设计任务
设计题目:管壳式油冷却器
设计任务:润滑油处理量: 16Kg/s 润滑油入口温度: 90℃ 润滑油出口温度: 45℃ 冷却水流量: 40Kg/s 冷却水入口温度: 28℃
冷却水工作压力: P = 0.1 Mpa (表压) 允许最大压力降: 油侧
设计内容:热力计算,阻力计算以及应力计算校核。 图纸要求:(1)装配图一张; (2)管板零件图一张
1、选型:
由于介质无腐蚀,无特殊工艺和结构要求,故可以选用通用易得,便宜的固定管板式管壳换热器,根据管、壳壁温是否超过30~50°C,再决定是否采用膨胀节。
2、两种介质谁在管内
由于二流体温差小,而由于水的结垢性强,工作压力较高故使其在管程流动;而润滑较 洁净,所以其在壳程流动。
1—12
3、热力计算
热力计算表
序号
123
原始数据
4
计算项目 冷却水进口温度
冷却水出口温度
冷却水工作压力
冷却水允许压降
符号t'2 t”2 p2
单位 ℃ ℃ bar
计算公式或图表
给定 先假定再校核
给定 给定 给定 给定 给定 给定 给定 (t’2+t”2)/2 查物性表
t”1+Fc(t'1-t”1)=45+0.3(90-45)
数值 28
40/37.93/37.931
表压力
0.6 40 90 45 16 0.8 34/32.965 4.174/4.174 58.5
出入口温差不大
备注
物性参数计
[p2] bar G2
Kg/s
5冷却水流量 润滑油进口温6度
润滑油出口温7度
8润滑油流量 润滑油允许压9降
10水的定性温度 11水的比热
润滑油的定性12温度
t'1 ℃ t”1 G1 [p1] t2 cp2 t1
℃ kg/s bar ℃ kJ/kg℃ ℃
2—12
13润滑油的比热 14换热器效率 15校核t”2 16水的密度 17水的导热系数 18水的粘度 19水的柏朗特数 20润滑油的密度
润滑油的导热21系数 22润滑油的粘度
润滑油的柏朗23特数
计算
cp1 η — ρ2 k2 μ2 pr2 ρ1 k1 ν1 pr1
kJ/kg℃ — — kg/m3 W/m℃Pa.s — kg/m W/m℃ —
3
查物性表 取用
ηG1c1(t'1-t”1)=G2c2(t”2-t'2)
查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表
ηG1c1(t'1-t"1)×1000=0.98×16×2.256×
(90-45)×1000
2.256 0.98
— 994.7 0.623 754.0×10-6 5.09 852.2 0.136 19.1×10-6 230
24设计传热量
有效平均温差
Q0 W 1591833.6
25逆流平均温差 26
参数
Δtn P
°C —
(Δt大-Δt小)/ln(Δt大/Δt小-(45-28)]/ln[(90-37.93)/(45-28)] 31.34 (t”2-t'/(t'=(37.93-28)/0.16 2)1-t'2)
3—12
27
28温差校正系数 29有效平均温差 30试选传热系数 31323334
管程换热系数
初选传热面积 管子外径 管子内径 管子长度
R φ Δtm K0 F0 d0 di l NL a2 w2 Re2
— (t'/(t”2-t'=(90-45)/1-t”1)2)— 换热器设计手册图1-3-6(按照1-2型查取) °C φΔtn W/m2℃换热器设计手册附录2(P105~107)可参考 m2 m m m — m m/s —
Q0/2K0Δtm=1591833.6/(2×250×30.71) 选φ25×2.5无缝钢管 d0-(2×2.5/1000)
取换热器管标准长度 F0/πd0l=103.67/(3.14×0.025×3)=440.2 (NL/2)πdi2/4=3.14×442×0.02×0.02/8 G2/ρ2a2=40/(994.7×0.0694)
ρ2w2di/μ2=994.7×0.579×0.02/754.0×10-6
4.53 0.98 30.71 350 103.67 0.025 0.02 3 442 0.0694 0.579 15277
35总管子数 36管程流通截面 37管程流速 38管程雷诺数
实际取用442根 按2管程计算
39管程换热系数
结构 40管排列方式 41管间距
h2 W/m℃
3605(1+0.15t2)w20.8/(100di)0.2=3605(1+0.015
0.80.2
3030.4 ×32.965)×0.579/(100×0.02)
