换热器的设计

换热

12万吨/年二甲苯从90℃冷却到50℃，冷却介质水从30℃到40℃。

一·确定设计方案

1．选择换热器的类型

两流体温度变化情况：二甲苯进口温度90℃，出口温度50℃；循环水进口温度30℃，出口温度40℃。考虑到流体温差不是太大，但冬季水温低，温差稍大。壳程压力也不是很大，所以选用带膨胀节的固定管板式换热器。

2．流动空间及流速的确定

由于循环冷却水较易结垢，应使其走管程，二甲苯走壳程。选φ25⨯2.5的碳钢管，管内流速取1.5m/s 。

物性数据的确定

定性温度：可取流体进出口的平均值。 壳程油的定性温度为：702

5090=+=T ℃ 管程流体的定性温度为：352

4030=+=T ℃ 二甲苯在70℃下相关的物性数据如下：

密度 ：ρO =825.7㎏/3m 定压比热容 ： po c =1.896kJ/（㎏·℃） 导热系数：λO =1.22W/（m ·℃） 粘度：μO =0.00037pa.s

循环冷却水在35℃下的物性数据：

密度 ：ρO =994㎏/3m 定压比热容 ： po c =4.08kJ/（㎏·℃）

导热系数：λO =0.626W/（m ·℃） 粘度：μO =0.0007225pa.s

二·热量衡算

1. 热流量

Q O =m O c PO t O =71012⨯/（300×24）×1.896×（90-50）=1.624×610KJ/h=351.1KW

2. 平均传热温差 Δ2

1

21,ln t t t t t m ∆∆∆-∆==7.3230504090ln )3050()4090(=-----℃ 3. 冷却水用量

h Kg t c Q w i pi i /9.39803)

3040(08.416240000=-⨯=∆= 4. 总传热系数K

管程传热系数

41131000725

.09945.102.0=⨯⨯==i i

i i e u d R μρ

3.6582)626

.0725.008.4()41131(02.0626.0023.0)()(023.04.08.04.08.0=⨯⨯==i i p i i i i i i i c u d d λμμρλα W/（㎡. ℃）

假设壳程的传热系数o α=440W/（㎡. ℃），管壁导热系数λ=45W/（m.℃） 污垢热阻2000344.0m R si =.℃/W 000172

.0=so R ㎡.℃/W ℃）

⋅=++⨯⨯+⨯+⨯=++++=2/(1.319440

1000172.002.045025.00025.002.0025.0000344.002.03.6582025.0111

m W R d bd d d R d d K o

so i o i o si i i o αλα 传热面积23

65.337.321.319101.351m t K Q S m =⨯⨯=∆=∙

考虑到15％的面积裕度27.3865.3315.115.1m S S =⨯=⨯=∙⋅

三·换热器的工艺结构尺寸

1. 管径和管内流速

选用ø25×2.5传热管，管内流速为1.5m/s 。

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

246.235.102.0785.0)3600994(9.39803422≈=⨯⨯⨯==u d v n i

s π 按单程计算，所需的传热管长度为

m n d S L s o 54.2024

025.014.37.38=⨯⨯==π 现取传热管长L=1.5m ，则管程数

46

54.20≈==l L N p （管程） 传热管总数N=24×4=96 3. 平均传热温差校正及壳程数

430405090=--=R 167.030

903040=--=P 4.307.3293.0`=⨯=∆=∆⋅∆m t m t t ϕ℃

4. 传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

取管心距o d t 25.1=，则t=1.25×25=31.25=≈32（mm ）

横过管束中心线的管数 129619.119.1≈==N n c （根）

5. 壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为

5.3937.0963205.105.1=⨯==ηN t D （mm ）

圆整可取D=400mm

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的25％，则切去的圆缺高度为h=0.25×400=100mm

取折流板间距B=0.3D ，则B=0.3×400=120（mm ），可取B 为150mm 。

折流板数 折流板间距

传热管长=B N -1=391-1506000=（块） 折流板圆缺面水平装配。

7. 接管

壳程流体进出口接管：取接管内二甲苯流速u=1.0m/s ，则接管内径为

m u V d 085.00

.114.37.82536006.555544=⨯⨯⨯==π 取管径为80mm 。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=2.5m/s ，则接管内径为

m d 075.05

.214.3)9943600(9.398034=⨯⨯⨯= 取管径为80mm 。 四·换热器核算

1. 热量核算

（1） 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用克恩公式

14.03155.0)(Pr 36.0w

o eo e o

o R d μμλα= 当量直径，由正方形排列得

)(02.0025

.014.3)025.0785.0032.023(4)423(

42222m d d t d o o e =⨯⨯-⨯=-=ππ 壳程流通截面积

01313.0)032

.0025.01(4.015.0)1(=-⨯=-=t d BD s o o （m ） 壳程流体流速及其雷诺系数分别为

142.001313

.0)7.8253600(7.16666=⨯=o u （m/s ）