列管式換熱器設(shè)計(jì)示例

列管式換熱器設(shè)計(jì)試自行設(shè)計(jì)一臺(tái)固定管板式換熱器以完成苯車(chē)間用冷水冷卻變換氣的任務(wù)。已知操作條件下變換氣方面的數(shù)據(jù)：質(zhì)量流量WS]=3000t/day相對(duì)分子質(zhì)量Mr=78密度P=846kg/m3粘度U=0.39X10-3Pa.s導(dǎo)熱系數(shù)入=0.151W/(m.K)比熱容Cph=1.81kJ/(kg.K)進(jìn)口溫度T.80.1C出口溫度T2=40C允許壓強(qiáng)降 Ap=30kpa操作條件下水的數(shù)據(jù):水質(zhì)處理過(guò)軟水全年最高溫度30C設(shè)計(jì)方法和步驟如下：(1)根據(jù)任務(wù)要求，確定設(shè)計(jì)方案類(lèi)型的選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用固定管板式換熱器流動(dòng)路徑的選擇。由于變換氣被冷卻且要求壓力降不允許超過(guò)30kpa，按變換氣走管內(nèi)考慮；而冷卻水為處理過(guò)的軟水，結(jié)垢不嚴(yán)重，安排走管間(即殼程)冷卻介質(zhì)的選用及其物性。按已知條件給出，冷卻介質(zhì)為處理過(guò)的軟水，根據(jù)全年最高溫度設(shè)定為冷卻水進(jìn)口溫度t1=30°C，冷卻水出口溫度t「38°C，因此平均溫度下冷卻水物性如下：密度P=994.3kg/m3 粘度u「0.743X10-3Pa.s導(dǎo)熱系數(shù)入=62.5X10-2W/(m.K) 比熱容Cpc=4.174kJ/(kg.K)流速的選擇，變換氣在管內(nèi)的流速取U=0.65m/s(2)初算換熱器的傳熱面積So熱負(fù)荷及冷卻介質(zhì)消耗量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀況下變換氣的質(zhì)量流量Ws1=3000t/day=125000kg/h熱負(fù)荷Q=WhCph(T「T2)=125000X1.81X(80.1-40)=9072625kJ/h=2520KW人 . 9072625x1000冷卻水的消耗量Ws2=二4.174x1000x(38-30)二也直仍pc2 1計(jì)算平均溫度差A(yù)tm，并確定管程數(shù)。選取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計(jì)算出平均溫度差A(yù)tm’：IN(80.1-38) =22.33°C(40—30),_A^-At(80.1-38)-IN(80.1-38) =22.33°C(40—30)Atm=2At1IN—2At1有關(guān)參數(shù)t-1 38-30P= 1-= =0.16T-.80.1t-1 38-30P= 1-= =0.16T-.80.1-30R=t；-t：=38-30=5.01根據(jù)R,P值，查《化工原理》上冊(cè)P232可讀得，溫度校正系數(shù)中w=0.88>0.8，可見(jiàn)用單殼程合適，因此平均溫度差A(yù)tm=Atm’X0.88=19.65C按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù)Ko(估)，選取Ko(估)=480W/(m2.K)

—- , Q2520x1000初算出所需傳熱面積So’：So’二一= =267.18m2KA480x19.65(3)主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定。選用中25mmX2.5mm鋼管。換熱管數(shù)量及長(zhǎng)度的確定管數(shù)管長(zhǎng)4V 4x(125000/3600)/846管數(shù)管長(zhǎng)267.18n=u"——3.14x0.65x0.022 =201根267.18Sl’=—= =16.93mnnd201x3.14x0.025按商品管長(zhǎng)系列規(guī)格，取管長(zhǎng)L=9m，選用二管程管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定。管子的排列方式，采用正三角形排列;管子與管板的連接，采用焊接法。計(jì)算外殼內(nèi)直徑DiD.=t(n-1)+2b’由于管中心距 t=1.25d=1.25X25=32mmo橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù) n=1.14n=1.1w'2x201=22.05 取整n=22根管束中心線(xiàn)上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b’=1.5do=1.5X0.025=0.038m所以D.=0.032(22-1)+2X0.038=0.748m，按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取D=800mm因?yàn)閘/d=9000/800=11.25，管長(zhǎng)徑比在4~25之間，合適。排管：根據(jù)殼體直徑D.、管中心距t、橫過(guò)管束中心線(xiàn)的管數(shù)nc及其排列方式，繪出排管圖。由圖可知，中心排22根管時(shí)，按正三角形排列，可排352根，若在六角形每邊各加10根，共排412根，除去6根拉桿位置，實(shí)際排出406根。因此，實(shí)際管子數(shù)N=n=406根計(jì)算實(shí)際傳熱面積So及過(guò)程的總傳熱系數(shù)Ko(選)So=Nndo(L-0.1)=406X3.14X0.025X(9-0.1)=284m2Ko(選)=QKo(選)=QS~A2520x1000284x19.65=451.56W/(m2.K)otm折流板直徑Dc、數(shù)量及其有關(guān)尺寸的確定。選取折流板與殼體間的間隙為4.0mm，因此，折流板直徑 Dc=800-2X4.0=792mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25X800=200mm折流板數(shù)量 N=(L-0.1)/ho’-1B取折流板間距ho=600mm，那么N=(9-0.1)/0.6=13.8，取整得N=14塊BB實(shí)際折流板間距h=(9000-100)/(14+1)=593mm拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定。選用中12mm鋼拉桿，數(shù)量6條。定距管采用與換熱管相同的管子，即①25mmX2.5mm鋼管。溫度補(bǔ)償圈的選用。由于(80.1+40)/2-(30+38)/2=94.05〉50°C，故需考慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈。具體結(jié)構(gòu)尺寸可從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查取。

