列管式换热器的设计

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....................................................2

1、换热器的选择..................................................2 2、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................................................3

1、热量的衡算....................................................3 2、平均传热温差..................................................4 3、传热面积......................................................4 4、冷却水用量....................................................5

五、工艺结构尺寸的确定..............................................5

1、管径和管内流速................................................5 2、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................................................9

1、热流量核算...................................................9 2、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Ke..................................................14 5、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

1

列管式换热器的设计

列管式换热器的设计

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。

2

列管式换热器的设计

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。

1404090(℃) 24030管程流体的定性温度为T1=35(℃)

2壳程油的定性温度为t1=

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 ρo=825 kg/m3 定压比热容 cpo=2.22kJ/(kg·℃) 导热系数 λo=0.140 W/(m·℃) 粘度 μo=0.000715 Pa·s 冷却水在35℃下的物性数据： 密度 ρi=994.3kg/m3 定压比热容 cpi=4.08 kJ/(kg·℃) 导热系数 λi=0.626W/(m·℃) 粘度 μi=0.000725Pa·s

四、换热器的设计计算

1、热量的衡算

Q0=q0cp（0t1t2）

3

列管式换热器的设计

式中：

Q0——热负荷 ,W；

q0——热流体的质量流量,kg/s；

c0——热流体的平均定压比热容，J/(kg.c)； t1、t2——热流体进、出口温度,℃。 由设计参数知：cpo=2.22kJ/(kg·℃)；

q0=5.56kg/s

t1=140℃ t2=40 ℃

所以 Q0=5.56×2.22×(140-40)=1.23106W 2、平均传热温差 (先按照纯逆流计算) tm=

t1t2T1T2

ttln12T1T2式中：t1,t2——热流体进、出口温度，℃； t3,t4——冷流体进、出口温度，℃； t1=140℃ ；t2=40℃ ； t3=30℃ ； t4=40℃

tm=

14040403039℃

ln1404040303、传热面积

根据文献1，取 K=200W/(㎡k)； 则估算的传热面积：Ap=式中： Q0=1.23106 K=200W/(㎡k)

Q0 Ktm4

列管式换热器的设计

tm=39℃

1.23106所以 Ap=157.69m2

200394、冷却水用量

qiQi Citi式中：Qi ——热负荷,kJ/h； qi ——冷流体的质量流量,kg/s；

ci ——冷流体的平均定压比热容,J/(kg.c) ti——冷流体进出口温差,℃ 。

参数： Qi=1.23106kJ/h；ci=4.08 kJ/(kg·℃)；ti=10℃ 。

1.23106kg 所以 qi30.15s4.0810310五、工艺结构尺寸的确定

1、管径和管内流速

根据文献1选用Φ25mm×2.5mm的传热管（碳钢），其内径d1=0.02m，外径由前面可知采用水走管程，油品走壳程。管内水的流速选取u1=1m。 d2=0.025m，

s2、管程数和传热管数

可依据传热管内径和流速确定单程传热管数

Ns= 式

中：

NS

——单程传热管数

qm1——冷流体质量流量, kg di——管的内半径,m;

s;

5

列管式换热器的设计

u1——流体流速,m。

s参数： qm1 =30.15kg

；d=0.02m； u1=1m/s s i30.15所以 Ns= 96.5 原整为97（个） 2994.30.7850.021按单程管计算，所需的传热管长度为： L=式中：AP——传热面积，m2； L——传热管总长度，m； d0——管的外直径，m； NS——单程传热管数，个。

参数： AP=157.69m2 ；d0=0.025m ；NS=97个 故 L=

157.6920.71m

994.30.02597L lApdoNs

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2，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为:Np=

式中： Np——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 Np=

L20.71 3.45l6 原整为 4 （个）

传热管总根数 Nt=97×4=388 3、平均传热温差校正及壳程数

平均温差校正系数有 P=

t4t34030=0.091 t1T11403014040tt10 R=12t4t34030

6

列管式换热器的设计

参数：t1,t2——热流体进、出口温度，℃ t3,t4——冷流体进、出口温度，℃； t1=140℃ ； t2=40℃ ； t3=30℃ ； t4=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 t0.98

所以平均传热温差 tmttm塑0.98 3938.22℃

t>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； d0——管的外径，m； 参数：d0=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

7

列管式换热器的设计

取管板利用率η=0.75 ，则壳体内径为： D=1.05tNT/ 式中： D——壳体内径 ， m； Nt——总管数， 个； ——管板利用率 参数：Nt=388个 =0.75

则 D=1.05tNT/1.0535388/0.75835mm 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

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=

传热管长l1折流板间距B

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=0.35m NB=

传热管长60001116.折流板间距3500 原整为17

该换热器的实际传热面积A1

A1=d2lNS

式中：d2——标准管的外径，m；

8

列管式换热器的设计

l——标准管的长度，m； Ns——总的管数，个。 d2 =0.02m； l=6m； Ns=388

A1=3.140.026388=182.75m2

六、换热器面积的校核

1、热流量核算

（1)壳程表面传热系数 α

0

壳程流通截面积：soBD(1d2) t 式中：s0——壳程流通截面积，m2 B——折流板间距， m； D——壳体内径 ， m； d0——管的外径， m。

参数：d0=0.025m;B=0.35m;D=850mm;t=0.035m

soBD(1do25)0.350.85(1)0.0825m2 t32壳程流体流速及其雷诺数分别为

u0=

q0

36000s0 式中： u0——热流体流速, m/s; q0—— 热流体的质量流量, kg/s； s0——壳程流通截面积，m2 0——热流体密度，kg/m3；

参数：q0 =20000kg/h

s0=0.0825m2

9

列管式换热器的设计

0=825 kg/m3 则 uo20000/(3600825)0.08m/s

0.0825242t2d24正方行排列的当量直径: de

d2式中： de——正方行排列的当量直径，m； d2——标准管的外径，m。

420.03520.7850.0252则 de0.037m 23.140.025

Reo

0deu0 0式中：

Reo——热流体雷诺数

u0——热流体流速， m/s; d0——管的外径， m； 0—— 热流体粘度， Pa·s； 0——热流体密度， kg/m3； 参数： u0=0.08m/s;μo=0.000715 Pa·s d0=0.025m;0=825 kg/m3 则 Reo0.020.088253415

0.000715Nu0Pr13根据文献3，可得普朗特数 pr=

230 wc000

10

列管式换热器的设计

式中： pr——热流体普朗特数

Cpo—— 定压比热容， J/(kg·℃）； 0—— 热流体粘度， Pa·s； λo ——导热系数， W/(m·℃)； 参数： cpo=2.22kJ/(kg·℃) μo=0.000715 Pa·s λo=0.140 W/(m·℃)

2.221030.000715则 Pr11.3

0.14

粘度校正 (0.14)0.95 w 0300dePr13(0.14 )w式中： 0——热流体管内表面传热系数 λo ——导热系数， W/(m·℃)； de——当量直径， m；

pr——热流体普朗特数

参数： pr=11.34

λo=0.140 W/(m·℃)

de=0.037m

10.1411.3430.95253w/m2K 0.037则 o302、管程表面传热系数 α1 管程流体流速 ui=

qi 2i0.785d1Ns式中： ui——冷流体流速， m/s;

11

列管式换热器的设计

qi ——冷流体的质量流量, kg/s； d1 ——标准管的内径，m；

Ns ——管数，个；

i——冷流体密度，kg/m3。 参数： qi =30.15kg/s 0=825 kg/m3

d1=0.02m

Ns97

30.150.996m/s 2994.30.7850.0297idui雷诺数：Reii

则 uii式中：Rei——冷流体雷诺数

ui——热流体流速， m/s; di——管的外径; m；

i—— 热流体粘度， Pa·s； i——冷流体密度，kg/m3； 参数： ui=0.996m/s i=0.000725Pa·s di=0.02m i=994.3kg/m3

