列管式换热器设计示例

列管式换热器设计

试自行设计一台固定管板式换热器以完成苯车间用冷水冷却变换气的任务。已知操作条件下变换气方面的数据：

（1）根据任务要求，确定设计方案

①类型的选择。根据设计要求，采用固定管板式换热器

②流动路径的选择。由于变换气被冷却且要求压力降不允许超过30kpa ，按变换气走管内考虑；而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，安排走管间（即壳程）

③冷却介质的选用及其物性。按已知条件给出，冷却介质为处理过的软水，根据全年最高温度设定为冷却水进口温度t 1=30℃，冷却水出口温度t 2=38℃，因此平均温度下冷却水物性如下：

密度ρ=994.3kg/m 3

粘度μ2=0.743Χ10-3Pa.s 导热系数λ=62.5Χ10-2 W/(m.K) 比热容Cpc=4.174 kJ/(kg.K) ④流速的选择，变换气在管内的流速取U=0.65m/s （2）初算换热器的传热面积So

①热负荷及冷却介质消耗量的计算

标准状况下变换气的质量流量Ws 1=3000t/day=125000kg/h

热负荷 Q=WhCph(T 1-T 2)=125000Χ1.81Χ(80.1-40)=9072625kJ/h=2520KW 冷却水的消耗量 Ws 2=

)(12t t C Q pc -=)

3038(1000174.41000

9072625-⨯⨯⨯=271.7t/h

②计算平均温度差Δtm ，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差Δtm ’： Δtm ’=

1

212t t IN

t t ∆∆∆-∆=)3040()

381.80()

3040()381.80(-----IN =22.33℃ 有关参数 R=

1221t t T T --=3038401.80--=5.01 ，P=1112t T t t --=30

1.8030

38--=0.16

根据R,P 值，查《化工原理》上册P232可读得，温度校正系数Φw=0.88>0.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差Δtm=Δtm ’Χ0.88=19.65℃

③按经验数值初选总传热系数Ko （估），选取Ko （估）=480W/(m 2

.K)

④初算出所需传热面积So ’：So ’=

tm o K Q ∆=65

.1948010002520⨯⨯=267.18 m

2

（3）主要工艺及结构基本参数的计算

①换热管规格及材质的选定。选用Φ25mm Χ2.5mm 钢管。 ②换热管数量及长度的确定 管数 n=

2

4i

i d u V π=202.065.014.3846/)3600/125000(4⨯⨯⨯=201根 管长 l ’=

o o d n S π=025

.014.320118.267⨯⨯=16.93m 按商品管长系列规格，取管长L=9m ，选用二管程

③管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。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。 ④计算外壳内直径D i

D i =t(n c -1)+2b ’

由于管中心距 t=1.25d o =1.25Χ25=32mm

横过管束中心线的管数 n c =1.1n =1.12012⨯=22.05 取整n c =22根

管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b ’=1.5do=1.5Χ0.025=0.038m

所以D i =0.032（22-1）+2Χ0.038=0.748m,按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=800mm 因为L/D=9000/800=11.25，管长径比在4~25之间，合适。

⑤排管：根据壳体直径D i 、管中心距t 、横过管束中心线的管数nc 及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排22根管时，按正三角形排列，可排352根，若在六角形每边各加10根，共排412根，除去6根拉杆位置，实际排出406根。因此，实际管子数N=n=406根

⑥计算实际传热面积So 及过程的总传热系数Ko （选）

So=N πdo(L-0.1)=406Χ3.14Χ0.025Χ(9-0.1)=284m

2

Ko(选)=

tm o S Q ∆=65

.1928410002520⨯⨯=451.56W/(m 2

.K) ⑦折流板直径Dc 、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.0mm ，因此，折流板直径 Dc=800-2Χ4.0=792mm 切去弓形高度 h=0.25D=0.25Χ800=200mm 折流板数量 N B =（L-0.1）/h o’-1

取折流板间距ho=600mm ，那么N B =（9-0.1）/0.6=13.8 ,取整得N B =14块 实际折流板间距 h=（9000-100）/（14+1）=593mm

⑧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Φ25mm Χ2.5mm 钢管。 ⑨温度补偿圈的选用。

由于（80.1+40）/2-(30+38)/2=94.05>50℃，故需考虑设置温度补偿圈。具体结构尺寸可从有关标准查取。

⑩列出所设计换热器的结构基本参数。

（4）换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定

换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。 ①筒体壁厚的确定

[]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 2C =，所以

()mm mm 68.252.6

05.601132900

.60==+-⨯⨯⨯=

壳取δδ

②封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。 ③流体进、出口接管直径计算u

d πS

V 4=

变换器进出口接管s m u d /20,11=那么m d 24.09

.014.38463600125000

41=⨯⨯⨯⨯=

经圆整采用mm mm 12245⨯Φ热轧无缝钢管（YB231-64）实际苯的进出口管内流速为

s m /1.07052)^2

0.012-(0.2453.148463*********

4u 1=⨯⨯⨯⨯⨯=

水进出口接管s m u d /9.02,2=取，那么

m

u d 33.08463600125000

42

2=⨯⨯⨯⨯=π 经圆整采用mm 12mm 351⨯Φ热轧无缝钢管（YB231-64）实际水流速

()s m u /9042.02

^2012.0351.014.33.9943600557

.27170042=⨯-⨯⨯⨯⨯=