換熱器設計實例

2023/9/30換熱器設計1/42一、設計任務

1.處理能力：19.8×105t/a煤油；

2.設備形式：臥式列管式換熱器。二、操作條件

1.煤油：入口溫度140℃，出口溫度40℃；

2.冷卻介質：為循環(huán)水，入口溫度30℃，出口溫度自選；

3.允許壓降：不大于105Pa；

4.煤油在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)

5.每天按330天，每天按24小時連續(xù)運行。三、設計要求選擇或設計適宜的列管式換熱器并進行核算。煤油臥式列管式冷卻器的設計2023/9/30換熱器設計2/42兩流體均為無相變，本設計按非標準系列換熱器的一般設計步驟進行設計。兩流體溫度變化情況：熱流體（煤油）入口溫度為140℃，出口溫度為40℃；冷流體（冷卻水）入口溫度為30℃，出口溫度選為40℃兩流體的定性溫度如下：煤油的定性溫度冷卻水定性溫度兩流體的溫度差（>50℃，<70℃）因該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時冷卻水進口溫度會降低，因此殼體壁溫和管壁溫相差較大，故選用帶膨脹節(jié)的列管式換熱器。煤油臥式列管式冷卻器的設計——工藝計算書一、確定設計方案（一）選定換熱器類型2023/9/30換熱器設計3/42因循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于污垢清洗，故選定冷卻水走管程，煤油走殼程。同時選用的碳鋼管，管內流速取m/s（若按常用流速1.5m/s計算，可以得出所需管程數(shù)為6，換熱器小而管程數(shù)過多使換熱器結構變得復雜，而且動力消耗增大，設計時不能照教科書按部就班）。查化工原理附錄，兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下表：流體物性定性溫度℃密度kg/m3粘度mPa?s比熱容kJ/(kg?℃)導熱系數(shù)W/(m?℃)煤油90825825825825冷卻水350.7150.7150.7150.715（二）選定流體流動空間及流速二、確定物性數(shù)據(jù)2023/9/30換熱器設計4/42按管間煤油計算，即忽略熱損失，則水的用量為逆流溫差三、計算總傳熱系數(shù)（一）計算熱負荷（熱流量）（二）計算冷卻用水量（三）計算逆流平均溫度差2023/9/30換熱器設計5/421.管程給熱系數(shù)故采用下式計算（四）總傳熱系數(shù)K2023/9/30換熱器設計6/422.殼程給熱系數(shù)假設殼程給熱系數(shù)3.污垢熱阻4.管壁的導熱系數(shù)碳鋼的導熱系數(shù)5.總傳熱系數(shù)2023/9/30換熱器設計7/42考慮15%的面積裕度，1.管徑和管內流速選用的碳鋼換熱管，管內流速2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)（根）按單管程計算所需換熱管的長度四、估算傳熱面積五、工藝結構尺寸2023/9/30換熱器設計8/42按單管程設計，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長，則該換熱器的管程數(shù)為傳熱管的總根數(shù)（根）3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)按單殼程雙管程結構查單殼程圖，因在圖上難以讀取，因而相應以代替R，PR代替P，查同一圖線得，于是。單殼程雙管程屬于1-2折流，現(xiàn)用1-2折流的公式計算平均溫度差2023/9/30換熱器設計9/42現(xiàn)對上述查圖方法進行說明。對于1-2折流有：令，，則，。將R、P

以代入上式得

顯然，用對作圖應為同一圖線。本設計取有效對數(shù)平均溫度差為℃。2023/9/30換熱器設計10/424.傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內按正三角形排列，隔板兩側按正方形排列。取管心距，則橫過管束中心線的管數(shù)（根）5.殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率，則殼體內徑圓整取6.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為，取取折流板間距為，則取折流板數(shù)2023/9/30換熱器設計11/42折流板圓缺水平面安裝。7.接管殼程流體（煤油）進出口接管：取接管內煤油流速為1.0m/s，則接管內徑取標準管徑為100mm。管程流體（循環(huán)水）進出口接管，取接管內循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內徑（取標準管徑為200mm）1.殼程對流給熱系數(shù)六、換熱器核算（一）熱量核算2023/9/30換熱器設計12/42對于圓缺形折流板，可采用克恩公式當量直徑由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)分別為2023/9/30換熱器設計13/422.管程對流給熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速、雷諾數(shù)及普蘭德數(shù)分別為2023/9/30換熱器設計14/423.傳熱系數(shù)K2023/9/30換熱器設計15/424.傳熱面積該換熱器的實際換熱面積面積裕度為換熱面積裕度合適，能夠滿足設計要求。1.管程流動阻力（Ft

結垢校正系數(shù)，Np

管程數(shù)，Ns

殼程數(shù)）取換熱管的管壁粗糙度為0.01mm，則，而查圖得。（二）換熱器內流體的流動阻力2023/9/30換熱器設計16/42對的管子有管程阻力在允許的范圍之內。2.殼程流動阻力對殼程有折流擋板時，計算殼程阻力的方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Bell法計算結果與實際數(shù)據(jù)的一致性較好，但計算比較麻煩，而且對換熱器的結構尺寸要求較詳細。工程計算中常采用Esso法，該法的計算公式如下：2023/9/30換熱器設計17/42（Fs為結垢校正系數(shù)，對液體Fs=1.15，Ns為殼程數(shù)）流體流經管束的阻力F為管子排列方式對壓強降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5，正方形直列，正方形錯列時，。為殼程流體的摩擦系數(shù)，當為橫過管束中心線的管數(shù)，。折流板間距，折流板數(shù)流體流經折流板缺口的阻力2023/9/30換熱器設計18/42該換熱器的管程與殼程壓降均滿足要求，故所設計的換熱器合適。流體輸送泵型號和規(guī)格選型計算此處略?，F(xiàn)將本換熱器的設計計算結果列于下表：2023/9/30換熱器設計19/42換熱器型式：帶熱補償非標準的固定管板式管子規(guī)格φ25×2.5管數(shù)474根管長6m換熱面積：208.9m2管間距,mm32排列方式正三角形工藝參數(shù)折流板型式上下間距，300mm切口25%設備名稱管程殼程殼體內徑900mm保溫層厚度無需保溫物料名稱循環(huán)水煤油接管表操作壓力，MPa0.40.3序號尺寸用途連接型式操作溫度，℃30/40140/401DN200循環(huán)水入口平面流量，kg/s36.936.9442DN200循環(huán)水出口平面密度，kg/m39948253DN100煤油入口凹凸面流速，m/s0.4990.1434DN100煤油出口凹凸面?zhèn)鳠崃?，kW15405DN20排氣口凹凸面總傳熱系數(shù)，W/m2?K306.46DN50放凈口凹凸面對流傳熱系數(shù)，W/m2?K2750487.7

工藝條件圖（略）污垢熱阻，m2?K/W0.000420.000172阻力降，Pa4