水冷却油无相变列管式换热器设计书Word文档格式.docx
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2.设计题目及原始数据
某生产过程,需将6000kg/h的油从140℃冷却到40℃,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。
油在90℃下的有关物性数据如下:
密度ρ。
=825kg/m3
定压比热容CP=2.22kJ/(kg·
℃)
导热系数λ=0.140W/(m·
T)
黏度μ=0.000725Pa·
s
表1-1煤油与冷却水的操作参数
煤油
冷却水
设计压力
()
进口温度(°
C)
出口温度(°
流量
(kg/h)
进口温度
(°
出口温度
140
40
6000
30
31912
表1-2煤油与冷却水的物性参数
名称
平均温度(℃)
比热/kg·
k
导热系数W/(m·
k)
密度
kg/m3
粘度(*10-3)Pa·
S
热阻(*10-3)㎡·
K/w
煤油
90
2.22
0.140
825
0.715
冷却水
35
4.174
0.626
993.95
0.728
3.论述换热器总体结构
列管式换热器的结构
介质流经传热管内的通道部分称为管程。
①换热管布置和排列间距
常用换热管规格有19×
2mm、25×
2mm(1Crl8Ni9Ti)、25×
2.5mm(碳钢10)。
小直径的管子可以承受更大的压力,而且管壁较薄;
同时,对于相同的壳径,可排列较多的管子,因此单位体积的传热面积更大,单位传热面积的金属耗量更少。
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。
(A)
(B)(C)
(D)(E)
图1-4换热管在管板上的排列方式
(A)正方形直列
(B)正方形错列(C)三角形直列(D)三角形错列
(E)同心圆排列
正三角形排列结构紧凑;
正方形排列便于机械清洗;
同心圆排列用于小壳径换热器,外圆管布管均匀,结构更为紧凑。
我国换热器系列中,固定管板式多采用正三角形排列;
浮头式则以正方形错列排列居多,也有正三角形排列。
②管板
管板的作用是将受热管束连接在一起,并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。
胀接法是利用胀管器将管子扩胀,产生显著的塑性变形,靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。
胀接法一般用在管子为碳素钢,管板为碳素钢或低合金钢,设计压力不超过4,设计温度不超过350℃的场合。
③封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端,其作用是控制及分配管程流体。
(1)封头当壳体直径较小时常采用封头。
接管和封头可用法兰或螺纹连接,封头与壳体之间用螺纹连接,以便卸下封头,检查和清洗管子。
(2)管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。
由于清洗、检修管子时需拆下管箱,因此管箱结构应便于装拆。
(3)分程隔板当需要的换热面很大时,可采用多管程换热器。
对于多管程换热器,在管箱内应设分程隔板,将管束分为顺次串接的若干组,各组管子数目大致相等。
这样可提高介质流速,增强传热。
管程多者可达16程,常用的有2、4、6程。
在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置,以增强传热,同时应严防分程隔板的泄漏,以防止流体的短路。
4.确定设计方案
选择换热器的类型
两流体温的变化情况:
热流体进口温度140℃出口温度40℃;
冷流体进口温度30℃,出口温度为40℃,该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其进口温度会降低,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,初步确定选用列管式换热器。
5.设计参数
5.1流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降,为便于水垢清洗,应使循环水走管程,油品走壳程,选用25×
2.5的碳钢管,管内流速
5.2确定物性参数
定性温度:
可取流体进口温度的平均值
壳程油的定性温度
管城流体的定性温度
根据定性温度,查取管城流体的有关物性数据
循环冷却水在35℃下的物性数据:
密度定压比热容
导热系数粘度
有题目中数据:
油在90℃下的有关物性数据:
导热系数粘度
5.3计算总传热系数
5.3.1热流量
5.3.2平均传热温度
5.3.3冷却水用量
5.3.4总传热系数K
1)管程传热系数
2)壳程传热系数
假设壳程的传热系数
3)管壁导热系数
5.4计算传热面积
考虑15%的面积裕度,
5.5工艺结构尺寸
5.5.1管径和管内流速
选用传热管(碳钢),取管内流速
5.5.2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
按单管程计算,所需的传热管长度为
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,则该换热器管程数为
传热管总根数
5.5.3平均传热温差数校正及壳程数
平均传热温差校正系数
按单壳程及管程结构,温差校正系数应查有关图表可得
平均传热温差
5.5.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即管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,则
横过管束中心线的管数
5.5.5壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率则壳体内径为
圆整可取
5.5.6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25%,则切去的圆缺高度为
故可取110㎜
取折流板间距
,可取
折流板数
折流板圆缺面水平装配
5.5.7接管
壳程流体进出口接管:
去接管内油品流速
则接管内径为
取标准管径为110mm
5.6换热器核算
5.6.1壳程对传热系数
对圆缺形折流板,可采用克恩公式
当量直径,由正三角形排列得:
壳程流通截面积
壳程流体流速及其雷诺数分别为
普兰特准数
粘度校正:
壳程中油被冷却
5.6.2管程对流传热系数
管程流通截面积
管程流体流速
普兰特准数
5.6.3传热系数
5.6.4传热面积
该换热器的实际传热面积
该换热器的面积裕度为
传热面积裕度适合,该换热器能够完成任务
5.7换热器流体流动阻力
5.7.1管程流动阻力
由得到传热管的相对粗糙度为,查莫狄图得流速,所以
所以,流体阻力在允许范围之内。
5.7.2壳程的压力降
所以,压力降在允许范围之内。
6.换热器主要结构尺寸和计算结果
参数
管程
壳程
流量/(kg/h)
34571
6500
进(出)口温度/℃
39/40
40/140
压力/
0.4
物性
定性温度/℃
密度/(kg/m3)
995.95
定压比热容/[/(kg·
℃]
黏度/[]
7.15×
10-4
热导率/[W/(m·
设备结构参数
型式
列管式
壳程数
1
壳体内径/mm
450
台数
管径/mm
φ25×
2.5
管心距/mm
32
管长/mm
管子排列
△
管数目/根
124
折流板数/个
39
传热面积/m2
47.56
折流板间距/mm
150
管程数
2
材质
主要计算结果
流速/(m/s)
0.495
0.148
表面传热系数/[W/(m2·
2369
290
污垢热阻/(m2·
℃/W)
阻力/
4807.6
2984.4
传热面积/㎡
54.694
热流量/kW
400.83
传热温差/℃
传热系数/[W/(m2·
216.1
7.换热器结构图
8.主要符号说明
冷却水的定性温度
T
有机液定性温度
t
冷却水密度
ρi
有机液密度
ρo
冷却水定压比热容
cpi
有机液定压比热容
cpo
冷却水导热系数
λi
有机液导热系数
λo
冷却水粘度
μi
有机液粘度
μo
热流量
有机液流量
热负荷
Q
总传热系数
管程雷诺数
温差校正系数
管程、壳程传热系数
初算初始传热面积
传热管数
初算实际传热面积
壳体内径
D
横过中心线管数
折流板间距
B
管心距
NB
管程压力降
当量直径
壳程压力降
面积裕度
H
9.参考文献
[1]天津大学化工原理教研室编.化工原