换热器的选型典型例题分析

换热器的选型典型例题分析

例: 某化工厂需要将50m 3/h 液体苯从80℃冷却到35℃，用水作为冷却剂，当地夏季水温为30℃，冬季水温为5℃。现要求通过管程和壳程的压力降均不大于10kPa ，试选用合适型号的换热器。

解 (1)查取基本数据: 苯的定性温度为2

3580+＝57.5℃ 冷却水进口温度取夏季水温30℃，根据设计经验，选择冷却水温升为8℃，则其出口温度为38℃。 水的定性温度为2

3830+＝34℃ 查取苯在定性温度下的物性数据为：ρ＝879kg/m 3；μ＝0.41mPa ·s ；c p ＝1.84kJ/(kg ·K)；λ＝0.152W/(m ·K)

查取水在定性温度下的物性数据为：ρ＝995kg/m 3；μ＝0.743mPa ·s ；c p ＝

1.174kJ/(kg ·K)；λ＝0.625W/(m ·K) ；Pr ＝4.98 (2)选择流径

为了增强冷却效果，利用壳体散热，选择苯走壳程，水走管程。 (3)热负荷的计算

由题意可知，热负荷应取苯的传热量；为了将热流体冷却，确定冷却水用量时，可不考虑热损失。

Q h ＝W h c ph （T 1－T 2） ＝（50×879／3600）×1.84×(80－35) ＝1.01×103kW 冷却水用量

)(12t t c Q W pc C -=＝) 3538(174.41001.13

-??＝30.25kg/s (4)暂按单壳程、偶数管程考虑，先求逆流时的平均温度差

Δt m ＇＝2

121ln t t t t -?＝4.1730)35(38)(80ln 30)35(38)(80=－－－－－℃ 计算P 和R

P ＝1112t T t t --＝63.530 383580=-- R ＝

1221t t T T --＝16.030803038=-- 根据P 和R 查图得，t ??＝0.82>0.8，故选用单壳程、偶数管程可行。

Δt m ＝t ??Δt m ＇＝0.82×17.4＝14.3℃ (5)选K 值，估算传热面积

查询相关数据，取K=450W/(m 2·K) A 计＝m

t K Q ?＝15714.345010101.0133=m 2 (6)初选换热器型号 由于两流体温差小于50℃，可选用固定管板式换热器，由固定管板式换热器的标准系列，初选换热器型号为：G1000Ⅳ－1.6－170。主要参数如下：

外壳直径 1000mm 公称压力 1.6MPa 公称面积 170m 2 实际面积 173m 2 管子数 758 管程数 4

管子规格 425mm ×2.5mm 管长 3000mm 管子排列方式 正三角形 管程流通面积 0.0595m 2 管间距 32mm

采用该换热器，过程的总传热系数为： K 需＝m

t A Q ?实＝14.317310101.0133＝408.3W/(m 2·K) (7)核算压降

①管程压降

∑Δp i ＝（Δp 1＋Δp 2）F t N S N p F t ＝1.4 N S ＝1 N p ＝4 管程流速 u i ＝0.51995

0.059530.25=?m/s Re i ＝4310366.110 73.099551.002.0?==-μρ i i u d

对于钢管，取管壁粗糙度ε＝0.1mm ε/d i ＝0.1／20＝0.005 查图得，λ＝0.037

Δp 1＝2 2

u d L i ρλ＝0.037×2.7182)51.0(99502.032=??Pa Δp 2＝3 22i u ρ＝3×2.3882)51.0(9952=? Pa ∑Δp i ＝（Δp 1＋Δp 2）F t N S N p ＝（718.2+388.2）×1.4×4＝6196Pa ②壳程压降

∑Δp o ＝（Δp 1＇＋Δp 2＇）F S N S Fs ＝1.15，Ns ＝1

Δp 1＇＝F f 0 n c （N B +1）220 u ρ

管子为正三角形排列 F ＝0.5，n c ＝ 1-t D ＝1032

.01-＝30 取折流挡板间距 h ＝0.2m ，N B ＝1-h L ＝12.03-＝14 A o ＝h （D －n c d o ）＝0.2×（1－30×0.025）＝0.05m 2 壳程流速 u o =

0.0550/3600＝0.278m/s Re o ＝30c 10 41.0879278.0025.0d -=μρ u ＝1.49×104 f o =5.0Re o

－0.228＝5.0×（1.49×104）－0.228＝0.559 Δp 1＇＝5.0×0.559×30×（1＋14）×2

(0.278)8792?＝4272Pa Δp 2＇＝N B （D h 25.3-）2 20u ρ ＝14×（3.5－10.22?）×2

(0.278)8792?＝1474Pa ∑Δp o ＝（4272＋1474）×1.15×1＝6608Pa ＜10kPa 压力降满足要求。

（8）核算传热系数 ①管程对流传热系数 4.08.0Pr Re 023.0i i d λ α＝＝4.08.04)98.4()10366.1(02

.0625.0023.0 ＝2778.6W/(m 2.K) ②壳程对流传热系数

査取相关资料，采用凯恩法计算 w e u d d ?μ

ρλα3/155.000Pr )(36.0＝ 由于换热管采用正三角形排列 025.0)025.04032.023(4)423( 4220202??-?=-ππππd d t d e ＝ ＝0.02m 31041.0879278.002.0-= μρu d e =1.192×104 Pr ＝152 .01041.01084.13 3-=λμ

p c ＝4.963 壳程苯被冷却，w ?＝0.95 95.0)963.4()10192.1(02 .0152.036.03/155.040＝α ＝814.7 W/(m 2.K) ③污垢热阻

管内外污垢热阻分别取为

Rsi ＝2.1×10－4 (m 2.K) /W ，Rso ＝1.72×10－4 (m 2.K) /W ④总传热系数

忽略管壁热阻，则 K 计＝o

So Si i i R R A αα1A 1

o +++ ＝7.81411072.1101.202.06.22780.025144+?+?+?－－＝463.4 W/(m 2.K)

13.13.4084.463K K ＝＝需计，因此所选换热器是合适的。