管壳式冷却器传热计算



管壳式冷却器热计算
标准状态下气量		1085	Nm^3/h		标准状态气量　Nm3/min				16.658	999.48
气体成分	CH4	65.7072			吸入状态气量　m3/min				9.8
	C2H6	7.8412			相对温度 %				100
	C3H8	5.5913			一级进气压力  kg/cm2				2
	C4H10	5.0329			一级进气温度 ℃				35
	C5H12	5.6979			进气温度下饱和水蒸气压　kg/cm2				0.05733
	C6H14	1.8036
	N2	7.3326
	CO2	0.9933
			100
一级冷却器
冷却器中气体压力		4.65	kg/cm2
气体进口温度	T1	85	℃
气体出口温度	T2	40	℃
冷却水进口温度	t1	30	℃
冷却水出口温度	t2	38	℃
一级进气压力		2	kg/cm2
一级进气温度		35	℃
有效平均温差
ΔTm=		=	20.7	℃
计算热负荷
计算定性温度
冷却水的定性温度（按式8-36）
tc=(t1+t2)/2	=	34	℃
混合气体的定性温度（按式8-37）
Tc=ΔTm+tc	=	54.7	℃
管壁温度：按式8-43，
取系数	B＝	0.14
tw=BΔTm+tc	=	36.898	℃
物性参数的确定
冷却水的物性参数
在tc=		34	℃的条件下，各项参数由附录二表26（P654）得知
重度γ		994.34		kg/m3
比热Cp		0.997		千卡/kg·℃
粘度μ		7.53E-05		公斤秒/米2			2.659295	公斤/米·时
导热系数λ		0.5366		千卡/米·小时·℃
普兰德数Pr		5.004
气体常数，按式2-6
Rw=848/Mw	=	47.06		公斤·米/公斤·℃
冷却水在平均壁温tw=		36.898		℃的条件下的粘度为
粘度为μw		7.33E-05		公斤秒/米2			2.590252	公斤/米·时
混合气体的物理参数
计算标准状态下混合气体的重度γ0m，计算结果见下表
成分	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	C6H14	N2	CO2	0	0
容积百分数ri	65.7072	7.8412	5.5913	5.0329	5.6979	1.8036	7.3326	0.9933	0	0
标准状态下各组分重度γ0i	0.715	1.356	1.97	2.585	3.457	3.845	1.251	1.977	0	0
(公斤/米3，查表2-1，2-2）
riγ0i	0.469806	0.106327	0.110149	0.1301	0.196976	0.069348	0.091731	0.019638	0	0
γ0m=Σriγ0i=		1.194075	公斤/米3
计算混合气体在Tc=	54.7	℃,压力p=		4.65	kgf/cm2时的比热Cpm
常压下的比热C0pm
成分	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	C6H14	N2	CO2	0	0
riγ0i	0.469806	0.106327	0.110149	0.1301	0.196976	0.069348	0.091731	0.019638	0	0
常压下的各组分比热C0pi	0.527	0.41	0.389	0.397	0.397	0.398	0.25	0.2	0	0
千卡/kg·℃(查表2-1，2-2)
riγ0iC0pi	0.247588	0.043594	0.042848	0.05165	0.0782	0.027601	0.022933	0.003928	0	0
按式2-26，C0pm=ΣgiC0pi=Σriγ0iC0pi/γ0m
	=	0.4341	千卡/kg·℃
计算ΔCpm
成分	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	C6H14	N2	CO2	0	0
容积百分数ri	65.7072	7.8412	5.5913	5.0329	5.6979	1.8036	7.3326	0.9933	0	0
临界温度Tci,°K(查表2-1，2-2）	190.5	305.37	369.81	425.01	469.62	507.7	125.9	304.1	0	0
临界压力Pci(kg/cm2）	45.8	48.19	42.01	37.47	33.31	29.92	33.49	72.9	0	0
(查表2-1，2-2）
riTci	125.1722	23.94467	20.67719	21.39033	26.75848	9.156877	9.231743	3.020625	0	0
riPci	30.0939	3.778674	2.348905	1.885828	1.89797	0.539637	2.455688	0.724116	0	0
分子量Mi,(查表2-1，2-2）	16.04	30.07	44.09	58.12	72.15	86.17	28	44	0	0
riMi	10.53943	2.357849	2.465204	2.925121	4.111035	1.554162	2.053128	0.437052	0	0
按式2-16，混合气体的假临界温度：
T'c=ΣriTci=		239.352	°K
按式2-17，混合气体的假临界压力：
P'c=ΣriPci=		43.72	(kg/cm2）
按式2-14，对比温度：
Tr=Tc/T'c=		1.369
按式2-15，对比压力：
