换热器设计实例

一、设计任务1.处理能力：19.8×105t/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105Pa；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7/4/20231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7/4/20232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/m3粘度mPa•s比热容kJ/(kg•℃)导热系数W/(m•℃)煤油90825825825825冷却水350.7150.7150.7150.715（二）选定流体流动空间及流速二、确定物性数据7/4/20233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7/4/20234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K7/4/20235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7/4/20236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7/4/20237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7/4/20238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℃。7/4/20239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7/4/202310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7/4/202311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7/4/202312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7/4/202313换热器设计3.传热系数K7/4/202314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（Ft

结垢校正系数，Np

管程数，Ns

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7/4/202315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：7/4/202316换热器设计（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns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7/4/202317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：7/4/202318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φ25×2.5管数474根管长6m换热面积：208.9m2管间距,mm32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，MPa0.40.3序号尺寸用途连接型式操作温度，℃30/40140/401DN200循环水入口平面流量，kg/s36.936.9442DN200循环水出口平面密度，kg/m39948253DN100煤油入口凹凸面流速，m/s0.4990.1434DN100煤油出口凹凸面传热量，kW15405DN20排气口凹凸面总传热系数，W/m2•K306.46DN50放净口凹凸面对流