分程隔板,二侧正方形,其余正三角形
取 1.25 d=1.25×0.025 组合排列
0.032正三角形边长
4—12
5—12
56管外壁温度
壁温下润滑油57粘度 58粘度修正系数 59壳程换热系数 60水侧污垢热阻
润滑油侧污垢61热阻 62管壁热阻
t’w1 °C μw1 φ1 h1 r2 r1 r
Pa.s —
假定后复核 查物性表
(μ1/μw1)0.14=(16.28/34.7)0.14
45 34.7×10 0.8995
-3
河水
W/m℃k1/dePr11/3φ1js=0.136/0.0329×2301/3×0.8995×18410 m2℃/W换热器设计手册附录1(P103~105)可参考 0.000344 m2℃/Wm2℃/W
换热器设计手册附录1(P103~105)可参考
忽略
0.000172 0
传热系数
63总传热热阻 64传热系数 65传热系数比值
管外壁热流密66度
度
67管外壁温度 68误差校核
1/h1+r1+r2dO/di+dO/h2di=1/410+0.000172+0.000344
r∑ m2℃/W×0.025/(3030.4×0.02) 0.002611 Ki W/m2℃1/r∑ 382.97 Ki/Ko — 382.97/350 1.094
QO/2NLπdOl=1591833.6/(2×442×3.14×0.025×
3)
合适
q1 tw1
W/m2℃℃
7646
误差很小,不再重算
t’1-q1(1/h1+r1)=90-7646(1/410+0.000172) 43.7
tw1-t’w1=43.7-45
-1.7
Δtw ℃
6—12
壁温下水的粘69度
管程粘度修正70系数
71管程摩擦系数
μw2 φ2 ξi
Pa.s —
查物性表
(μ2/μw2)0.14=(754/625)0.14
图1-3-17
625×10-6 1.02 0.037
按式(5-47)计得t=42.8计算
管程压降
72管子沿程压降 73回弯压降
进出口管外质74量流速
进出口管处压75降
管程结垢校正76系数 77管程压降
Δpi Pa Δpr Pa Wn2
kg/ms
2
(ln1/di)(ξi/φ2)=[(W2/2ρ2)
2
/(2×994.7)](3×2/0.02)(0.037/1.02) 1814.4
4nlW22/(2ρ2) 500.2
2
ρw2
1800
Δpn2 Pa
φd2 Δp2 — Pa
1.5Wn22/2ρ2 2243
2
当管程污垢热阻r2(0.000344~0.000516m•℃/W)和
管外径φ:φ19×2:φd2=1.5
φ25×2.5:φd2=1.4 1.4
(Δpi+Δpr)φd2+ΔpN2 5483.44 (Ds2-NLdO2)/(Ds+NLdO)=(0.64-442×0.0252)/(0.8+442×0.025)
w1dO’/ν1=0.402×0.0307/19.1×10-6
图1-3-19
壳程压降
78当量直径 79雷诺数 80壳程摩擦数
dO’ Rel’ξ0
m — —
0.0307 646 0.7
7—12
81管束压降
管嘴处质量流82速
进出口管板压83降
导流板阻力系84数
85导流板压降
壳程结垢修正86系数 87壳程压降 88压降校核
Δp0 Wn1
N/m2 kg/ms
2
W12/(2ρ1)Ds(Nb+1)/ dO’ξ0/φ1 15360.8 1200 1267.31 6 5069 1.38 27534.214
ρw2
1.5Wn12/2ρ1 推荐5~10 Wn12/2ρ1ξip 可查下表
Δp0φd。+Δpip+Δpn1=15360.8×
1.38+5069+1267.31 Δp1〈[Δp1], Δp2〈[Δp2]
Δpn1 Pa ξip — Δpip Pa φd。— Δp1 —
Pa —
壳程压降结垢影响校正系数
Ds/B 层流(Re
rdo 2
m•℃/W ≥过渡(Re=10~100)及湍流(Re≥100)
8—12
rdo
m2•℃/W
≥
4、结构设计
(1)换热流程设计
采用壳方单程,管方双程的1-2型换热器,采用二台串联工作。管程分程隔板采取(a)的2管程
9—12
U形管 直管
(2)管子和传热面积
采用φ25×2.5的无缝钢管,材质20号钢,长3m,管长和管径都是换热器的标准管子尺寸(外径表1-6-15,长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m)。
管子总数为442根,其传热面积为:
F=πd0LNl=π×0.025×4.5×442=156.17m2
(3)管子排列方式
双管程不需要装设分程隔板,共有446个管孔,其中4个孔为装设拉杆用。 (4)壳体
壳体内径:Ds=800mm;材质A3R钢; 壳体壁厚(参考锅炉原理强度计算章节):
δ=
pDs
+c t
σ2[]φ-p
[σ]t=1245.88 bar········tw
c=2mm;p=1.2p1;因p1设计条件未给定,取定p1=1bar 则 δ=
1×1.2×800
+2=2.551mm
2×1245.88×0.7-1.2×1
实取δs=6mm(最小厚度,表1-6-1~3)
10—12
(5)管板
固定管板式,兼作法兰。图1-6-6~8和1-6-9~1-6-14:D=930mm,b=40mm的碳钢板。
管板上开孔数与孔间距与管排列应一致。
(6)折流板
因为无相变,采用通用的弓形折流板。A3钢板。
拱高:h=160mm;
板间距:B=230mm;
板数:nB=10块;
板厚:δB=6mm····(换热器设计手册P181表1-3-26);卧式布置,水平切口流动方向。
(7)拉杆:
A3F钢,φ12,共4根(换热器设计手册P189表1-3-36~38)
(8)封头(可参考锅炉原理强度计算章节)
根据压力容器设计规范采用材质为A3R的标准形状椭圆封头。在满足强度要求条件下,取壁厚δ=δi=6mm;曲面高度:
hDDs+δ800+
1=44=6
4mm
D为封头的平均直径;直边高度h0=25mm
(9)进、出口管
1) 管程进、出口管:
按照ρ2
2wN2
a2
N2=Gw=40m2
N2ρ21800
11—12
进出口管道内径:
DN20.168m
取用φ168×4mm的热轧钢管或水输送管
2)壳程进出口管:
按ρ1wN12
aN1=G116=m2 wN11200ρ1
进出口管内径为:
DN10.130m
取用φ130×4mm 的热轧钢管或煤气输送管
其中的φ值应选用标准值,而资料中为涉及标准值,所以φ168×4mm和φ130×4mm有可能并不是标准值,需查询标准表格校正。
12—12
设计任务
设计题目:管壳式油冷却器
设计任务:润滑油处理量: 16Kg/s 润滑油入口温度: 90℃ 润滑油出口温度: 45℃ 冷却水流量: 40Kg/s 冷却水入口温度: 28℃
冷却水工作压力: P = 0.1 Mpa (表压) 允许最大压力降: 油侧
设计内容:热力计算,阻力计算以及应力计算校核。 图纸要求:(1)装配图一张; (2)管板零件图一张
1、选型:
由于介质无腐蚀,无特殊工艺和结构要求,故可以选用通用易得,便宜的固定管板式管壳换热器,根据管、壳壁温是否超过30~50°C,再决定是否采用膨胀节。
2、两种介质谁在管内
由于二流体温差小,而由于水的结垢性强,工作压力较高故使其在管程流动;而润滑较 洁净,所以其在壳程流动。
1—12
3、热力计算
热力计算表
序号
123
原始数据
4
计算项目 冷却水进口温度
冷却水出口温度
冷却水工作压力
冷却水允许压降
符号t'2 t”2 p2
单位 ℃ ℃ bar
计算公式或图表
给定 先假定再校核
给定 给定 给定 给定 给定 给定 给定 (t’2+t”2)/2 查物性表
t”1+Fc(t'1-t”1)=45+0.3(90-45)
数值 28
40/37.93/37.931
表压力
0.6 40 90 45 16 0.8 34/32.965 4.174/4.174 58.5
出入口温差不大
备注
物性参数计
[p2] bar G2
Kg/s
5冷却水流量 润滑油进口温6度
润滑油出口温7度
8润滑油流量 润滑油允许压9降
10水的定性温度 11水的比热
润滑油的定性12温度
t'1 ℃ t”1 G1 [p1] t2 cp2 t1
℃ kg/s bar ℃ kJ/kg℃ ℃
2—12
13润滑油的比热 14换热器效率 15校核t”2 16水的密度 17水的导热系数 18水的粘度 19水的柏朗特数 20润滑油的密度
润滑油的导热21系数 22润滑油的粘度
润滑油的柏朗23特数
计算
cp1 η — ρ2 k2 μ2 pr2 ρ1 k1 ν1 pr1
kJ/kg℃ — — kg/m3 W/m℃Pa.s — kg/m W/m℃ —
3
查物性表 取用
ηG1c1(t'1-t”1)=G2c2(t”2-t'2)
查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表 查物性表
ηG1c1(t'1-t"1)×1000=0.98×16×2.256×
