算，可取污垢热阻125ddkRR910W㎡，碳钢热导率λ=45Wmk。21222dd2m111bddd11RRKαλddαd5510.00219191991091011163.84518176224.617=5.0663×410K=19742Wmk(6)传热面积：A=62mQ9.3331094.6mKt197450，与原估值基本相符。A105.11.11A94.6选，即传热面积有11﹪的裕量。计算表明，所选换热器规格可用。【2】压载水：123150tt℃℃定性温度t=153022.52℃。经饱和水的物性表，查得:1λ=0.60375Wm℃1μ=953.375×610Pas物性参数如下表：物性流体密度（3kg/m）比热（kJ/kg·K）粘度（Pas）导热系数（Wm℃）1.压载水(冷源)31.0251033.8910953.3756100.603752.缸套水(热源)31.01034.210406.16100.668注：管程流体（压载水）参数下标为1，壳程流体（缸套水）参数下标为2.(1)计算热负荷Q=37m1p121qCtt222.223.8910301510W（）（）=1.4通过热量衡算，知7m23p212Q1.410kgq333.3sCTT4.2107565（）（）热源体积流量3m23v2q333.33mq360036001200ρh1.010(2)平均温差逆流:热源75℃→65℃冷源30℃←15℃温差45℃50℃由12t452t50知，12mtt4550t47.522逆℃R=1221TT75650.667tt3015，P=2111tt30150.25Tt7515查温度校正系数φ图，知φ≈0.98＞0.8，故采用单壳程可行。且mmtφt46.55逆℃(3)估算传热面积A估查表知，水-水换热的总传热系数为：1396～2838，可选总传热系数2WK1800mk估，则A估=72mQ1.410167.1mKt180046.55估(4)试选型流程的选择：本设计实例中，与缸套冷却水不同，压载水一般未经特殊处理，所含杂质较复杂，进而压载水侧极易产生腐蚀、结垢及沉淀，为方便换热器的维护管理，故采用压载水走管程，缸套冷却水走壳程。流体流速的选择：对于壳管式换热器，一般要求管程流速达0.2～2.5m⁄s，壳程流速达0.5～2.5m⁄s，结合本设计实例，为防止压载水杂质沉积，管程压载水流速取1mu1.5s。管子排列方式选择：管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳内径可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。在这里选择正三角形排列。选传热管19mm×2mm，其内径1d0.017m，外径2d0.019m。估算单程管子根数：v12211q800n653π3.143600du36000.0171.544ˊ根根据传热面积估算管子长度：2A167.1L4.3mπdn3.140.019653ˊ估ˊ若采用1程管，则每管程的管长选用L=ι=4.5m。由换热器设计手册查得，可选管子总数N=797根，管中心距t=25mm,正三角形排列。壳体内径D=800mm，可取折流板间距h=600mm，折流板数Bι4.5N117h0.6块，传热面积可选A209.3选㎡，管程流通面积为0.1408㎡。故，由换热器系列标准选用固定管板式换热器：BEM800-0.350.25-209.3-4.519-1I(5)校核总传热系数①管程对流传热系数1。管内流体流速：v11221q800mu1.3sπ3.143600dn36000.0177974434111161duρ0.0171.31.02510Re2.3210μ953.3751036p1111Cμ3.8910953.37510Pr6.63λ0.603750.80.440.80.4121111λ0.60375Wα0.023RePr2.32106.63mkd00.023540.09.172（）②壳程对流传热系数2α。壳程流通面积：0d19S=hD(1)0.60.810.1152t25㎡缸套水流速：v228003600qmu2Ss0.1152／正三角形排列的当量直径：220e03π4td24dπd－2233.1440.0250.019243.140.019－=0.0173㎜34e22262duρ0.017321.010Re8.5210μ406.11036p2222Cμ4.210406.110Pr2.55λ0.6680.80.340.80.322222eλ0.668Wα0.023RePr8.52102.55mkd0.0.023103460173（）③总传热系数。由于压载水所含杂质较为复杂，在管程易产生结垢，而壳程侧冷却水也易产生结垢，为简化计算，可取污垢热阻125ddkRR910W㎡，碳钢热导率λ=45Wmk。21222dd2m111bddd11RRKαλddαd5510.0021