Pr=P/P'c=		0.106
按式2-10，混合气体的平均分子量：
Mm=ΣriMi=		26.443
由Pr,Tr查图2-6得
ΔCpm		0.006051	千卡/kg·℃			0.16	卡/克分子·℃
Cpm=C0pm+ΔCpm=		0.440151	千卡/kg·℃
计算混合气体在Tc=		54.7	℃,压力P=		4.65	kg/cm2时的导热系数
标准状态下的导热系数λ0m
成分	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	C6H14	N2	CO2	0	0
容积百分数ri	65.7072	7.8412	5.5913	5.0329	5.6979	1.8036	7.3326	0.9933	0	0
标准状态下的导热系数λ0i	0.0245	0.016	0.2004	0.2754	0.3556	0.4809	0.0207	0.0126	0
(千卡/米·小时·℃,查表2-1,按P685)
分子量Mi，查表2-1，2-2	16.04	30.07	44.09	58.12	72.15	86.17	28	44	0	0
Mi1/3	2.52194	3.109647	3.532754	3.873544	4.163055	4.416912	3.036589	3.530348	0	0
riMi1/3	1.657096	0.243834	0.197527	0.194952	0.237207	0.079663	0.222661	0.035067	0	0
λ0iriMi1/3	0.0406	0.0039	0.03958	0.05369	0.08435	0.03831	0.00461	0.00044	0	0
按附录2中式2（P685）混合气体在标准状态下的导热系数
λ0m=(Σλ0iγiMi1/3)/(ΣγiMi1/3)=		0.09257	千卡/米·小时·℃
由Pr,Tr查附录图27得
λm/λ0m=	1		(由该图可见，此情况下无法查值，从走向看，可视其为1，)
λm=	0.09257		千卡/米·小时·℃
计算混合气体在Tc=	54.7	℃,压力P=		4.65	kg/cm2时的粘度
成分	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	C6H14	N2	CO2	0	0
容积百分数ri	65.7072	7.8412	5.5913	5.0329	5.6979	1.8036	7.3326	0.9933	0	0
标准状态下的粘度μ0i	0.01	0.009	0.125	0.174	0.229	0.313	0.017	0.0137
(厘泊,查表2-1,2-2)
分子量Mi，查表2-1，2-2	16.04	30.07	44.09	58.12	72.15	86.17	28	44	0	0
Mi1/2	4.004997	5.483612	6.64003	7.623647	8.494116	9.28278	5.291503	6.63325	0	0
riMi1/2	2.631571	0.429981	0.371264	0.383691	0.483986	0.167424	0.388005	0.065888	0	0
riMi1/2μ0i	0.026316	0.00387	0.046408	0.066762	0.110833	0.052404	0.006596	0.000903	0	0
按附录P680
μ0m=(Σμ0iγiMi1/2)/(ΣγiMi1/2)=		0.0638	厘泊
查附录图25
μm/μ0m=		1.05	(由该图可见，此情况下无法查值，从走向看，可视其为1，)
μm=		0.06699	厘泊=	0.241164	公斤/米·时
计算混合气体在tw=	36.898	℃,压力P=		4.65	kg/cm2时的粘度
此情况下的对比温度：Tr=Tc/T'c=	1.294737
此情况下的对比压力：Pr=P/P'c=	0.106359
查附录图25
μm/μ0m=				1.05	(由该图可见，此情况下无法查值，从走向看，可视其为1，)
μm=				0.06699	厘泊=	0.241164	公斤/米·时
计算混合气体的气体常数，按式2-6
Rm=848/Mm=				32.06898	公斤·米/公斤·℃
计算冷却器的热负荷
冷却器中混合气体的质量流量
Ws=Vdγ0m=				1295.572	kg/h
气体冷却时放出的热量，按式8-23
Q1＝WsCpm(T1-T2)=				25661.11	千卡/时
水蒸汽冷凝时放出的热量：查表2-7，
气缸吸入温度时的饱和蒸汽压Psa1=				0.05733	kg/cm2
冷却器出口温度的饱和蒸汽压Psa2＝				0.0752	kg/cm2
取冷却器相应级吸入时的气体相对湿度ψ=				1
按式8-26
χ1=RmPsa1ψ/(Rw(P1-Psa1ψ))=				0.0201
按式8-26
χ2=RmPsa2ψ/(Rw(P-Psa2ψ))=				0.0112
按式8-25
Q2＝Ws[0.46(χ1T1-χ2T2)+(597-0.56T2)(χ1-χ2)]=				7376.688		千卡/时
按式8-22
Q＝Q1+Q2＝				33037.8		千卡/时
计算冷却水的消耗量
按式8-27
W＝Q/（Cp(t2-t1))		4142	kg/h
确定壳程给热系数　α0
确定折流板切去部分的效应系数：按式8-66，壳体中心线垂直流动最小流通面积
垂直流动是在壳体中心线的最小流通面积Ac=BP(D's-n3*do)						0.0076	m2
