列管式換熱器設(shè)計(jì)
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- 列管式換熱器設(shè)計(jì)
一．設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件
某生產(chǎn)過程的流程如圖所示，反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流患熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110℃進(jìn)一步冷卻至60℃之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混和氣體的流量為227301㎏/h，壓力為6.9MPa ,循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa ，循環(huán)水的入口溫度為29℃，出口溫度為39℃ ，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管式換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。
物性特征：
混和氣體在35℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：
密度
定壓比熱容 =3.297kj/kg℃
熱導(dǎo)率 =0.0279w/m
粘度
循環(huán)水在34℃ 下的物性數(shù)據(jù)：
密度 =994.3㎏/m3
定壓比熱容 =4.174kj/kg℃
熱導(dǎo)率 =0.624w/m℃
粘度
二．確定設(shè)計(jì)方案
1．選擇換熱器的類型
兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度110℃ 出口溫度60℃；冷流體進(jìn)口溫度29℃，出口溫度為39℃，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。
2．管程安排
從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會(huì)加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應(yīng)使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。
三．確定物性數(shù)據(jù)
定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為
T= =85℃
管程流體的定性溫度為
t=℃
根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)混合氣體來說，最可靠的無形數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)值。若不具備此條件，則應(yīng)分別查取混合無辜組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，然后按照相應(yīng)的加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據(jù)。
混和氣體在35℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）：
密度
定壓比熱容 =3.297kj/kg℃
熱導(dǎo)率 =0.0279w/m
粘度 =1.5×10-5Pas
循環(huán)水在34℃ 下的物性數(shù)據(jù)：
密度 =994.3㎏/m3
定壓比熱容 =4.174kj/kg℃
熱導(dǎo)率 =0.624w/m℃
粘度 =0.742×10-3Pas
四．估算傳熱面積
1．熱流量
Q1=
=227301×3.297×(110-60)=3.75×107kj/h =10416.66kw
2.平均傳熱溫差 先按照純逆流計(jì)算，得
=
3.傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=320W/(㎡k)則估算的傳熱面積為
Ap=
4.冷卻水用量 m==
五．工藝結(jié)構(gòu)尺寸
1．管徑和管內(nèi)流速 選用Φ25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=1.3m/s。
2．管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)
Ns=
按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為
L=
按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為
Np=
傳熱管總根數(shù) Nt=612×2=1224
3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)按式（3-13a）和式（3-13b）有 R=
P=
按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖3-9得
平均傳熱溫差 ℃
由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。
4.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。見圖3-13。
取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25≈32㎜
隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式（3-16）計(jì)算
S=t/2+6=32/2+6=22㎜
各程相鄰管的管心距為44㎜。
管數(shù)的分成方法，每程各有傳熱管612根，其前后關(guān)鄉(xiāng)中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按圖3-14選取。
5．殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式（3-19）估算。取管板利用率η=0.75 ，則殼體內(nèi)徑為
D=1.05t
按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=1400mm
6．折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為
H=0.25×1400=350m，故可取h=350mm
取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×1400=420mm，可取B為450mm。
折流板數(shù)目NB=
折流板圓缺面水平裝配，見圖3-15。
7．其他附件
拉桿數(shù)量與直徑按表3-9選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm，故其拉桿直徑為Ф12拉桿數(shù)量不得少于10。
殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板，如圖3-17所示。
8．接管
殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為
圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。
管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為
圓整后去管內(nèi)徑為360mm
六．換熱器核算
1．熱流量核算
（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算，見式（3-22）
當(dāng)量直徑，依式（3-23b）得
=
殼程流通截面積，依式3-25 得
殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為
普朗特?cái)?shù)
粘度校正
（2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按式3-32和式3-33有
管程流體流通截面積
管程流體流速
普朗特?cái)?shù)
（3）污垢熱阻和管壁熱阻 按表3-10，可取
管外側(cè)污垢熱阻
管內(nèi)側(cè)污垢熱阻
管壁熱阻按式3-34計(jì)算，依表3-14，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·K)。所以 ...
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