化工原理壳管式换热器选型计算

1、化工原理壳管式换热器选型计算假定:压载水的温度为15C,拟利用船舶的主机缸套冷却水进行热交换 （取换热器进口的缸套水温度 T仁75C,出口温度T2=65C）,将压载水加 热到25C或30C，其中，压载水的流量为 800m3/h。换热器的热缺失可忽 略，不考虑管、壳程阻力压降。要求确定主机缸套冷却水的流量，并选择 一种换热器（常用的，能耐海水腐蚀）。取污垢热阻Rd Rd? 9 105m2 k/w选型运算步骤：压载水（海水）密度1 =1.025 103kg/m3 ,定压比热容cp1=3.89 103J/kg k。33淡水密度20 10 kg/m，在10C90C时，其定压比热容几乎没有 变化，可取

2、Cp2=4.2 103J/kg k。热源水定性温度T=T = 7-65=70Co经饱和水的物性表，查得：22 2=0.668 w m k ,2 =406.1 X 10 6 Pa S。已知，压载水体积流量为：qv1=800m"h/3压载水质量流量为：q411.025 10800222.2kg/m136003600s压载水由初温t1=15C，利用主机缸套冷却水分不加热到t2=25C, 3 0C,由于两种情形下，冷热流体的温差均不大于 50C,故均可选用固定管 板式换热器进行运算，具体如下：【1】压载水:t1 = 15 t2=25C海水的热导率、粘度比纯水稍低，其阻碍因素比较复杂，为简化运

3、算，近似认为纯水。定性温度t色公220 C。经饱和水的物性表，查得：1 =0.599 w m k1=1004X 10 6 Pa S物性参数如下表：物性流体'密度(kg/m3)比热(J/kg K)粘度(Pa S)导热系数（W m k ）1.压载水（冷源）31.025 1033.89 1061004X 100.5992.缸套水（热源）30 104.2 103406.1 X 10 60.668注：管程流体(压载水)参数下标为1,壳程流体(缸套水)参数下标为2.(1)运算热负荷Q qmQp1(t2 tj=222.2 3.89 103 (25 15)=9.333X10 6W通过热量衡算，知6qm

4、2Q =9.333 10=222.22 kg/Cp2(h T2)4.2 10(75 65)即，热源体积流量qv23600=2222%0 103 3600=800m',h(2)平均温差 逆流:热源'75C 65 C25C 15C冷源温差 由 Vt1 = 50 由Vt2506Q _ 9.333 102=103.7mK估Vtm 1800 50Vt1 Vt2 = 5050 =50Vtm 逆2 =50r=T = 7J5=1 , p= 士 0.167 t2 t125 15T1 t1 75 15查温度校正系数®图，知®1>0.8,故采纳单壳程可行。且 Vtm

5、69;Vtm逆=50 C(3)估算传热面积A估查表知，水-水换热的总传热系数为：13962838w m k，可选总 传热系数K估1800乡2 k，贝SA估(4) 试选型管壳程的选择：本设计实例中，与缸套冷却水不同，压载水一样未经 专门处理，所含杂质较复杂，进而压载水侧极易产生腐蚀、结垢及沉淀, 为方便换热器的爱护治理，故采纳压载水走管程，缸套冷却水走壳程。管程流速的选择：关于壳管式换热器，一样要求管程流速达0.2 2.5m? s,壳程流速达0.52.5m? s,结合本设计实例，为防止压载水杂质沉积， 管程压载水流速取ui 1.5%。管子排列方式选择：管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形

6、直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短 路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳内 径可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适 用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。 正方形错列排列则介于上述两者之间， 即对流传热系数(较直列排列的)能够 适当地提升。本例选择正三角形排列。传热管的选择：选传热管19mmx 2mm,其内径d2=0.017m,外径d2=0.019m。估算单程管子根数:=800-3 14236000.01724=653 根1.5A 估 _103.7n?n 3.14 0.019 653

7、2.66m若采纳单程管，则每管程的管长选用 L= I =3m由换热器设计手册查得，可选管子总数N=607根，管中心距t=25mm,正三角形排列。壳体内径 D=700mm,可取折流板间距h=600mm,折流板 数Nb - 1 1 4块,传热面积可选A选105価，管程流通面积为0.1073h 0.6m2o故，由换热器系列标准选用固定管板式换热器：BEM700-0135 -105.130.2519-1I(5) 校核总传热系数K管程对流传热系数1qv1Reidu p管内流体流速：U1冗0.017 1.6 1.025 103600亦1042.74110Cp1 Pi3.891004 106Pr18003

8、14236000.0172 6074103 1004 10 67.040.5991.入 I 0.80.40.5994、0.8a 0.023二只色 Pri =0.023(2.71 10 )d10.017壳程对流传热系数7.040.4=6224.6w m? ka：。壳程流通面积：.乜S=hD(1缸套水流速：4xt© d正三角形排列的当量直径：4 C = 2d°1921 0.1008250.0250.019=2.2 m 尬1008人=0.60.703600Re2Pr2deU2p。心勇.2!1.* 109.37 104Cp2 鳴 4.2 140640610 1062.55k)0.6