按式8-63，折流板缺口部分流道面积Ab＝K1D's2-0.7854*n4*do2
弓形面积系数K1，查表8-17						0.0651	取13.5%用插值法
	Ab=					0.000661	m2
折流板缺口部分的传热面积与总传热面积之比 r=2n4/N=						0.258065
按式8-74，折流板切去部分的效应修正系数　Φ
Φ＝1-r+0.524r0.32(Ac/Ab)0.03=						1.107457
确定壳体与管束间的间隙影响修正系数ξh
按式8-80，管束与壳体间的间隙面积Ad=(Ds'-n3Pt)BP=						0.0006	m2				0.0006
按式8-79，Fbp=Ad/Ac=						0.078947					0.07894737
流体的质量流速　Gc=W/Ac						545000	公斤/米2·时
按式8-76，雷诺数Re'=doGc/μ						3366.468
Re'>100,按式8-78a,ξh=(2.72)-1.35Fbp=						0.898844
确定管排数影响修正系数x
re'>4000时，x=0.93/(hm/h∞)
Nc'=(Nb+1)Nc+(Nb+2)Nw						60
按P497说明，本例Nw可以不计及
查表8-19，hm/h∞＝						0.985
则确定管排数影响修正系数x=						0.944162
无间隙时壳程给热系数　αNO,按式8-85，
αNO＝F2jH(φξh/x)(CpGc)(Cpμ/λ)-2/3 (μ/μw)0.14						2948.050643		千卡/米2·时·℃
查图8-62，F2＝						1
查图8-63，jH=						0.015
考虑存在间隙时，壳程给热系数αo的确定
按式8-87，折流板上管孔与管子之间的间隙面积
STb=nB*π*(dH2-d02)/4						0.000336	米2
按式8-88，折流板边沿与壳体间的间隙面积
Ssb=(360-A)/360*(π/4)((Ds2-Db2)						0.000333
按式8-89，SL＝STb+Ssb=						0.000669	米2
SL/AC=						0.087996
查图8-64得修正系数　α＝						0.12
按式8-86
α0＝αNO*[1-α(STb+2SSb)/SL]=						2418.203
确定管内给热系数　αi
按式8-47，管内气体质量流速
Gi=Wi/Fi=						369527.2	公斤/米2·小时
雷诺数 Re=diGi/μ						18387.18
管内给热系数
αi=jH(λ/di)(Cpμ/λ)1/3(μ/μw)0.14=						484.4565
传热因子jH，查图8-48						60
验算壁温
按式8-39，
						36.70396	℃
确定污垢系数
查表8-14，管内污垢系数γi=						0.0002	米2·时·℃/千卡
管外污垢系数γ0=						0.0004	米2·时·℃/千卡
确定管壁金属导热系数，查表8-15						45	千卡/米2·时·℃
计算冷却器传热系数
按式8-11
		257.4953
计算冷却器的换热面积
A＝Q/(KΔTm)=	6.198283		米2
换热管长	3.4	m
换热管有效管长	3.234	m
实际换热面积	5.039316	米2
管程阻力损失ΔP
		2381.849	公斤/米2＝			0.238185	公斤/厘米2
管侧磨擦系数fi，查图8-74	0.0098
气体密度ρ	4.423857	kg/m3
换热管长	6	m
冷却器结构参数		单位	壳程给热系数近似计算
筒体内径Ds	0.15	m	α0=0.23(λ/do)Re0.6*(Cpμ/λ)1/3(μ/μw)0.14						3545.65
换热管外径do	0.016	m	垂直流动是在壳体中心线的最小流通面积Ac=BP(D's-n3*do)						0.0076		m2
换热管内径di	0.012	m	折流板缺口部分流道面积Ab＝K1D's2-0.7854*n4*do2						0.000661		m2
管子材料：	20		Ace=Bpe(D's-n3d0)=						0.0076		m2
靠近冷却器中心管排处的壳体内径D's	0.15	m	A'c=(2BPeAce+BPAc(Nb-1))/(2BPe+BP(Nb-1))						0.0076		m2
折流板直径Db	0.148	m	相对于管间流速的基准流道截面积Agm=(A'cAb)0.5						0.00224		m2
折流板上孔径dH	0.0164	m	质量流速Ggm=Ws/Agm						1848701		公斤/米2·时
换热管总数N	31		雷诺数Re=doGgm/μ						11122.96
靠近冷却器中心管排的管数　n3	7
每块折流板缺口部分所穿过的管数n4	4		管内传热系数αi=0.027(λ/di)*Re0.8*            (Cpμ/λ)1/3(μ/μw)0.14=						562.4442	千卡/米2·时·℃
管心距　Pt	0.021	m	总传热系数K						296.6962	千卡/米2·时·℃
折流板缺口部分包角　A	104	°	所需传热面积A						5.379338		m2
折流板间的轴向间距　BP	0.2	m
折流板数　Nb	11
壳程程数	1
管程程数	1
从折流板端部至下一块折流板端部的管排数　Nc	5
每块折流板上的孔数　nB	33
折流板至管板的距离Bpe	0.2	m	冷却水流速		1.751861		m/s
			气体流速		21.31879		m/s
换热管平均直径dm	0.013904