列管式换热器设计

1、 列管式换热器的设计目录一、设计任务和设计条件.2二、确定设计方案.21、换热器的选择.22、工艺方案的确定.3三、确定物性数据.3四、换热器的设计计算.31、热量的衡算.3 2、平均传热温差.43、传热面积.4 4、冷却水用量.5 五、工艺结构尺寸的确定.51、管径和管内流速.52、管程数和传热管数.5 3、平均传热温差校正及壳程数.6 4、传热管排列和分程方法.7 5、壳体内径.7 六、换热器面积的校核.91、热流量核算.92、管程表面传热系数.11 3、污垢热阻和管壁热阻.14 4、传热系数.145、传热面积裕度.15 七换热器主要结构尺寸和计算结果见下表.15八、参考文献.16列管式换

2、热器的设计一、设计任务和设计条件某生产过程中，需将20000 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。二、确定设计方案1、换热器的选择现在市场上有多种换热器，依换热器的用途不同分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等。工业中常用管式传热器分别是两流体直接接触式换热器、蓄热式换热器、夹套式换热器、沉浸式蛇形换热器、喷淋式换热器、套管式换热器、螺旋管式换热器、板式换热器、板翅式换热器、热管式换热器、列管式换热器。而工业中常用的换热器种类是列管式换热器，列管式换热器

3、的种类分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器。固定管板式的两端管板和壳体制成一体。因此它具有结构简单和成本低的优点。但是壳程清洗和检修困难，要求壳程流体必须是洁净而不易结垢的物料。当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈，当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应外壳和管束不同的热膨胀程度。这种补偿方法简单，但不宜应用两流体温差过大（应不大于70）和壳程流体压强过高的场合。 U型管式换热器每根管子都弯成U型，进出口分别安装在同一管板的两侧，封头用隔板分成两室。这样，每根管子可以自由伸缩。而与其他管子和壳体均无关。这种换热器结构比浮

4、头式简单，重量轻，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。 浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。因两流体进口温度140，出口温度40；冷流体进口温度30，出口温度为40，且该换热器用冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会将近，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，从而选用浮头式换热器。2、工艺方案的确定(1)从两物体操作压力看，应使油品走壳程，冷却

5、水走管程。(2)不清洁或者易结垢的流体易走易清洗的一侧，又因冷却水容易结垢，所以冷却水走管程，方便清洗。(3)需要冷却水的流体宜走壳程便于散热，以便于减少冷却水的使用量。三、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t=() 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：密度 o=825 kg/m3定压比热容 cpo=2.22kJ/(kg·)导热系数 o=0.140 W/(m·)粘度 o=0.000715 Pa·s冷却水在35下的物性数据： 密度 i=994.3kg/m3定压比热

6、容 cpi=4.08 kJ/(kg·)导热系数 i=0.626W/(m·)粘度 i=0.000725Pa·s 四、换热器的设计计算1、热量的衡算 =式中： 热负荷 ,W； 热流体的质量流量,kg/s； c热流体的平均定压比热容，J/()； 、热流体进、出口温度,。由设计参数知：cpo=2.22kJ/(kg·)；=5.56kg/s=140 =40 所以 =5.56×2.22×(140-40)=1.23W2、平均传热温差 (先按照纯逆流计算) =式中：,热流体进、出口温度，； 冷流体进、出口温度，； =140 ；=40 ； =30 ； =

7、40 =3、传热面积 根据文献，取 K=200W/(k)； 则估算的传热面积：Ap=式中： =1.23 K=200W/(k) =39 所以 Ap=4、冷却水用量 式中： 热负荷,kJ/h； 冷流体的质量流量,kg/s； 冷流体的平均定压比热容,J/() 冷流体进出口温差, 。参数： =1.23kJ/h；=4.08 kJ/(kg·)；=10 。 所以 五、工艺结构尺寸的确定1、管径和管内流速 根据文献选用25mm×2.5mm的传热管（碳钢），其内径=0.02m，外径=0.025m，由前面可知采用水走管程，油品走壳程。管内水的流速选取=1。2、管程数和传热管数 可依据传热管内径

8、和流速确定单程传热管数Ns=式中： 单程传热管数 冷流体质量流量, ; 管的内半径,m; 流体流速,。参数： =30.15； =0.02m； =1m/s所以 Ns= 原整为97（个）按单程管计算，所需的传热管长度为： L=式中：传热面积，； L传热管总长度，m； 管的外直径，m； 单程传热管数，个。参数： =157.69 ；=0.025m ；=97个故 L=按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，又根据参考文献，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为:=式中： 管程数， 个； L 传热管总长， m； l国家标准传热管长， m；参数：L =20.71m;l=6m故 N

9、p= 原整为 4 （个） 传热管总根数 Nt=97×4=3883、平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 P= R= 参数：,热流体进、出口温度， 冷流体进、出口温度，； =140 ； =40 ； =30 ； =40 。按双壳程，四管程结构，温差校正系数应查有关图表，但R=10在图上难以找出，因此以1/R代替R。从而查图4-9得 所以平均传热温差 >0.8，满足要求由于平均传热温差校正系数大于0.8，故取四壳程合适。 4、传热管排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正方形排列,隔板两侧采用正方形排列。取管心距：t=1.4d0，式中：t管心距，m； 管的外径，m；参数

