水冷却油无相变列管式换热器设计书.docx
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水冷却油无相变列管式换热器设计书
水冷却油无相变列管式换热器设计书
1.设计原则
完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。
合理地实现所规定的工艺条件
传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。
设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。
其具体做法如下。
①增大传热系数
在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。
②提高平均温差
对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。
因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。
在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。
③妥善布置传热面
例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。
错列管束的传热方式比并列管束的好。
如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。
1.安全可靠
换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。
2.有利于安装、操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。
设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。
3.经济合理
评价换热器的最终指标是：
在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。
在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。
动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。
传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。
在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。
严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。
但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。
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（°C）
流量
（kg/h）
进口温度
（°C）
出口温度
（°C）
流量
（kg/h）
140
40
6000
30
40
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:
密度定压比热容
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/℃
35
90
密度/（kg/m3）
995.95
825
定压比热容/[/（kg·℃]
4.174
2.22
黏度/[]
7.15×10-4
热导率/[W/（m·℃]
0.626
0.140
设备结构参数
型式
列管式
壳程数
1
壳体内径/mm
450
台数
1
管径/mm
φ25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
6000
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
管程
壳程
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/℃
32
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
平均传热温差
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
S
管程数
壳体内径
D
横过中心线管数
折流板间距
B
管心距
t
折流板数
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
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