⑩列出所設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)基本參數(shù)。外殼直徑：Di=800mm換熱面積：So=284mm換熱管數(shù)量：N=406根管長(zhǎng)：L=9000mm管子規(guī)格：中25mmX2.5mm（鋼管）管中心距：t=32mm管子排列方式：正三角形管程數(shù)：2殼程數(shù)：1折流板數(shù)量：N=14（塊）折流板間距：h=600mm拉桿數(shù)量：6根拉桿直徑：中12mm定距管：與換熱管相同規(guī)格通過(guò)管板中心的管子數(shù)：n=22根（4）換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定換熱器主要構(gòu)件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板、支座。主要接管有：流體進(jìn)出口接管，排液管等。①筒體壁厚的確定8=『+C2lav-p選取設(shè)計(jì)壓力p=0.6MPa，殼體材料為Q235，查的相應(yīng)的許用應(yīng)力tJ=113MPa；焊接系數(shù)w=0.65（單面焊），腐蝕裕度C=2mm，所以8= 0.6x9°。 +2=5.28mm取8（殼）=6mm2x113x0.65-0.6②封頭、筒體法蘭、管板、支座選取標(biāo)準(zhǔn)件。③流體進(jìn)、出口接管直徑計(jì)算d、商變換器進(jìn)出口接管d「變換器進(jìn)出口接管d「u1=20m/s那么d4x125000.、 =0.24m1V3600x846x3.14x0.94x125000經(jīng)圓整采用中245mmx12mm熱軋無(wú)縫鋼管（4x125000u= =1.0705m/s13600x846x3.14x（0.245-0.012x2）人2水進(jìn)出口接管d2,取"2=0.9m/s，那么I 4x125000'2=\：3600x846x兀xu2=°%m經(jīng)圓整采用①351mmx12mm熱軋無(wú)縫鋼管（YB231-64）實(shí)際水流速=0.9042m/s4x271700.557=0.9042m/s3600x994.3x3.14x（0.351-0.012x2^2（5）管、殼程壓強(qiáng)降的校驗(yàn)①管程壓強(qiáng)降：NAp.=（Ap1+Ap2）FtNsNp據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)Np=2，串聯(lián)殼程數(shù)Ns=1，對(duì)于①25mmX2.5mm的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為Ft=1.4。l pu2（5）管、殼程壓強(qiáng)降的校驗(yàn)①管程壓強(qiáng)降：NAp.=（Ap1+Ap2）FtNsNp據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)Np=2，串聯(lián)殼程數(shù)Ns=1，對(duì)于①25mmX2.5mm的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù)為Ft=1.4。l pu2 l pu2流體流經(jīng)直管段的壓力降為Ap「（入-+"+如）%-=（入-+1.5）125000由于Gi= =550.15兀3600x—x0.022x2014取8=0.2mm,那么8/di=0.2/20=0.001,可查得入=0.026，故.dG0.02x550.15e'=T=0.39x103=28212.89 846x0.652Ap1=(0.026^——+1.5)X0.02=2359.07pu2流體流經(jīng)回彎管的壓力降為Ap2=3（ -）=3X846x0.652( )=536.15所以SApi=(2359.07+536.15)X1.4X1X2=8106.6<30Kpa，管程流體壓強(qiáng)降滿(mǎn)足要求②殼程壓強(qiáng)降（冷卻水走殼程）：NAp=（Ap「+Ap「）FsNs其中流體流經(jīng)管束的壓強(qiáng)降為:pUO2Ap1’=FfoNc(NB+1)-y由于管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）殼程流體的摩擦系數(shù)：fo=5Re-0.228橫過(guò)管子中心的管子數(shù)：Nc=22根折流板數(shù)：N=14塊B=dupe。 pi4(212-—d2)4x[A=2 4。= 2—do 兀 x(0.032)2-—x(0.025)2]4=0.0202m兀x0.025271.7x103V Vu= s~；—= s = =0.512m/sohD(1-L)h(D-nd)3600x994.3x0.593x(0.8-22x0.025)t co0.0202x0.512x994.3o74.3x10-5f=5X(13840.442)-0-228=0.569=12235.55N/m2=12235.55N/m22h pu2h pu2△p2’=NB(3.5-—)—^=14X2x0.593(3.5-0.8994.3x0.5122X : =3681.03N/m2Ns=1（單殼程） Fs=1.15（液體）所以SAp=1.15X(12235.55+3681.03)=18304.067<30Kpa,所以SAp=1.15X(12235.55+3681.03)=18304.067<30Kpa,殼程壓強(qiáng)降滿(mǎn)足題給要求。（6）總傳熱系數(shù)的校驗(yàn)總傳熱系數(shù)由下式計(jì)算:1 1bdRddK（6）總傳熱系數(shù)的校驗(yàn)總傳熱系數(shù)由下式計(jì)算:1 1bdRddK(計(jì))a so人ddad其中，管內(nèi)變換氣的傳熱系數(shù)a,的計(jì)算a=0.023二R0.8Pr0.31deii0.151sqcsq、 ,1.81x0.39x10-3=0.023—x(28212.8)0.8x(— )0.3=1002.22W/(m2.K)0.02 0.151x10-3管間水的傳熱系數(shù)a的計(jì)算a=0.36二Re0.55Pr1/3①w0.14doe由于水被加熱，取粘度校正系數(shù)中w0.14=1.05=0.36xo0.625

0.0202x=0.36xo0.625

0.0202x(13840.442)0.55x(4.174x103x0.743x10-30.625)1/3x1.05=3790.14W/(m2.K)取水側(cè)與氣側(cè)污