列管式换热器的设计计算

2.4 列管换热器设计示例

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。 1．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ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。 2．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。 油在90℃下的有关物性数据如下：

3

密度 ρo=825 kg/m

定压比热容 cpo=2.22 kJ/(kg·℃) 导热系数 λo=0.140 W/(m·℃) 粘度 μo=0.000715 Pa·s 循环冷却水在35℃下的物性数据：

3

密度 ρi=994 kg/m

定压比热容 cpi=4.08 kJ/(kg·℃) 导热系数 λi=0.626 W/(m·℃) 粘度 μi=0.000725 Pa·s 3．计算总传热系数 （1）热流量

Qo=WocpoΔto=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW) （2）平均传热温差

(℃)

（3）冷却水用量

(kg/h)

（4）总传热系数K 管程传热系数

W/(m·℃)

壳程传热系数

2

假设壳程的传热系数αo=290 W/(m·℃)；

22

污垢热阻Rsi=0.000344 m·℃/W , Rso=0.000172 m·℃/W 管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)

=219.5 W/(m·℃) 4．计算传热面积

(m)

考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m)。 5．工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速

选用ф25×2.5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

2

2

按单程管计算，所需的传热管长度为(m)

按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数

为(管程)

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

第2章 换热器设计

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=φΔtΔ′tm=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=1.25 d0，则

t=1.25×25=31.25≈32(mm) 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η＝0.7，则壳体内径为

(mm)

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h＝0.25×450＝112.5(mm)，故可取h＝110 mm。

取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×450＝135(mm)，可取B为150。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块) 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

6．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

(m)

壳程流通截面积

(m)

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正

W/(m·℃)

②管程对流传热系数

2

管程流通截面积管程流体流速

(m)

2

普兰特准数

W/(m·℃)

③传热系数K

2

=310.2 W/(m·℃) ④传热面积S

(m)

该换热器的实际传热面积Sp

( m)

该换热器的面积裕度为

2

2

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

∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp Ns=1, Np=2, Ft=1.5

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·℃，

3

流速ui＝0.497 m/s，ρ＝994 kg/m，所以

管程流动阻力在允许范围之内。 ②壳程阻力

∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNs Ns＝l，Ft＝l

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＋636.2＝1838.2(Pa)＜10 kPa 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2-13。