热管换热器设计需解决的问题

1、热管换热器设计需解决的问题这只是个模板，你还要自己修改数据，其中有些公式显示不出来。设计任务和设计条件某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流患热后，用循环冷却水将其从 110C进一步冷却至60r之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为 227301 kg/h，压力为6.9MPa ,循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29C， 出口温度为39C，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。物性特征：混和气体在35C下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度定压比热容=3.297kj/kg C热导率=0.0279w/m粘度循环水在34 C下的物性数据

2、：密度 =994.3 k/m3定压比热容=4.174kj/kg C热导率 =0.624w/m C粘度确定设计方案选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度110C出口温度60C；冷流体进口温度29C，出 口温度为39C，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这 一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易 结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑， 应使循环水走管程，混和气体走壳程。确定物性数据定性温度

3、：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故 壳程混和气体的定性温度为T= =85 C管程流体的定性温度为t= C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形 数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相 应的加和方法求出混和气体的物性数据。混和气体在35C下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度定压比热容=3.297kj/kg C热导率=0.0279w/m粘度=1.5x10-5Pas循环水在34 C下的物性数据：密度=994.3 kg/m3定压比热容=4.174kj/kg C热导率=0

4、.624w/mC粘度=0.742x10-3Pas估算传热面积热流量Q1 =227301x3.297x(110-60)=3.75x107kj/h =10416.66kw平均传热温差先按照纯逆流计算，得传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/（皿k）则估算 的传热面积为Ap=冷却水用量m=工艺结构尺寸管径和管内流速 选用025x2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/s。管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现 取传

5、热管长l=7m，则该换热器的管程数为Np=传热管总根数Nt=612x2=1224平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b ）有R=P=按单壳程，双管程结构，查图3-9得平均传热温差C由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。传热管排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方 形排列。见图3-13。取管心距 t=1.25d0，则 t=1.25x25=31.2532 mm隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算S=t/2+6=32/2+6=22 mm各程相邻管的管心距为44 mm。管数的分

6、成方法，每程各有传热管612根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图 3-14选取。壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率n=0.75，则 壳体内径为D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高 度为H=0.25x1400=350m，故可 取 h=350mm取折流板间距 B=0.3D，贝0 B=0.3x1400=420mm，可取 B 为 450mm。折流板数目NB=折流板圆缺面水平装配，见图3-15。其他附件拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其

7、拉杆直径为012拉杆 数量不得少于10。壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为300mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为圆整后去管内径为360mm换热器核算热流量核算（1）壳程表面传热系数用克恩法计算，见式（3-22）当量直径，依式（3-23b ）得壳程流通截面积，依式3-25得壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数粘度校正 (2)管内表面传热系数 按式3-32和式3-33有管程流体流通截面积管程流体流速普朗特数污垢热阻和管壁热阻 按表3-10，可取管外侧污垢热

8、阻管内侧污垢热阻管壁热阻按式3-34计算，依表3-14,碳钢在该条件下的热导率为50w/(mK)。所以传热系数依式3-21有传热面积裕度依式3-35可得所计算传热面积Ac为该换热器的实际传热面积为Ap该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换热器用循环水冷 却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15C， 出口温度为39C计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温 升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间

9、壁温 差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热 管壁温。于是，按式4-42有式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为0.4x39+0.6x15=24.6C(110+60)/2=85 C5887w/tfk925.5w/tfk传热管平均壁温壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85C。壳体壁温和传热管壁温之差为C。 该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热 器较为适宜。换热器内流体的流动阻力(1)管程流体阻力由Re=35002，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图得，流速u=1.306m/s,，所以，管程流体阻

10、力在允许范围之内。壳程阻力按式计算,流体流经管束的阻力F=0.50.5x0.2419x38.5x(14+1)x =75468Pa流体流过折流板缺口的阻力,B=0.45m , D=1.4mPa总阻力75468+43218=1.19x Pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率 898560 227301进/出口温度/C 29/39 110/60压力/MPa 0.4 6.9物性定性温度/C 34 85密度/ (kg/m3) 994.3 90定压比热容/kj/ (kgk) 4.174 3.297粘度/ (Pa•

11、；s) 0.742x1.5x热导率(W/mk) 0.624 0.0279普朗特数4.96 1.773设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/皿1400台数1管径/mm 025x2.5 管心距/mm 32管长/mm 7000管子排列 管数目/根1224折流板数/个14传热面积加2 673折流板间距/m 450管程数2材质碳钢主要计算结果管程 壳程流速/ (m/s) 1.306 4.9表面传热系数/W/ (2k) 5887 925.5 污垢热阻/ (2k/W) 0.0006 0.0004 阻力 / MPa 0.04325 0.119热流量/KW 10417传热温差/K 48.3传热系数/W/ (2K) 400裕度/% 24.9%参考文献：刘积文主编，石