列管式换热器设计示例

列管式换热器设计试自行设计一台固定管板式换热器以完成苯车间用冷水冷却变换气的任务。已知操作条件下变换气方面的数据：质量流量WS]=3000t/day相对分子质量Mr=78密度P=846kg/m3粘度U=0.39X10-3Pa.s导热系数入=0.151W/(m.K)比热容Cph=1.81kJ/(kg.K)进口温度T.80.1C出口温度T2=40C允许压强降 Ap=30kpa操作条件下水的数据:水质处理过软水全年最高温度30C设计方法和步骤如下：(1)根据任务要求，确定设计方案类型的选择。根据设计要求，采用固定管板式换热器流动路径的选择。由于变换气被冷却且要求压力降不允许超过30kpa，按变换气走管内考虑；而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，安排走管间(即壳程)冷却介质的选用及其物性。按已知条件给出，冷却介质为处理过的软水，根据全年最高温度设定为冷却水进口温度t1=30°C，冷却水出口温度t「38°C，因此平均温度下冷却水物性如下：密度P=994.3kg/m3 粘度u「0.743X10-3Pa.s导热系数入=62.5X10-2W/(m.K) 比热容Cpc=4.174kJ/(kg.K)流速的选择，变换气在管内的流速取U=0.65m/s(2)初算换热器的传热面积So热负荷及冷却介质消耗量的计算标准状况下变换气的质量流量Ws1=3000t/day=125000kg/h热负荷Q=WhCph(T「T2)=125000X1.81X(80.1-40)=9072625kJ/h=2520KW人 . 9072625x1000冷却水的消耗量Ws2=二4.174x1000x(38-30)二也直仍pc2 1计算平均温度差Atm，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差Atm’：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有关参数t-1 38-30P= 1-= =0.16T-.80.1t-1 38-30P= 1-= =0.16T-.80.1-30R=t；-t：=38-30=5.01根据R,P值，查《化工原理》上册P232可读得，温度校正系数中w=0.88>0.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差Atm=Atm’X0.88=19.65C按经验数值初选总传热系数Ko(估)，选取Ko(估)=480W/(m2.K)

—- , Q2520x1000初算出所需传热面积So’：So’二一= =267.18m2KA480x19.65(3)主要工艺及结构基本参数的计算换热管规格及材质的选定。选用中25mmX2.5mm钢管。换热管数量及长度的确定管数管长4V 4x(125000/3600)/846管数管长267.18n=u"——3.14x0.65x0.022 =201根267.18Sl’=—= =16.93mnnd201x3.14x0.025按商品管长系列规格，取管长L=9m，选用二管程管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式，采用正三角形排列;管子与管板的连接，采用焊接法。计算外壳内直径DiD.=t(n-1)+2b’由于管中心距 t=1.25d=1.25X25=32mmo横过管束中心线的管数 n=1.14n=1.1w'2x201=22.05 取整n=22根管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离b’=1.5do=1.5X0.025=0.038m所以D.=0.032(22-1)+2X0.038=0.748m，按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=800mm因为l/d=9000/800=11.25，管长径比在4~25之间，合适。排管：根据壳体直径D.、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排22根管时，按正三角形排列，可排352根，若在六角形每边各加10根，共排412根，除去6根拉杆位置，实际排出406根。因此，实际管子数N=n=406根计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko(选)So=Nndo(L-0.1)=406X3.14X0.025X(9-0.1)=284m2Ko(选)=QKo(选)=QS~A2520x1000284x19.65=451.56W/(m2.K)otm折流板直径Dc、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.0mm，因此，折流板直径 Dc=800-2X4.0=792mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25X800=200mm折流板数量 N=(L-0.1)/ho’-1B取折流板间距ho=600mm，那么N=(9-0.1)/0.6=13.8，取整得N=14块BB实际折流板间距h=(9000-100)/(14+1)=593mm拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用中12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即①25mmX2.5mm钢管。温度补偿圈的选用。由于(80.1+40)/2-(30+38)/2=94.05〉50°C，故需考虑设置温度补偿圈。具体结构尺寸可从有关标准查取。

⑩列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径：Di=800mm换热面积：So=284mm换热管数量：N=406根管长：L=9000mm管子规格：中25mmX2.5mm（钢管）管中心距：t=32mm管子排列方式：正三角形管程数：2壳程数：1折流板数量：N=14（块）折流板间距：h=600mm拉杆数量：6根拉杆直径：中12mm定距管：与换热管相同规格通过管板中心的管子数：n=22根（4）换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。①筒体壁厚的确定8=『+C2lav-p选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力tJ=113MPa；焊接系数w=0.65（单面焊），腐蚀裕度C=2mm，所以8= 0.6x9°。 +2=5.28mm取8（壳）=6mm2x113x0.65-0.6②封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。③流体进、出口接管直径计算d、商变换器进出口接管d「变换器进出口接管d「u1=20m/s那么d4x125000.、 =0.24m1V3600x846x3.14x0.94x125000经圆整采用中245mmx12mm热轧无缝钢管（4x125000u= =1.0705m/s13600x846x3.14x（0.245-0.012x2）人2水进出口接管d2,取"2=0.9m/s，那么I 4x125000'2=\：3600x846x兀xu2=°%m经圆整采用①351mmx12mm热轧无缝钢管（YB231-64）实际水流速=0.9042m/s4x271700.557=0.9042m/s3600x994.3x3.14x（0.351-0.012x2^2（5）管、壳程压强降的校验①管程压强降：NAp.=（Ap1+Ap2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=2，串联壳程数Ns=1，对于①25mmX2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。l pu2（5）管、壳程压强降的校验①管程压强降：NAp.=（Ap1+Ap2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=2，串联壳程数Ns=1，对于①25mmX2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。l pu2 l pu2流体流经直管段的压力降为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流体流经回弯管的压力降为Ap2=3（ -）=3X846x0.652( )=536.15所以SApi=(2359.07+536.15)X1.4X1X2=8106.6<30Kpa，管程流体压强降满足要求②壳程压强降（冷却水走壳程）：NAp=（Ap「+Ap「）FsNs其中流体流经管束的压强降为:pUO2Ap1’=FfoNc(NB+1)-y由于管子排列方式对压强降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）壳程流体的摩擦系数：fo=5Re-0.228横过管子中心的管子数：Nc=22根折流板数：N=14块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（单壳程） Fs=1.15（液体）所以SAp=1.15X(12235.55+3681.03)=18304.067<30Kpa,所以SAp=1.15X(12235.55+3681.03)=18304.067<30Kpa,壳程压强降满足题给要求。（6）总传热系数的校验总传热系数由下式计算:1 1bdRddK（6）总传热系数的校验总传热系数由下式计算:1 1bdRddK(计)a so人ddad其中，管内变换气的传热系数a,的计算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管间水的传热系数a的计算a=0.36二Re0.55Pr1/3①w0.14doe由于水被加热，取粘度校正系数中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)取水侧与气侧污