2010秋季学期化工原理课程
综合设计作业
姓名：**
学号：**
班号：**
成绩
管壳式换热器的设计和选用
一、设计任务与条件
要求将某种物性和空气相近的加压气体由90℃冷却到40℃。已知气体的流率为3㎏/s 。以进口温度为20的冷却水作为冷却介质，试根据下述条件设计一列管换热器。 （1）冷却水走壳程，壳程装有弓形折流板； （2）气体走管程，气体压力取为106
Pa;
（3）管子外径d 1=25mm,内径d 2=20mm ，管子中心距=32mm ，等边三角形排列；
（4）气侧污垢热阻R 1=0.3m 2
·℃/kW 水侧污垢热阻R 2=0.6m 2
·℃/kW ，管壁导热系数 λ=0.45kW/(m·℃)。 二、设计计算
1.估算传热面积，初选换热器型号 （1）基本物性数据的查取 气体的定性温度=
2
4090+=65℃
查得气体在定性温度下的物性数据：λ 1
=2.935×10-5
kW/(m·℃)，Cp 1=1.009KJ/(㎏·℃),
μ1=2.035×10-5Pa·s ，ρ1=10.31㎏/m 3。
查阅相关资料，选择冷却水的温升为8℃，则水的出口温度为28℃ 水的定性温度=
2
2820+=24℃
查得水在定性温度下的物性数据为：λ
2
=0.605W/(m·℃)，Cp 2=4.179KJ/(㎏·℃),
μ2=9.0×10-4Pa·s ，ρ2=997.5㎏/m 3。 （2）热负荷计算
Q=q m,1Cp 1(T 1-T 2)=3×1.009×103×(90-40)=1.51×105W 冷却水消耗量 q m,2=
)
(122t t Cp Q -=1.51×105÷4.179÷103÷（28-20）=4.52㎏/s
（3）计算平均温度差 先按照纯逆流计算，得： Δt m 逆=
20
62ln 2062-=37.1
R=
20
284090--=6.250 P=
20
902028--=0.114
由R 、P 值，按单壳程，双管程结构，查图4.25得温度校正系数ψ=0.96，因为ψ>0.8,选用单壳程可行
Δt m =ψΔt m 逆=0.96×37.1=35.6℃ （4）选K 值，估算传热面积
参考课本表4-7，选总传热系数K 估=260w/(m·℃)，则 面积A 估=Q/（K 估Δt m ）=1.51×105÷260÷35.6=16.3㎡ （5）试选换热器型号
由两流体温差>50℃，可选用浮头式换热器，又管子外径d 1=25mm,内径d 2=20mm 。 取管内气体流速为u 1=25m/s 估算单程管子根数 N 0=
1
2
1
1785.01
u d q m ⨯⨯⨯ρ=3÷10.31÷0.785÷0.022÷25=37
根据传热面积估算管子长度为
L=A 估/（πd 2N 0）=16.3÷3.14÷0.025÷37=5.6m 若用2管程，则每管程的管长选用L 0=3m.
由换热器系列标准初选浮头式换热器型号为BES400-1.6-55-3/25-2Ι。
管总数N=74根，每管程的根数n=74÷2=37根，管中心距t=32mm ，等边三角形排列。 壳体内经D=400mm ，选取折流挡板间距h=0.5D=0.5×400mm=200mm ，故折流挡板数N B =
h
L 0-1=3÷0.2-1=14块。传热面积A 选=16.9㎡。
2.核算总传热系数
（1）管程对流传热系数α1
管内气体流速 u 1=
n
d q m ⨯⨯⨯2
111
785.0ρ=3÷0.785÷10.31÷0.022÷37=25.05m/s
R e1=
5
10
305.231
.1005.2502.0-⨯⨯⨯=2.54×105>104
P r1=
1
1
1λμp C =
2
5
3
10
935.210
035.210009.1--⨯⨯⨯⨯=0.70
气体在管内被冷却，则k=0.3
k
p c du d )(
)
(
023
.08
.0λ
μ
μ
ρ
λα=
=0.023×2.935÷0.02×（2.54×105）0.8×0.700.3÷100=639.30W/(m·℃) （2）壳程对流传热系数α2 壳程流通截面积A 0=hD(1-t
d 0)=0.2×0.4×（1-25÷32）=0.0175㎡
水流量 q m2=4.52㎏／s
水流速 u 2=q m2/（ρ2A 0）=4.52÷997.0÷0.0175=0.259m/s 管子为正三角形排列，则
2
02
)
785.02
3(4d d t d e π-=
=4×（3÷2×0.0322-0.785×0.0252）÷3.14÷0.025=0.02m
R e2 =0.02×997.5×0.259÷9.0÷10-4 =5738.29 P r2= 4.179×103× 9.0×10-4 ÷ 0.608= 6.186 水被加热，取（
w
μμ）
0.14
=1.05
α2=0.36×
e
d λ
×R e2
0.55
×Pr 31
×（
w
μμ）0.14
=0.36×0.608÷0.02×5738.290.55
×186.631
×1.05
=2463.20W/(m·℃) （3）总传热系数
已知气侧污垢热阻R 1=0.3m 2·℃/kW 水侧污垢热阻R 2=0.6m 2·℃/kW ，管壁导热系数λ=0.45kW/(m·℃)。 K
1=
2
1
α＋R 2＋
m
d bd λ2
＋R 1
1
2d d ＋
12
d d 1
1
α
=1÷2463.20＋0.0006＋0.0025×25÷45÷22.5＋0.0003×25÷20＋25÷20÷639.30 =3.398×10-3 K=294.30W/(m·℃) (4) 传热面积
