非标准换热器设计计算实例演示

某生产过程中，需将6000 kg/h 的油从140℃冷却至40℃，压力为0．3MPa;冷却介质采用循环水，循环冷却水的压力为0．4MPa，循环水入口温度30℃，出口温度为40℃。试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。

(一)确定设计方案

1．选择换热器的类型

两流体温度变化情况: 热流体进口温度140℃，出口温度40℃冷流体( 循环水) 进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。

2．流动空间及流速的确定

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用φ25 ×2．5mm 的碳钢管，管内流速取ui =0．5m/s。

(二)确定物性数据

定性温度:可取流体进口温度的平均值。

壳程油的定性温度为:

管程流体的定性温度为:

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

(1) 油在90℃下的有关物性数据如下:

(2) 循环冷却水在35℃下的物性数据如下:

(三)计算总传热系数

1．热流量

2．平均传热温差

3．冷却水用量

4．总传热系数K

管程传热系数:

(四)计算传热面积

考虑15%的面积裕度，S=1．15 ×S' =1．15 ×42．8 =49．2( m2) 。

(五)工艺结构尺寸

1．管径和管内流速

选用φ25 ×2．5mm 传热管( 碳钢) ，取管内流速ui =0．5m/s。

2．管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数:

按单程管计算，所需的传热管长度为:

传热管总根数N=58 ×2 =116( 根)

3．平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数为:

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10 的点在图上难以读出，因而相应以1/R 代替R，PR 代替P，查同一图线，可得φΔt=0．82。

平均传热温差Δtm =φΔtΔt'm =0．82 ×39 =32( ℃)

4．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。取管心距t =1．25do，则:

5．壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η=0．7，则壳体内径为:

圆整可取D=450mm

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:

(www.xing528.com)

故可取h=110 mm。

取折流板间距B=0．3D，则:

可取B 为150mm。

折流板数:

折流板圆缺面水平装配。

7．接管

壳程流体进出口接管:取接管内油品流速为u=1．0 m/s，则接管内径为:

取标准管径为50 mm。

管程流体进出口接管:取接管内循环水流速u=1．5 m/s，则接管内径为:

(六)换热器核算

1．热量核算

(1) 壳程对流传热系数。对圆缺形折流板，可采用凯恩公式:

当量直径，由正三角形排列得:

壳程流通截面积:

壳程流体流速及其雷诺数分别为:

普兰特准数:

(2) 管程对流传热系数。

(3) 传热系数K。

(4) 传热面积S。

该换热器的实际传热面积Sp:

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。

2．换热器内流体的流动阻力

(1) 管程流动阻力。

由Re=13628，传热管相对粗糙度0．01/20 =0．005，查莫狄图得λi =0．037 W/( m·℃) ，流速ui =0．497 m/s，ρ=994 kg/m3，所以:

其中，ζ 为局部阻力系数。管程流动阻力在允许范围之内。

(2) 壳程阻力。

流体流经管束的阻力:

流体流过折流板缺口的阻力:

总阻力∑Δpo =1202 +855．5 =2057．5( Pa) ＜10kPa 壳程流动阻力也比较适宜。

3．换热器主要结构尺寸和计算结果

换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-14。

表2-14　换热器主要结构尺寸和计算结果