換熱器設(shè)計實例

一、設(shè)計任務(wù)1.處理能力：19.8×105t/a煤油；2.設(shè)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(zhì)：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(shè)計要求選擇或設(shè)計適宜的列管式換熱器并進(jìn)行核算。煤油臥式列管式冷卻器的設(shè)計2/6/20231換熱器設(shè)計兩流體均為無相變，本設(shè)計按非標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的一般設(shè)計步驟進(jìn)行設(shè)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(jìn)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(shè)計——工藝計算書一、確定設(shè)計方案（一）選定換熱器類型2/6/20232換熱器設(shè)計因循環(huán)冷卻水較易結(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且動力消耗增大，設(shè)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(dǎo)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)2/6/20233換熱器設(shè)計按管間煤油計算，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(fù)荷（熱流量）（二）計算冷卻用水量（三）計算逆流平均溫度差2/6/20234換熱器設(shè)計1.管程給熱系數(shù)故采用下式計算（四）總傳熱系數(shù)K2/6/20235換熱器設(shè)計2.殼程給熱系數(shù)假設(shè)殼程給熱系數(shù)3.污垢熱阻4.管壁的導(dǎo)熱系數(shù)碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)5.總傳熱系數(shù)2/6/20236換熱器設(shè)計考慮15%的面積裕度，1.管徑和管內(nèi)流速選用的碳鋼換熱管，管內(nèi)流速2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)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(jié)構(gòu)尺寸2/6/20237換熱器設(shè)計按單管程設(shè)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(jié)構(gòu)查單殼程圖，因在圖上難以讀取，因而相應(yīng)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2/6/20238換熱器設(shè)計現(xiàn)對上述查圖方法進(jìn)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(yīng)為同一圖線。本設(shè)計取有效對數(shù)平均溫度差為℃。2/6/20239換熱器設(shè)計4.傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)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(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率，則殼體內(nèi)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(nèi)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)2/6/202310換熱器設(shè)計折流板圓缺水平面安裝。7.接管殼程流體（煤油）進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)煤油流速為1.0m/s，則接管內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm。管程流體（循環(huán)水）進(jìn)出口接管，取接管內(nèi)循環(huán)水的流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑（取標(biāo)準(zhǔn)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2/6/202311換熱器設(shè)計對于圓缺形折流板，可采用克恩公式當(dāng)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2/6/202312換熱器設(shè)計2.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2/6/202313換熱器設(shè)計3.傳熱系數(shù)K2/6/202314換熱器設(shè)計4.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(shè)計要求。1.管程流動阻力（Ft

結(jié)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(nèi)流體的流動阻力2/6/202315換熱器設(shè)計對的管子有管程阻力在允許的范圍之內(nèi)。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(jié)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(jié)構(gòu)尺寸要求較詳細(xì)。工程計算中常采用Esso法，該法的計算公式如下：2/6/202316換熱器設(shè)計（Fs為結(jié)垢校正系數(shù)，對液體Fs=1.15，Ns為殼程數(shù)）流體流經(jīng)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(dāng)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(jīng)折流板缺口的阻力2/6/202317換熱器設(shè)計該換熱器的管程與殼程壓降均滿足要求，故所設(shè)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(shè)計計算結(jié)果列于下表：2/6/202318換熱器設(shè)計換熱器型式：帶熱補償非標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備名稱管程殼程殼體內(nèi)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