10、：=0.025m则 t=1.4×25=35隔板中心到离其最近一排管中心距离为： S=t/2+6式中： S管中心距，m； t管心距， m；参数： t=35mm则 S=t/2+6=35/2+6=23.5各程相邻管的管心距为47。 5、壳体内径 取管板利用率=0.75 ，则壳体内径为： D=式中： D壳体内径 ， m； 总管数， 个； 管板利用率参数：=388个 =0.75 则 D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=850mm折流板，采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的40%，则切去的圆缺高度为：h=0.2D式中：h圆缺高度， m； D壳体内径 ， m；参数：D=850mm

11、则 h=0.2×850=170mm，故可取h=170mm取折流板间距B=0.4D，则 B=0.4×850=340mm，可取B为350mm。折流板数目NB=式中：NB折流板数目， 个； l标准传热管长，m； B折流板间距， m； 参数：l=6m；B=0.35mNB= 原整为17该换热器的实际传热面积=式中：标准管的外径，m； l标准管的长度，m； 总的管数，个。 =0.02m； l=6m； =388=182.75六、换热器面积的校核1、热流量核算（1)壳程表面传热系数 壳程流通截面积： 式中：壳程流通截面积， B折流板间距， m； D壳体内径 ， m； 管的外径， m。 参数

12、：=0.025m;B=0.35m;D=850mm;t=0.035m壳程流体流速及其雷诺数分别为=式中： 热流体流速, m/s; 热流体的质量流量, kg/s； 壳程流通截面积， 热流体密度，kg/m3；参数： =20000kg/h =0.0825m=825 kg/m3 则 正方行排列的当量直径: 式中： 正方行排列的当量直径，m； 标准管的外径，m。则 式中： 热流体雷诺数 热流体流速， m/s; 管的外径， m； 热流体粘度， Pa·s； 热流体密度， kg/m3；参数： =0.08m/s;o=0.000715 Pa·s =0.025m;=825 kg/m3则 根据文献，

13、可得普朗特数 =式中： 热流体普朗特数 Cpo 定压比热容， J/(kg·）； 热流体粘度， Pa·s； o 导热系数， W/(m·)；参数： cpo=2.22kJ/(kg·) o=0.000715 Pa·s o=0.140 W/(m·)则 粘度校正 式中： 热流体管内表面传热系数 o 导热系数， W/(m·)； 当量直径， m； 热流体普朗特数参数： =11.34 o=0.140 W/(m·) =0.037m则 2、管程表面传热系数 管程流体流速 =式中： 冷流体流速， m/s; 冷流体的质量流量, kg/s；

14、标准管的内径，m； 管数，个； 冷流体密度，kg/m3。参数： =30.15kg/s =825 kg/m3=0.02m 则 雷诺数：式中： 冷流体雷诺数 热流体流速， m/s; 管的外径; m； 热流体粘度， Pa·s； 冷流体密度，kg/m3；参数： =0.996m/s =0.000725Pa·s =0.02m =994.3kg/m3则普朗特数 =式中：冷流体普朗特数 定压比热容，J/(kg·）； 冷流体粘度，Pa·s； 导热系数， W/(m·)；参数： =4.08kJ/(kg·) =0.000725 Pa·s =0.62

15、6W/(m·)则 冷流体管内表面传热系数 式中： 冷流体管内表面传热系数 导热系数， W/(m·)； 当量直径， m； 冷流体雷诺数 冷流体普朗特数 参数： =4.725 = 0.626W/(m·) = =0.02m 则 3、污垢热阻和管壁热阻 取污垢热阻，管内侧污垢热阻跟据文献十四、固体材料的热导率知，碳钢管在该条件下的热导率为45w/(m·K)。4、传热系数 式中： 传热系数，； 管的外径， m； 冷流体管内表面传热系数 管的外径， m； 管内侧污垢热阻， ； 管外侧污垢热阻， ； b管壁厚度，m； 热流体管内表面传热系数 碳钢管在该条件下的热导率，

16、w/(m·K)； 参数： =0.025m;=0.02m; =4756; =253 =0.0002 =0.0002 b=0.0025m;=22.5mm;=45w/(m·K)5、传热面积裕度 式中： 传热面积， ； 传热系数， 平均传热温差， ；参数： =211 则 该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 七换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程进/出口温度/30/40140/40压力/MPa0.40.3物性定性温度/3590密度/（kg/m3）994.3825定压比热容/kj/（kgk）4.082.22粘度/（Pas）0.0007250.

17、000715热导率（W/mk） 0.6260.140普朗特数4.72511.3设备结构参数形式浮头式壳程数2壳体内径/850台数1管径/25×2.5管心距/35管长/6000管子排列正方形排列管数目/根388折流板数/个17传热面积/182.74折流板间距/350管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.9960.08表面传热系数/W/（k）4756253污垢热阻/（k/W）0.00020.0002热流量/KW1.23传热系数/W/（K）211裕度/% 22%八、参考文献：1 刘积文主编，石油化工设备及制造概论，哈尔滨；哈尔滨船舶工程学院出版社，1989年。2 GB4557.184机械制图图纸幅面及格式3 GB15098