武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书解读

武汉理工大学《工程热力学与传热学》课程设计说明书

表3-1 物性参数

密度 定压比热容 导热系数 动力粘度 3普朗特数Pr kg/m kJ/（kg·℃） W/（m·K） Pa·S 管程低温淡水（39℃） 992.6 4.174 0.633 668.12 壳程高温淡水（78.5℃） 972.7 4.1935 0.673 362.7

3.3 传热量及平均温差的计算

壳程高温冷却水的质量流量：

M58?972.71?3600?15.67kg/s 传热量：

Q?M'\1Cp1(t1?t1)??L?15.67?4.1935?(85?72)?0.98?837.17KW由此可得管程低温淡水的质量流量： MQ2?c\?837.17p2(t2?t’2)4.174?(45-33)?16.71kg/s 式中：

ηL—以放热量为准的对外热损失系数，取0.98；

由传热学知识求得：?tmax?40oC ，?tmin?39oC

按图3-1所示计算逆流式的对数平均温差： ?t1m,c??tmax??tmin?40?39?39.5oln?tC max?tln40min39

图3-1 壳管式换热器逆流型温度变化图

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4.42 2.24 （3-3）

（3-4）

（3-5） 3-6）

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故有效平均温差：

?tm???t1m,c?0.98?39.5?38.7oC （3-7） 式中：

??温差修正系数，由参数：

\'t1'?t1''85-72t2?t245-33 R?'' ??1.083P???0.23 ''45-3385-33t2?t2t1'?t2查图3-2得 ?=0.98。

图3-2 温差修正系数

3.4 传热面结构设计 3.4.1 估算传热面积

查参考文献[2]附录A得传热系数取值范围1000-2000W/m2·℃，初选传热系数K' =1200W/m2·℃。

估算传热面积：

F'?Q837170??18.03m2 （3-8） 'K?tm1200?38.73.4.2传热管束的选取

传热管束根据管侧冷流体的流量及管内流速来确定。流速是换热器设计的重要参数，提高流速可以提高传热系数（减少传热面积）；减少在管子表面生成污垢的可能性，但同

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时压力降和功耗也随之增加。水在管道中的最大允许速度与管道的材质有关，本文中管子材料选用碳钢无缝钢管，型号为Φ25×2.5，即其外径d0=25mm，内径di=20mm，初步计算时选定管内水的流速为?2?1m/s。

管程所需流通截面： At? 每程管数：

n?取整n=54根。 每根管长：

l?AnZ1?d0?2??0.006?18.03?2?0.05?0.006?2.23m （3-11）

54?2???0.025M2?2?2?16.71?0.0168m2 （3-9）

992.6?14At4?0.0168??53.5根 （3-10） 22?di??0.02取标准管长2m。 式中：

Z1—总管程数，在本设计中其值为2；Z1=2×N； δ—管板厚度（固定取为0.05m）；0.006为误差修正。

管子布置的结构参数如表3-2。

表3-2 换热管分布的结构参数

管子排列方式 等边三角形 管间距 分程隔板槽处管间距 平行于流向垂直于流向的S（mm） lE（mm） 的杆S（mm） 管距Sn（mm） 32 44 27.7 16 3.4.3管束布置

管子排布形式有正三角、正方形、转角正方形，转角三角形、同心圆几种排布形式。其中正三角排布形式和正方形排布用的较多，正方形排布有益于清扫污垢，常用在易生成污垢的场合，而正三角排布有结构紧凑，工艺方便，能获得更大的传热系数的特点，本例题设计中，污垢形成相对较少，因此总要从结构紧凑等方面考虑选择正三角布置。

中心管排数：

N0?1.1?nt0.5?1.1?1080.5?11.43 根 （3-12）

取值为11。

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由以上数据初步画出换热管分布草图，如附图1。

3.4.4拉杆的选取

查文献[1]表2.7查得拉杆有关数据，如表3-3(估计壳体直径在400-700mm之间)。

表3-3 拉杆结构数据参数

换热管直径（mm） 拉杆直径（mm） 拉杆数量（mm） 25 16 4 3.5壳程结构设计

3.5.1初步估算壳内径

如附图1，用CAD画草图量得管束中心至最外层管中心距离为0.1996m。

管束外缘直径：

DL?0.1996?2?0.025?0.424m （3-13） 壳体内径：

DS?DL?2b3?0.424?2?0.008?0.44m （3-14）式中：

b3=0.25d=6.25且不小于8mm，故取b3=8mm。

因此可取换热器壳体标准直径,即公称直径DN?0.45m。

由文献[4]可初选壳内径为0.5m，则换热管长度与壳体直径之比为2/0.5?4。目前所采用的换热管长度与壳体直径之比为4-25之间，所以初选的壳体与换热管结构参数较为匹配。

3.5.2折流板设计

管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其扰动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。本文采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%～25%，取25%，则切去的圆缺高度为：

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