(90-45)×1000
2.256 0.98
— 994.7 0.623 754.0×10-6 5.09 852.2 0.136 19.1×10-6 230
24设计传热量
有效平均温差
Q0 W 1591833.6
25逆流平均温差 26
参数
Δtn P
°C —
(Δt大-Δt小)/ln(Δt大/Δt小-(45-28)]/ln[(90-37.93)/(45-28)] 31.34 (t”2-t'/(t'=(37.93-28)/0.16 2)1-t'2)
3—12
27
28温差校正系数 29有效平均温差 30试选传热系数 31323334
管程换热系数
初选传热面积 管子外径 管子内径 管子长度
R φ Δtm K0 F0 d0 di l NL a2 w2 Re2
— (t'/(t”2-t'=(90-45)/1-t”1)2)— 换热器设计手册图1-3-6(按照1-2型查取) °C φΔtn W/m2℃换热器设计手册附录2(P105~107)可参考 m2 m m m — m m/s —
Q0/2K0Δtm=1591833.6/(2×250×30.71) 选φ25×2.5无缝钢管 d0-(2×2.5/1000)
取换热器管标准长度 F0/πd0l=103.67/(3.14×0.025×3)=440.2 (NL/2)πdi2/4=3.14×442×0.02×0.02/8 G2/ρ2a2=40/(994.7×0.0694)
ρ2w2di/μ2=994.7×0.579×0.02/754.0×10-6
4.53 0.98 30.71 350 103.67 0.025 0.02 3 442 0.0694 0.579 15277
35总管子数 36管程流通截面 37管程流速 38管程雷诺数
实际取用442根 按2管程计算
39管程换热系数
结构 40管排列方式 41管间距
h2 W/m℃
3605(1+0.15t2)w20.8/(100di)0.2=3605(1+0.015
0.80.2
3030.4 ×32.965)×0.579/(100×0.02)
分程隔板,二侧正方形,其余正三角形
取 1.25 d=1.25×0.025 组合排列
0.032正三角形边长
4—12
5—12
56管外壁温度
壁温下润滑油57粘度 58粘度修正系数 59壳程换热系数 60水侧污垢热阻
润滑油侧污垢61热阻 62管壁热阻
t’w1 °C μw1 φ1 h1 r2 r1 r
Pa.s —
假定后复核 查物性表
(μ1/μw1)0.14=(16.28/34.7)0.14
45 34.7×10 0.8995
-3
河水
W/m℃k1/dePr11/3φ1js=0.136/0.0329×2301/3×0.8995×18410 m2℃/W换热器设计手册附录1(P103~105)可参考 0.000344 m2℃/Wm2℃/W
换热器设计手册附录1(P103~105)可参考
忽略
0.000172 0
传热系数
63总传热热阻 64传热系数 65传热系数比值
管外壁热流密66度
度
67管外壁温度 68误差校核
1/h1+r1+r2dO/di+dO/h2di=1/410+0.000172+0.000344
r∑ m2℃/W×0.025/(3030.4×0.02) 0.002611 Ki W/m2℃1/r∑ 382.97 Ki/Ko — 382.97/350 1.094
QO/2NLπdOl=1591833.6/(2×442×3.14×0.025×
3)
合适
q1 tw1
W/m2℃℃
7646
误差很小,不再重算
t’1-q1(1/h1+r1)=90-7646(1/410+0.000172) 43.7
tw1-t’w1=43.7-45
-1.7
Δtw ℃
6—12
壁温下水的粘69度
管程粘度修正70系数
71管程摩擦系数
μw2 φ2 ξi
Pa.s —
查物性表
(μ2/μw2)0.14=(754/625)0.14
图1-3-17
625×10-6 1.02 0.037
按式(5-47)计得t=42.8计算
管程压降
72管子沿程压降 73回弯压降
进出口管外质74量流速
进出口管处压75降
管程结垢校正76系数 77管程压降
Δpi Pa Δpr Pa Wn2
kg/ms
2
(ln1/di)(ξi/φ2)=[(W2/2ρ2)
2
/(2×994.7)](3×2/0.02)(0.037/1.02) 1814.4
4nlW22/(2ρ2) 500.2
2
ρw2
1800
Δpn2 Pa