9、680 6680.023 -2Re20.8Pr20.3 =0.023 (9.37 104)8 2.550.3=11163.8W / (m2 k) de0.0173a总传热系数。由于压载水所含杂质较为复杂，在管程侧易产生结垢，而壳程侧冷却水也易产生结垢，为简化运算，可取污垢热阻Rd1 Rd2 9 105川kW，碳钢热导率入=45 Wm k。11bd2d2 d2R dR d泌爲兽545 181917K a 2119=5.0663X 10 46224.6 17159 1011163.8-K=1974%2 k(6) 传热面积：94.6m2，与原估值差不多相符。 即传热面积有11%的裕量。106A Q

10、9.333A=A选%.1豐50 1.11 ,A 94.6运算表明，所选换热器规格可用。【2】压载水：t1定性温度t=dY°2经饱和水的物性表，15C225C。查得：t230C入=0.60375Wm Cw=953.375X 10 6 Pa s物性参数如下表:物性密度比热粘度导热系数流体3(kg/m )(kJ/kg K)(Pa s)(% C)1.压载水（冷源）31.025 1033.89 106953.375100.603752.缸套水（热源）1.0 1034.2 103406.110 60.668注：管程流体（压载水）参数下标为1,壳程流体（缸套水）参数下标为2.（1）运算热负荷Q=q

11、m1Cp1(t2 tj 222.22 3.89 103 (30 15) =1.4 107W通过热量衡算，知qm21.4 107Cp2(T, T2)4.2 103 (75 65)热源体积流量qv23600 333.331.0103 36001200m/h逆流:热源75>65C冷源30C<-15C温差45 C50 C由也452 知,Vt250Vt m逆T1t275 65只=二0.667t2t130 15（2）平均温差Vt1 Vt2P=2 t1247.5C也 0.2575 15查温度校正系数©图，知0.98>0.8,故采纳单壳程可行。且Vtm©Vtm 逆 46.

12、55 C（3）估算传热面积A估查表知，水-水换热的总传热系数为：13962838 ，可选总 传热系数K估1800wm2 k，贝ym A _ Q 1.4 107 2A 估=167.1m试选型K估Vtm 1800 46.55流程的选择：本设计实例中，与缸套冷却水不同，压载水一样未经专 门处理，所含杂质较复杂，进而压载水侧极易产生腐蚀、结垢及沉淀，为 方便换热器的爱护治理，故采纳压载水走管程，缸套冷却水走壳程。流体流速的选择：关于壳管式换热器，一样要求管程流速达0.22.5m ? s,壳程流速达0.52.5m? s,结合本设计实例，为防止压载水杂质沉积, 管程压载水流速取ui 1.5/。管子排列方式

13、选择：管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形 直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短 路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳内 径可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适 用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。 正方形错列排列则介于上述两者之间， 即对流传热系数(较直列排列的)能够 适当地提升。在那个地点选择正三角形排列。选传热管19mmx2mm,其内径d10.017m，外径d20.019m。估算单程管子根数：800 653根3.14.65336000.0172 1.54167.1n n

14、2按照传热面积估算管子长度3600 4d1 U1L 4.3mn2n 3.14 0.019 653若采纳1程管，则每管程的管长选用L= I =4.5m。由换热器设计手册查得，可选管子总数N=797根，管中心距t=25mm,正三角形排列。壳体内径 D=800mm,可取折流板间距h=600mm,折流板 数nb -1 1便1 7块，传热面积可选A选209.3 ,管程流通面积为0.140 h 0.68 m2o故，由换热器系列标准选用固定管板式换热器：BEM800-209.3-4.50.25-1I(5)校核总传热系数管程对流传热系数管内流体流速：Uiqvi8003660>1為1210.013600.

15、33110253.1072 797R©4462.32山953.375 10 6Pri骚 3.89 103 953.375 10 6 6.63 入0.60375a0.023 LRe/Pr/4 0.023d1壳程对流传热系数a0.603750.017壳程流通面积:S=hD(1缸套水流速：U2 q正三角形排列的当量deRe2deu2p 0.0173(2.32 104)0.8 6.630.4 5409.2Wm2 k-J-°) 0.6 0.8 1800/36000.11522ms19250.11524 J2_nd24 td n2V 440.22 1.0 1033.1440.01923.14 0.019 =0-0173 6Cp2 鳴 4.2 1406.4o60 106 2 2 0.6680.023Re20.8 Pr20.3de总传热系数。8.52 104Pr2-2.550.668 “ "0.023(8.520.01734、0.80.310 )2.55103462 k由于压载水所含杂质较为复杂，在管程易产生结垢,而壳程侧冷却水也易产生结垢，为简化运算，可取污垢热阻 导率入=45 Wm kRd1Rd29 105川kW，碳钢热如8