列管式換熱器的設(shè)計計算

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2.4 列管換熱器設(shè)計示例 某生產(chǎn)過程中，需將6000 kg/h的油從140℃冷卻至40℃，壓力為0.3MPa；冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水入口溫度30℃，出口溫度為40℃。試設(shè)計一臺列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。 1．確定設(shè)計方案 （1）選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140℃，出口溫度40℃冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度30℃，出口溫度40℃。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進(jìn)口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用帶膨脹節(jié)的固定管板式式換熱器。 （2）流動空間及流速的確定 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，油品走殼程。選用ф252.5的碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=0.5m/ｓ。 2．確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。 殼程油的定性溫度為(℃) 管程流體的定性溫度為(℃) 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 油在90℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度　　 ρo=825 kg/m3 定壓比熱容　　 cpo=2.22 kJ/(kg℃) 導(dǎo)熱系數(shù)　　 λo=0.140 W/(m℃) 粘度　　 μo=0.000715 Pas 循環(huán)冷卻水在35℃下的物性數(shù)據(jù)： 密度　　 ρi=994 kg/m3 定壓比熱容　　 cpi=4.08 kJ/(kg℃) 導(dǎo)熱系數(shù)　　 λi=0.626 W/(m℃) 粘度　　　　 μi=0.000725 Pas 3．計算總傳熱系數(shù) （1）熱流量 Qo=WocpoΔto=60002.22(140-40)=1.32106kJ/h=366.7(kW) （2）平均傳熱溫差 (℃) （3）冷卻水用量 (kg/h) （4）總傳熱系數(shù)K 管程傳熱系數(shù) W/(m℃) 殼程傳熱系數(shù) 假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)αo=290 W/(m2℃)； 污垢熱阻Rsi=0.000344 m2℃/W , Rso=0.000172 m2℃/W 管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45 W/(m℃) =219.5 W/(m℃) 4．計算傳熱面積 (m2) 考慮 15％的面積裕度，S=1.15S′=1.1542.8=49.2(m2)。 5．工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （1）管徑和管內(nèi)流速 選用ф252.5傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速ui=0.5m/s。 （2）管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) 按單程管計算，所需的傳熱管長度為(m) 按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。現(xiàn)取傳熱管長L=6m，則該換熱器管程數(shù)為(管程) 傳熱管總根數(shù) N=582=116(根) （3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 第2章 換熱器設(shè)計 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。但R=10的點在圖上難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R，PR代替P，查同一圖線，可得φΔt=0.82 平均傳熱溫差Δtm=φΔtΔ′tm=0.8239=32(℃) （4）傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，則 t=1.2525=31.25≈32(mm) 橫過管束中心線的管數(shù)(根) （5）殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η＝0.7，則殼體內(nèi)徑為 (mm) 圓整可取D＝450mm （6）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，則切去的圓缺高度為h＝0.25450＝112.5(mm)，故可取h＝110 mm。 取折流板間距B＝0.3D，則B＝0.3450＝135(mm)，可取B為150。 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-1=39(塊) 折流板圓缺面水平裝配。 （7）接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)油品流速為 u＝1.0 m/s，則接管內(nèi)徑為 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50 mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為 6．換熱器核算 （1）熱量核算 ①殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用凱恩公式 當(dāng)量直徑，由正三角形排列得 (m) 殼程流通截面積 (m) 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 W/(m2℃) ②管程對流傳熱系數(shù) 管程流通截面積(m2) 管程流體流速 普蘭特準(zhǔn)數(shù) W/(m2℃) ③傳熱系數(shù)K =310.2 W/(m℃) ④傳熱面積S (m2) 該換熱器的實際傳熱面積Sp ( m2) 該換熱器的面積裕度為 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。 （2）換熱器內(nèi)流體的流動阻力 ①管程流動阻力 ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp Ns=1, Np=2, Ft=1.5 由Re＝13628，傳熱管相對粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄圖得λi＝0.037 W/m℃， 流速ui＝0.497 m/s，ρ＝994 kg/m3，所以 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。 ②殼程阻力 ∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNs Ns＝l，F(xiàn)t＝l 流體流經(jīng)管束的阻力 流體流過折流板缺口的阻力 總阻力∑ΔPo＝1202＋636.2＝1838.2(Pa)＜10 kPa 殼程流動阻力也比較適宜。 ③換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表2-13。