φd2 Δp2 — Pa
1.5Wn22/2ρ2 2243
2
当管程污垢热阻r2(0.000344~0.000516m•℃/W)和
管外径φ:φ19×2:φd2=1.5
φ25×2.5:φd2=1.4 1.4
(Δpi+Δpr)φd2+ΔpN2 5483.44 (Ds2-NLdO2)/(Ds+NLdO)=(0.64-442×0.0252)/(0.8+442×0.025)
w1dO’/ν1=0.402×0.0307/19.1×10-6
图1-3-19
壳程压降
78当量直径 79雷诺数 80壳程摩擦数
dO’ Rel’ξ0
m — —
0.0307 646 0.7
7—12
81管束压降
管嘴处质量流82速
进出口管板压83降
导流板阻力系84数
85导流板压降
壳程结垢修正86系数 87壳程压降 88压降校核
Δp0 Wn1
N/m2 kg/ms
2
W12/(2ρ1)Ds(Nb+1)/ dO’ξ0/φ1 15360.8 1200 1267.31 6 5069 1.38 27534.214
ρw2
1.5Wn12/2ρ1 推荐5~10 Wn12/2ρ1ξip 可查下表
Δp0φd。+Δpip+Δpn1=15360.8×
1.38+5069+1267.31 Δp1〈[Δp1], Δp2〈[Δp2]
Δpn1 Pa ξip — Δpip Pa φd。— Δp1 —
Pa —
壳程压降结垢影响校正系数
Ds/B 层流(Re
rdo 2
m•℃/W ≥过渡(Re=10~100)及湍流(Re≥100)
8—12
rdo
m2•℃/W
≥
4、结构设计
(1)换热流程设计
采用壳方单程,管方双程的1-2型换热器,采用二台串联工作。管程分程隔板采取(a)的2管程
9—12
U形管 直管
(2)管子和传热面积
采用φ25×2.5的无缝钢管,材质20号钢,长3m,管长和管径都是换热器的标准管子尺寸(外径表1-6-15,长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m)。
管子总数为442根,其传热面积为:
F=πd0LNl=π×0.025×4.5×442=156.17m2
(3)管子排列方式
双管程不需要装设分程隔板,共有446个管孔,其中4个孔为装设拉杆用。 (4)壳体
壳体内径:Ds=800mm;材质A3R钢; 壳体壁厚(参考锅炉原理强度计算章节):
δ=
pDs
+c t
σ2[]φ-p
[σ]t=1245.88 bar········tw
c=2mm;p=1.2p1;因p1设计条件未给定,取定p1=1bar 则 δ=
1×1.2×800
+2=2.551mm
2×1245.88×0.7-1.2×1
实取δs=6mm(最小厚度,表1-6-1~3)
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(5)管板
固定管板式,兼作法兰。图1-6-6~8和1-6-9~1-6-14:D=930mm,b=40mm的碳钢板。
管板上开孔数与孔间距与管排列应一致。
(6)折流板
因为无相变,采用通用的弓形折流板。A3钢板。
拱高:h=160mm;
板间距:B=230mm;
板数:nB=10块;
板厚:δB=6mm····(换热器设计手册P181表1-3-26);卧式布置,水平切口流动方向。
(7)拉杆:
A3F钢,φ12,共4根(换热器设计手册P189表1-3-36~38)
(8)封头(可参考锅炉原理强度计算章节)
根据压力容器设计规范采用材质为A3R的标准形状椭圆封头。在满足强度要求条件下,取壁厚δ=δi=6mm;曲面高度:
hDDs+δ800+
1=44=6
4mm
D为封头的平均直径;直边高度h0=25mm
(9)进、出口管
1) 管程进、出口管:
按照ρ2
2wN2
a2
N2=Gw=40m2
N2ρ21800
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进出口管道内径:
DN20.168m
取用φ168×4mm的热轧钢管或水输送管
2)壳程进出口管:
按ρ1wN12
aN1=G116=m2 wN11200ρ1
进出口管内径为:
DN10.130m
取用φ130×4mm 的热轧钢管或煤气输送管
其中的φ值应选用标准值,而资料中为涉及标准值,所以φ168×4mm和φ130×4mm有可能并不是标准值,需查询标准表格校正。
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