换热器设计实例

*,换热器设计,*,一、设计任务,1.处理能力：19.810,5,t/a 煤油；,2.设备形式：卧式列管式换热器。,二、操作条件,1.煤油：入口温度140，出口温度40；,2.冷却介质：为循环水，入口温度30，出口温度自选；,3.允许压降：不大于10,5,Pa；,4.煤油在定性温度下的物性数据,5.每天按330天，每天按24小时连续运行。,三、设计要求,选择或设计适宜的列管式换热器并进行核算。,煤油卧式列管式冷却器的设计,11/17/2024,1,换热器设计,两流体均为无相变，本设计按非标准系列换热器的一般设计步骤进,行设计。,两流体温度变化情况：热流体（煤油）入口温度为140，出口温度为40；冷流体（冷却水）入口温度为30，出口温度选为40,两流体的定性温度如下：,煤油的定性温度,冷却水定性温度,两流体的温度差 （50，70）,因该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温和管壁温相差较大，故选用带膨胀节的列管式换热器。,煤油卧式列管式冷却器的设计工艺计算书,一、确定设计方案,（一）选定换热器类型,11/17/2024,2,换热器设计,因循环冷却水较易结垢，为便于污垢清洗，故选定冷却水走管程，,煤油走壳程。同时选用 的碳钢管，管内流速取,m/s（若按常用流速1.5m/s计算，可以得出所需管程数为6，换热器小而管程数过多使换热器结构变得复杂，而且动力消耗增大，设计时不能照教科书按部就班）。,查化工原理附录，两流体在定性温度下的物性数据如下表：,流体物性,定性温度,密度,kg/m,3,粘度,mPa,s,比热容,kJ/(kg,),导热系数,W/(m,),煤油,90,825,825,825,825,冷却水,35,0.715,0.715,0.715,0.715,（二）选定流体流动空间及流速,二、确定物性数据,11/17/2024,3,换热器设计,按管间煤油计算，即,忽略热损失，则水的用量为,逆流温差,三、计算总传热系数,（一）计算热负荷（热流量）,（二）计算冷却用水量,（三）计算逆流平均温度差,11/17/2024,4,换热器设计,1.管程给热系数,故采用下式计算,（四）总传热系数K,11/17/2024,5,换热器设计,2.壳程给热系数,假设壳程给热系数,3.污垢热阻,4.管壁的导热系数,碳钢的导热系数,5.总传热系数,11/17/2024,6,换热器设计,考虑15%的面积裕度，,1.管径和管内流速,选用的碳钢换热管 ，管内流速,2.管程数和传热管数,根据传热管内径和流速确定单程传热管数,（根）,按单管程计算所需换热管的长度,四、估算传热面积,五、工艺结构尺寸,11/17/2024,7,换热器设计,按单管程设计，传热管过长，现取传热管长 ，则该换热器的管程数为,传热管的总根数 （根）,3.平均传热温差校正及壳程数,按单壳程双管程结构查单壳程 图，因,在图上难以读取，因而相应以 代替,R,，,PR,代替,P,，查同一图线得 ，于是 。,单壳程双管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算平均温度差,11/17/2024,8,换热器设计,现对上述查图方法进行说明。对于1-2折流有：,令 ，则 ，。将,R,、,P,以,代入上式得,显然，用 对 作图应为同一图线。本设计取有效对数平均温度差为 。,11/17/2024,9,换热器设计,4.传热管排列和分程方法,采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距 ，则,横过管束中心线的管数 （根）,5.壳体内径,采用多管程结构，取管板利用率 ，则壳体内径,圆整取,6.折流板,采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 ，取,取折流板间距为 ，则 取,折流板数,11/17/2024,10,换热器设计,折流板圆缺水平面安装。,7.接管,壳程流体（煤油）进出口接管：取接管内煤油流速为1.0m/s，则接管内径,取标准管径为100mm。,管程流体（循环水）进出口接管，取接管内循环水的流速为1.5m/s，则接管内径,（取标准管径为200mm）,1.壳程对流给热系数,六、换热器核算,（一）热量核算,11/17/2024,11,换热器设计,对于圆缺形折流板，可采用克恩公式,当量直径由正三角形排列得,壳程流通截面积,壳程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为,11/17/2024,12,换热器设计,2.管程对流给热系数,管程流通截面积,管程流体流速、雷诺数及普兰德数分别为,11/17/2024,13,换热器设计,3.传热系数K,11/17/2024,14,换热器设计,4.传热面积,该换热器的实际换热面积,面积裕度为,换热面积裕度合适，能够满足设计要求。,1.管程流动阻力,（,F,t,结垢校正系数，,N,p,管程数，,N,s,壳程数）,取换热管的管壁粗糙度为0.01mm，则 ，而,查图得 。,（二）换热器内流体的流动阻力,11/17/2024,15,换热器设计,对 的管子有,管程阻力在允许的范围之内。,2.壳程流动阻力,对壳程有折流挡板时，计算壳程阻力的方法有Bell法、Kern法和Esso法等。Bell法计算结果与实际数据的一致性较好，但计算比较麻烦，而且对换热器的结构尺寸要求较详细。工程计算中常采用Esso法，该法的计算公式如下：,11/17/2024,16,换热器设计,（,F,s,为结垢校正系数，对液体,F,s,=1.15，,N,s,为壳程数）,流体流经管束的阻力,F,为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列,F,=0.5，正方形直列 ，正方形错列时，。,为壳程流体的摩擦系数，当,为横过管束中心线的管数，。,折流板间距 ，折流板数,流体流经折流板缺口的阻力,11/17/2024,17,换热器设计,该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适。,流体输送泵型号和规格选型计算此处略。现将本换热器的设计计算结果列于下表：,11/17/2024,18,换热器设计,换热器型式：带热补偿非标准的固定管板式,管子规格,252.5,管数474根,管长6m,换热面积：208.9m,2,管间距,mm,32,排列方式,正三角形,工艺参数,折流板型式,上下,间距，300mm,切口25%,设备名称,管程,壳程,壳体内径,900mm,保温层厚度,无需保温,物料名称,循环水,煤油,接管表,操作压力，MPa,0.4,0.3,序号,尺寸,用途,连接型式,操作温度，,30/40,140/40,1,D,N,200,循环水入口,平面,流量，kg/s,36.93,6.944,2,D,N,200,循环水出口,平面,密度，kg/m,3,994,825,3,D,N,100,煤油入口,凹凸面,流速，m/s,0.499,0.143,4,D,N,100,煤油出口,凹凸面,传热量，kW,1540,5,D,N,20,排气口,凹凸面,总传热系数，W/m,2,K,306.4,6,D,N,50,放净口,凹凸面,对流传热系数，W/m,2,K,2750,487.7,工艺条件图（略）,污垢热阻，m,2,K/W,0.00042,0.000172,阻力降，Pa,4886,2511,程数,2,1,推荐使用材料,碳钢,碳钢,11/17/2024,19,换热器设计,