设计示例：固定管板式换热器的选型与管路安排

要求将温度为80℃的某有机物冷却至60℃,此有机物的流量为18 kg/s。现拟用温度为18℃的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的压降皆不超过0.05 MPa。已知该有机物在60～80℃范围内的物性数据为:cp=3.91 kJ/(kg·℃),μ=0.428×10-3 Pa·s,λ=0.623 W/(m·℃),ρ=982 kg/m3。

管路布置如图2-22所示,已知泵进口段管长10 m,泵出口段管长20 m(均不包括局部阻力损失)。

要求:1)选用一个合适的换热器;

2)合理安排管路;

3)选用一台合适的离心泵。

图2-22　管路布置图

解:(1)初选换热器

选冷却水出口温度t2=42℃,平均温度tm==30℃

查得冷却水的物性数据如下:

cp=4.174 kJ/(kg·℃),μ=0.801×10-3 Pa·s,

λ=0.617 W/(m·℃),ρ=996 kg/m3。

热负荷:

Q=qm1cp1(T1-T2)=18×3.91×(80-60)×103=1.41×106(W)

逆流平均推动力

初定单壳程、四管程的管壳式换热器,查得温差修正因数ψ=0.96。

Δtm=ψ·Δtm逆=0.96×40=38.4(℃)

初步估计传热系数K估=750 W/(m2·K)

本设计壳程与管程的最大温差小于50℃,温差不算太高,因此选用固定管板式换热器。由换热器系列,初选BEM600-1.0-50.5__4Ⅰ型换热器。有关参数见表2-20。

表2-20　换热器参数

为充分冷却有机物,取有机物走管程,水走壳程。

(2)计算管程压降和给热系数αi[可参考参考文献[8]]

管程流动面积A==0.785×0.0212×=0.019 2(m2)

取管壁粗糙度ε=0.15 mm,则=0.007 1,可查得摩擦系数λ=0.035;或由=1.74-2lg=1.74-2lg

试差得摩擦系数λ=0.035(详见9.2.2节)。

式中,ft为管程结垢校正系数,对三角形排列取1.5。

ΔPt小于允许值0.05 MPa,故可行。

(3)计算壳程压降和给热系数αo

管子正三角排列,管心距t=32 mm,25%圆缺形挡板,取折流挡板间距B=0.45 m(www.xing528.com)

流通面积A=BD=0.45×0.6×=0.059 1(m2)

流体被加热,取=1.05;流体被冷却,取=0.95。

管束中心线管数NTC=1.1N0.5=1.1×2220.5=17

管子排列成三角形,F=0.5,对于液体取fs=1.15。

挡板数:NB=-1=6

ΔPs小于允许值0.05 MPa,故可行。

(4)计算实际的传热系数和传热面积

以外表面积为准计算传热系数,取管内垢层热阻Ri=0.176×10-3(m2·K)/W和管外垢层热阻Ro=0.21×10-3(m2·K)/W,管子的导热系数λ=45 W/(m·K)。

满足A/A计=1.15～1.25,所选BEM600-1.0-50.5__4Ⅰ型换热器合适。

(5)管路安排如图2-23所示

图2-23　管路布置

(6)离心泵的选型

查得水在18℃下的物性数据:

μ=1.053×10-3 Pa·s,ρ=999 kg/m3,pv=2 064 Pa

水的经济流速为1～3 m/s,所以取u=1.8 m/s,管径为

查表选取φ108×4热轧无缝钢管:

取管壁粗糙度为ε=0.15 mm,则=0.001 5,查图得摩擦系数λ=0.023。

或由

试差得摩擦系数λ=0.023。

管路中,三个标准90°弯头ζ=0.75,阀门全开ζ=0.17,底阀100 mm时ζ=7。

根据qv=50.8m3/h和He=12.8 m,可选取IS125- 100-200型离心泵。有关参数见表2-21。

表2-21　离心泵参数

离心泵的最大安装高度: