列管式換熱器的設(shè)計

1、列管式換熱器的設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)擬用150Kpa的飽和水蒸氣將常壓下20r的甲苯加熱到75C,甲苯的 質(zhì)量流量為35噸/小時，試設(shè)計一列管式換熱器。要求換熱器管程壓降小 于 70KPa物性數(shù)據(jù)加熱介質(zhì)150 Kpa絕壓的飽和水蒸氣，冷凝液在飽和溫度下排出。換熱器類型選擇兩流體的溫度變化情況如下：甲苯：入口溫度ti=20r，出口溫度t2=75C。飽和水蒸汽：入口溫度=出口溫度=tt2= 111.3 r。 甲苯的平均溫度為(1)（2）因此,=tL_t =47.5 C飽和水蒸汽的平均溫度為因此，此次設(shè)計采用浮頭式列管換熱器。其主要優(yōu)點是管束可以拉出，以便清洗；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種 換熱器介質(zhì)

2、的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。熱負(fù)荷即傳熱速率Q （單位時間內(nèi)傳遞的熱量）Q =mscp(t2_ti)=3.5WX.i89W5-20)=635.78472kW3600式中:msCp熱負(fù)荷；甲苯的質(zhì)量流量;甲苯的比熱容；tl , t2甲苯的入口與出口溫度。平均溫度差A(yù)tm因為殼程中水蒸汽的溫度不變,采用并流和逆流的平均溫度差是相同的。 采用逆流方式,甲苯因此,水蒸汽111.3 Citj =AT2 -itj =111.3-20 =91.3 CAt2 =ATi -At2 =111.3-75 =36.3 C平均溫度差為ti 也上2At291.3 36.3 Lc =59.6

3、3 C,91.3 In36.3初選K值，并估算傳熱面積2根據(jù)條件K值的選擇范圍在 5801160 W/m C2故 K 初=650 W/m -CA-亠=635785 = 16.40 m2K 初也 tm65059.632選用安全系數(shù) =1.151.252A 初=OA = 1.15 X1604 = 18.86 m換熱器尺寸的初步確定1、確定管程結(jié)構(gòu)尺寸(1)管子規(guī)格選傳熱管25mmx2.5mm , L=3m,內(nèi)徑為 di =0.02m，外徑為 d。= 0.025m。材料為碳鋼。液體種類流速m/s管程殼程低粘度液體0.5-30.2-1.5易結(jié)垢液體>1>0.5氣體5-302-15取管內(nèi)苯的

4、流速為u '=0.88m/sn- A初江doL18.86=80.04圓整為80根n"=127 根兀 X 0.025x3三角排列管數(shù),3a2+3a+1，此處 a= 6;初步設(shè)計總管數(shù)校核流速、確定管程350003600ms2=0.461 m/sTT2-IT2n' dj P 80 X X 0.02 x84144管程 口二一二"088""，取 2 管u' 0.461管間距及排列方式管間距 t =( 1.251.3 ) d0,采用緊湊的三角型排列，層數(shù)a = 6，弓形不排管，共 最外層六角形對角線上管數(shù) 采用脹管法排列(因流體壓力不變，脹

5、管法制造方便)u'=取 t = 1.3do= 1.3 X0.025 = 0.0325m127 根管子(Nt = 127 )NTb = 2a+1 = 13 根殼程設(shè)計數(shù)據(jù)D=t(NTb-1)+2dat -管間距殼體內(nèi)徑NTb 最外層六角形對角線上管數(shù)da 六角形最外層管中心到殼體內(nèi)壁距離，一般取b'=( 11.5) d0故 D =t(NTb T) +2da =0.0325x12+2x0.0375=0.465mm 此處取 da = 1.5d0 = 1.5 X0.025 = 0.0375m殼體內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)圓整到500 X10mm，內(nèi)徑D = 480mm 中心拉桿n3 = 8根 直徑12m

6、m ,雙管程隔板少排NTb= 13根，固定桿n=4, 其它可能管若干根。實際管數(shù)選84根，每程42根排列管實際流速I«127布管圖|I|0X矢怒WOO黃瑋it350003600ms21、校核總傳熱系數(shù)K值u =0.877m/s2"" ""T0-02%41與初假設(shè)苯的流速u'2=0.88m/s相近，可行。換熱器長徑比符合要求(右=46)校核計算(1)管內(nèi)對流傳熱系數(shù) a冬=0.023 址 Re0-8 Pr0.4diCp P甲苯Pr =/呷苯O.。2®77 泅1 =3430.97670.43x10,1.189x103x0.430x

7、10十=z =3.930.130X1030 13«2 =0.023 xx 34 3 04.97 6 7 08 X 3.930.4 =1098.21 W/m 2 t0.02(2)管外對流傳熱系數(shù) a0.252 r 3 I r水gu水8 = 0.725|_n34水 4 心.式中：n為水平管束垂直列上的管數(shù)，n= 6;假設(shè)管外壁溫 Tw= 108.3 C,貝y=TsTW =111.3 108.3 = 31.-0.252229x949.92x9.81x0.6823x108 I_2909 56% =0.725263x 25.14x0.025x3(3)污垢熱阻及管壁熱阻常用流體的污垢熱阻流體污垢

8、熱阻m K/kW水（速度 <1m/s , t<47 t）蒸餾水0.09海水0.09清凈的河水0.21未處理的涼水塔用水0.58已處理的涼水塔用水0.26已處理的鍋爐用水0.26硬水、井水0.58水蒸汽優(yōu)質(zhì)一不含油0.052劣質(zhì)一不含油0.09往復(fù)機排岀0.176液體處理過的鹽水0.264有機物0.176燃料油1.056焦油1.76氣體空氣0.26 0.53溶劑蒸汽0.14因此甲苯側(cè)污垢熱阻 Rs2= 1.76 X10'4 m2 C / W水蒸汽側(cè)污垢熱阻 Rs。=0.86>M0'm2歐/W，因為屬于蒸汽冷凝方式，污垢熱阻相對比較小碳鋼鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)入=45 W

9、/m 2 'C(4)校核K值以外表面計算:d1bd11+Rs+ K *2d2幾碳鋼dmd2 %251098.21x20=22.5In2520+ 0.0025"5+1.76沢 10如生 +1= 0.0014974m 2 C / W2012909.5645咒 22.5K=667.821W/m 2K真實-K假設(shè)K真實咒 100%=667.8 650 X 100% =2.665%<5%，可行。667.8校核壁溫Tw= ct1 A(T -Tw )Tw =T - Q =108.3-a1A635785=105.8 C12909.56X 兀 X 0.025 咒 3X 84T4=108.

10、3-1055100%=0.23%108.3與與原假設(shè)值Tw= 108.3 C接近，可行。3、校核傳熱面積A由于水蒸汽側(cè)的冷凝溫度 Ts不變，因此本一殼程雙管程換熱器內(nèi)的兩流體平均溫度差與逆流傳熱的平均溫度差相等。/tm= 59.63 C635785實際所需面積A=-=15.97m 2K 叢tm667.821X59.63實際提供面積2符合要求A = ;rd0nL =兀 x 0.025x 84x 3 = 19.782m 余度 19.78 -15.97 x100%= 19.26%<20% 19.78（六）、進出口管徑1、苯進出口取進口流速U0= 1m/s進口直徑msd = IQ;”3600兮X

11、uJ卩苯 3600 違Xul( 35000=841=0.122mpJI 3600 X X1選用無縫熱軋鋼管（GB 8163-87 ）133 X4.5mm，長200mm。2、水蒸汽進口管徑（殼體）蒸汽用量G =-天（1+0.03）r水蒸汽=635.785 燈.03 = 0.294 kg/s2229蒸汽體積流量V=才況憶=0.262m /s取蒸汽流速u'= 15 m/sDj = I = |0.262 = 0.1492m = 149.2mm 件U存15選用無縫熱軋鋼管（GB8163-87 ）159 X4.5mm，長200mm。3、冷凝水排出口1選用水煤氣管1-"即42.25 X3.

12、25mm21、管程總壓力降陽iPt =（iP +iP <Ft xNsx,長 100mm。Np每程直管壓力降u2P2每程局部阻力引起的壓降、l=Adi2：52P 3u2Paz 2管內(nèi)徑；I管長Ft管程結(jié)垢校正系數(shù),正三角形為1.5，正方形為1.4Ns殼程數(shù)，Ns = 1;Np殼程的管程數(shù)，Np = 2;部分鋼管的絕對粗糙度數(shù)據(jù)無縫鋼I管焊接鋼管狀況新鋼管使用數(shù)年后新鋼管輕微腐蝕經(jīng)過清理中等程度腐蝕舊曰半銹Q 01 QQ 15 QQ 03 QQ 1QQ 3QQ 8L023選取碳鋼的絕對粗糙度為名=0.15 m m,貝U其相對粗糙度可以求得,上=015 =0.0075。di 20Re= O.。

13、2".877：841 =36105.0片苯0.43X10查（摩擦系數(shù)與雷諾數(shù).相對粗糙度間的關(guān)系）圖 查圖（化工原理上冊 P43圖1 28）可知 匸0.0362 2APa =0.036咒丄N877 841 =i746.46N/m2 di 20.0222APr =3u2P/2 蟲咒"087 =970.256 N/m22ip =(iPi +iPr FtNs Np = (1746.46+970.256)X1.5X1X2=8150.148N/m 2 = 8150.148Pa<3.0 X104Pa1、殼程壓力降殼程是飽和水蒸汽冷凝，不必校核其壓力降。殼程壓強降殼程中是水蒸汽，壓

14、強降可按流體沿直管流動的的壓強降計算， 但是要用當(dāng) 量直徑代替內(nèi)徑。計算方法可以采用克恩法等。根據(jù)相關(guān)知識可知，水蒸汽的壓 強降是比較小的，可以忽略不計。所以，流體流經(jīng)換熱器因流動阻力所引起的壓強降為iP 是 Hipi =8.2K p a； 70K p a符合壓強降條件，換熱器選擇能夠滿足需求。150Kpa絕壓的飽和水蒸氣物性數(shù)據(jù)壓力絕壓kPa飽和溫度°C比汽化焓7kJ/kg蒸汽密度kg/m3150111.349422290.8626同溫下飽和水的性質(zhì)密度kg/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/(m C)比汽化rkJ/kg粘度卩(Pass )949.91540.682022290.0002514苯進口

15、溫度ti = 20 C , 出口溫度t2=75C定性溫度20 +75tm =47.5 C2甲苯定性溫度下的物性數(shù)據(jù)物理量密度P黏度卩比熱容Cp導(dǎo)熱系數(shù)A(kg/m3)(Pa密)(kJ / (kg C)(W/(m 眾)數(shù)據(jù)841.00.000431.1890.130化工原理(2010)換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和工藝設(shè)計換熱器型式：浮頭式列管換熱器換熱器面積（m2 ）:23.07'9 （公稱面積），18.79（估算面積）工藝參數(shù)項目管程殼程物料名稱甲苯水蒸汽操作壓力kPa無200 kPa（絕壓）操作溫度（入口 /出口）20/75111.3/111.3流量kg / h35000流體密度kg / m38410.8626流速m/s未計算傳熱量W總傳熱系數(shù)W / （m K對流傳熱系數(shù)W/（m2麻）污垢系數(shù)m2 K/W-41.76 X100.86咒10鼻壓強降kPa8.2Kpa忽