则 Re0.020.996994.3/(0.000725)2.74104

12

列管式换热器的设计

普朗特数 pr=

ciii

式中：pr——冷流体普朗特数

ci—— 定压比热容，J/(kg·℃）； i——冷流体粘度，Pa·s； i ——导热系数， W/(m·℃)； 参数： ci=4.08kJ/(kg·℃) i=0.000725 Pa·s i=0.626W/(m·℃)

4.081030.000725则 Pr4.725

0.626冷流体管内表面传热系数 i0.023idiRe0.8Pr0.4

式中： i——冷流体管内表面传热系数 i ——导热系数， W/(m·℃)； de——当量直径， m；

Rei——冷流体雷诺数

pr——冷流体普朗特数 参数： pr=4.725

i= 0.626W/(m·℃)

Reo=2.74104

0.6262.741040.02 de=0.02m 则 i0.023

0.84.7250.44756w/m2.k

13

列管式换热器的设计

3、污垢热阻和管壁热阻

取污垢热阻，Ro0.0002m2k/w，管内侧污垢热阻Ri0.0002m2k/w 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Ke Ke1doRidobdo1 (Ro)idididmo 式中： Ke——传热系数，w/m2.k； d0——管的外径， m； i——冷流体管内表面传热系数 di——管的外径， m； Ri——管内侧污垢热阻， m2k/w； Ro——管外侧污垢热阻， m2k/w； b——管壁厚度，m；

0——热流体管内表面传热系数

——碳钢管在该条件下的热导率，w/(m·K)； 参数： d0=0.025m;di=0.02m; i=4756w/m2.k; 0=253w/m2.k Ri=0.0002m2k/w Ro=0.0002m2k/w

b=0.0025m;dm=22.5mm;=45w/(m·K)

Ke1(doRdbd1iooRo)idididmo211w/m2.k

14

列管式换热器的设计

5、传热面积裕度 AcQ1 Ketm式中： Ac——传热面积， m2； Ke——传热系数， w/m2.k tm——平均传热温差，℃ ； 参数： Ke=211w/m2.k tm38.22 ℃

Q11.23106149.47m2 则 AcKetm21138.22该换热器的面积裕度为：HA1Ac182.75-149.4722% Ac149.47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 进/出口温度/℃ 压力/MPa 定性温度/℃ 管程 30/40 0.4 35 994.3 4.08 壳程 140/40 0.3 90 825 2.22 物性 密度/（kg/m3） 定压比热容/[kj/（kg•k）] 粘度/（Pa•s） 热导率（W/m•k） 普朗特数 形式 0.000725 0.626 4.725 浮头式 850 Φ25×2.5 0.000715 0.140 11.3 壳程数 台数 管心距/㎜ 2 1 35 设备

壳体内径/㎜ 管径/㎜ 15

列管式换热器的设计

管长/㎜ 6000 管子排列 正方形排列 管数目/根 388 个 折流板数/17 传热面积/㎡ 182.74 折流板间距/㎜ 350 管程数 主要计算结果 流速/（m/s） 表面传热系数/[W/（㎡•k）] 污垢热阻/（㎡•k/W） 热流量/KW 传热系数/[W/（㎡•K）] 裕度/% 八、参考文献：

4 管程 0.996 4756 0.0002 材质 壳程 0.08 253 0.0002 1.23106 211 22% 碳钢 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，19年。

2． GB4557.1——84机械制图图纸幅面及格式 3． GB150——98钢制压力容器

4． 机械工程学会焊接学会编，焊接手册，第3卷，焊接结构，北京；机械工业出版社 1992年。

5． 杜礼辰等编，工程焊接手册，北京，原子能出版社，1980 6.曹玉璋.传热学。北京：航空航天大学出版社 2001. 7.何潮洪，冯宵.化工原理。北京：科学出版社，2001.

8.李慎安，陈维新，鲍大中.新编法定计量单位应用手册。北京：机械工业出版社，1990

9.B.M.拉姆。气体吸收。第二版。刘凤志等译。北京：化学工业出版社，1985 10.时钧，汪家鼎，余国琮，蔡敏恒，化学工程手册。第二版。上、下卷。北京：化学工业出版社，1996

16

列管式换热器的设计

17