某生产过程中，需将6000 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。 1．确定设计方案 （1）选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃冷流体(循环水)进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式式换热器。 （2）流动空间及流速的确定 由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。 2．确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 壳程油的定性温度为(℃)管程流体的定性温度为(℃)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=2.22 kJ/(kg·℃)导热系数 λo=0.140 W/(m·℃)粘度 μo=0.000715 Pa·s循环冷却水在35℃下的物性数据： 密度 ρi=994 kg/m3定压比热容 cpi=4.08 kJ/(kg·℃)导热系数 λi=0.626 W/(m·℃)粘度 μi=0.000725 Pa·s3．计算总传热系数 （1）热流量 Qo=WocpoΔto=6000×2.22×(140-40)=1.32×106kJ/h=366.7(kW)（2）平均传热温差 (℃)（3）冷却水用量 (kg/h)（4）总传热系数K 管程传热系数
W/(m·℃)壳程传热系数 假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃)； 污垢热阻Rsi=0.000344 m2·℃/W , Rso=0.000172 m2·℃/W管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)
=219.5 W/(m·℃)
4．计算传热面积 (m2)考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S′=1.15×42.8=49.2(m2)。 5．工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速 选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/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
按单程管计算，所需的传热管长度为(m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为(管程)传热管总根数 N=58×2=116(根)（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数
第2章 换热器设计按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=10的点在图上难以读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P，查同一图线，可得φΔt=0.82平均传热温差Δtm=φΔtΔ′tm=0.82×39=32(℃)（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t=1.25 d0，则 t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数(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 (mm)圆整可取D＝450mm （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＝0.25×450＝112.5(mm)，故可取h＝110 mm。 取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×450＝135(mm)，可取B为150。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 u＝1.0 m/s，则接管内径为
取标准管径为50 mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u＝1.5 m/s，则接管内径为
6．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，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 (m) 壳程流通截面积 (m) 壳程流体流速及其雷诺数分别为
普兰特准数
粘度校正 W/(m2·℃) ②管程对流传热系数 管程流通截面积(m2) 管程流体流速
普兰特准数W/(m2·℃) ③传热系数K
=310.2 W/(m·℃)④传热面积S(m2)该换热器的实际传热面积Sp( m2)该换热器的面积裕度为
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的流动阻力 ①管程流动阻力 ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNpNs=1, Np=2, Ft=1.5
由Re＝13628，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得λi＝0.037 W/m·℃， 流速ui＝0.497 m/s，ρ＝994 kg/m3，所以
管程流动阻力在允许范围之内。 ②壳程阻力 ∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)FtNsNs＝l，Ft＝l流体流经管束的阻力
流体流过折流板缺口的阻力
总阻力∑ΔPo＝1202＋636.2＝1838.2(Pa)＜10 kPa壳程流动阻力也比较适宜。 ③换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-13。 表2-13换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器形式：固定管板式 管口表 换热面积（m2）:48 符号 尺寸 用途 连接型式 工艺参数 a DN80 循环水入口 平面 名称 管程 壳程 b DN80 循环水出口 平面 物料名称 循环水 油 c DN50 油品入口 凹凸面 操作压力，MPa 0.4 0.3 d DN50 油品出口 凹凸面 操作温度，℃ 29/39 140/40 e DN20 排气口 凹凸面 流量，kg/h 32353 6000 f DN20 放净口 凹凸面 流体密度，kg/m3 994 825 附图
流速，m/s 0.497 0.137 传热量，kW 366.7 总传热系数，W/m2·K 310.2 传热系数，W/m2·K 2721 476 污垢系数，m2·K/W 0.000344 0.000172 阻力降，MPa 0.00173 0.00184 程数 2 1 推荐使用材料 碳钢 碳钢 管子规格 ф25×2.5 管数116 管长mm:6000 管间距，mm 32 排列方式 正三角形 折流板型式 上下 间距，mm 150 切口高度25% 壳体内径，mm 450 保温层厚度，mm 热交换设备
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