列管式换热器课程设计计算过程的参考

根据给定的原始条件，确定各股物料的进出口温度，计算换热器所需的传热面积，设计换热器的结构和尺寸，并要求核对换热器压强降是否符合小于30 kPa的要求。各项设计均可参照国家标准或是行业标准来完成。具体项目如下：

设计要求：

1.某工厂的苯车间，需将苯从其正常沸点被冷却到40℃；使用的冷

却剂为冷却水，其进口温度为30℃，出口温度自定。

2.物料（苯）的处理量为1000 吨/日。

3.要求管程、壳程的压力降均小于30 kPa。

1、换热器类型的选择。

列管式换热器

2、管程、壳程流体的安排。

水走管程，苯走壳程，原因有以下几点：

1.苯的温度比较高，水的温度比较低，高温的适合走管程，低温适合走壳程

2.传热系数比较大的适合走壳程，水传热系数比苯大

3.干净的物流宜走壳程。而易产生堵、结垢的物流宜走管程。

3、热负荷及冷却剂的消耗量。

冷却介质的选用及其物性。按已知条件给出，冷却介质为水，根进口温度t1=30℃，冷却水出口温度设计为t2=38℃，因此平均温度下冷却水物性如下：

密度ρ=994kg/m3粘度μ2=0.727Χ10-3Pa.s

导热系数λ=62.6Χ10-2 W/(m.K) 比热容Cpc=4.184 kJ/(kg.K)

苯的物性如下：

进口温度：80.1℃出口温度：40℃

密度ρ=880kg/m3粘度μ2=1.15Χ10-3Pa.s

导热系数λ=14.8Χ10-2 W/(m.K) 比热容Cpc=1.6 kJ/(kg.K)

苯处理量：1000t/day=41667kg/h=11.57kg/s

热负荷：Q=WhCph（T2-T1）=11.57×1.6×1000×(80.1-40)=7.4×105W

冷却水用量：Wc=Q/[c pc(t2-t1)]=7.4×105/[4.184×1000×(38-30)]=22.1kg/s

4、传热面积的计算。

平均温度差

确定R和P值

查阅《化工原理》上册203页得出温度校正系数为0.8，适合单壳程换热器，平均温度差为

△tm=△t’m×0.9=27.2×0.9=24.5

由《化工原理》上册表4-1估算总传热系数K（估计）为400W/（m²·℃）

估算所需要的传热面积：

S0==75m²

5、换热器结构尺寸的确定，包括：

（1）传热管的直径、管长及管子根数；

由于苯属于不易结垢的流体，采用常用的管子规格Φ19mm×2mm

管内流体流速暂定为0.7m/s

所需要的管子数目：，取n为123

管长：=12.9m

按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，选用三管程

管子的排列方式及管子与管板的连接方式:

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。（2）壳体直径；

e取1.5d0，即e=28.5mm

D i=t(n c—1)+2e=19×(—1)+2×28.5=537.0mm，按照标准尺寸进行整圆，壳体直径为600mm。此时长径比为7.5，符合6-10的范围。

壳体壁厚的计算

C

p

pD

i

+-=

ψσδ2

选取设计压力p=0.6MPa ，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力[]MPa 113=σ；焊接系数65.0=ψ（单面焊），腐蚀裕度mm 4C =，所以

mm

mm 88.274.6

05.601132900

.60==+-⨯⨯⨯=

δδ

排管方式：

横过中心的管子数目：n c =

=21.1，取整21根

有排管图得出，中心有21根管道时，按照正三角形排列，可排331根，每边各加8根，总共可以排列379根，除去6根拉杆，总共可以排出373，与上述计算相差不大，所以实际管子数目为373根。

实际传热面积S 0=N πd o （L-0.1）=373×3.14×0.019×（4.5-0.1）=97.9m ² 实际传热系数K=

W/(m ²·K)

（3）折流板尺寸和板间距；

选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm ，因此，折流板直径 Dc=600-2Χ3.5=593mm 切去弓形高度 h=0.25D=0.25Χ600=150mm 取折流板间距h o =300mm

那么N B =（4.5-0.1）/0.3=14.6 ,取整得N B =15块

实际折流板间距 h=（L-0.1）/(N+1)=（4500-100）/（15+1）=275mm 拉杆的直径和数量与定距管的选定。

选用Φ12mm 钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即Φ19mm Χ2mm 钢管。

温度补偿圈的选用。

由于（80.1+40）/2-(30+38)/2=26.05＜50℃，故需不虑设置温度补偿圈。 （4）流体进出口接管直径等。 苯的进出口管道直径：

=0.15m

经圆整采用Φ159mm ×10mm 热轧无缝钢管，实际苯的进出口管内流速为

=0.867m ²

水的进出口管道直径：=0.106m

经圆整采用Φ108mm ×5mm 热轧无缝钢管，实际水的进出口管内流速为

=2.5m

6、管、壳程流体的压力降计算。 管程压降：ΣΔp i =（Δp 1+Δp 2）F t N s N p

管程数N p =3，串联壳程数N s =1，对于Φ19mm Χ2mm 的换热管，结构校正系数为F t =1.5。 Re=

,取ε=0.2mm ，即ε/d i =0.2/14=0.015

查表，得到λ

=0.044

=5066.6Pa

△p 2=3

/2=3X880X0.72/2=58.8Pa

ΣΔp i =5066.6×3×1.5+58.8=22849.7Pa ＜30Kpa ，满足条件

壳程压降：ΣΔp o =（Δp 1’+Δp 2’）F s N s ,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） d e =

=0.0136m

u o =

)

1(t d hD V o s

-

=)

(o c s

d n D h V -==0.401m/s

Re=

=7456.5, f o =5×Re -0.228=0.13

Δp 1’=Ff o N c (N B +1)

2

2

uo ρ=0.5×0.128×21X （15+1）×994×0.4012/2=1718.5Pa

Δp 2’=N B （3.5-D

h 2）

2

2

o

u ρ=15×(3.5-2×0.275/0.6)×994×0.4012/2=3096.8Pa

ΣΔp i =（Δp 1+Δp 2）F t N s =(1718.5+3096.8)×1.15=5537.6Pa ＜30Kpa 传热系数校正