套管換熱器的設(shè)計

＊陳敏劍

（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司寧波分公司 浙江 315000）

套管換熱器的設(shè)計

＊陳敏劍

（安徽實華工程技術(shù)股份有限公司寧波分公司 浙江 315000）

簡單介紹套管換熱器中的傳熱過程，然后通過一個具體的案例介紹套管換熱器的設(shè)計，并根據(jù)計算所得的結(jié)果選擇所需要的套管換熱器。

熱阻；熱傳導(dǎo)；熱對流；對流傳熱系數(shù)

套管換熱器的設(shè)計

設(shè)計一個套管換熱器，將流量為2000kg/h的熱水從95℃降到92℃，選用冷卻水進(jìn)行冷卻，冷卻水溫度從33℃上升到43℃。其中熱水走內(nèi)管，冷卻水走外管，內(nèi)、外管阻力降均不大于10KPa。在套管換熱器中，冷、熱流體分別通過環(huán)隙和內(nèi)管，熱量自熱流體傳給冷流體。這種熱量傳遞過程包括三個步驟：熱流體給熱于管壁內(nèi)側(cè)，熱量自管壁內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)至管壁外側(cè)，管壁外側(cè)給熱于冷流體。三者的傳熱量Q相等，冷、熱流體主體溫度已知，則總推動力已知，所以只要求出總的熱阻即可根據(jù)傳熱公式求出總的換熱面積，進(jìn)而求得所需換熱管的長度。

定性溫度的確定，熱水的定性溫度為（95-92）/2= 93．5℃，冷卻水的定性溫度為（43-33）/2=38℃。首先求解出總的傳熱量Q

其次求解出所需的循環(huán)冷卻水的用量m2

據(jù)能量平衡原理

根據(jù)《工藝管道安裝設(shè)計手冊》中推薦流速，內(nèi)管初選流速為1m/s，則計算的初選管徑為：

d=27.1mm

則考擦以DN20、DN25和DN32三種規(guī)格管道作為內(nèi)管設(shè)計套管換熱器。其中以DN25的管道為例通過計算加以說明：

計算管程的流速u1

滿足化工原理中關(guān)于圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流的給熱系數(shù)的計算公式，則：

先假設(shè)選用DN40的管子作為外套管，此時管子的外徑為48mm，壁厚為4mm，內(nèi)徑為40mm，則當(dāng)量直徑為40-34=6mm。

計算環(huán)隙的流速u2

滿足圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流的給熱系數(shù)的計算公式，則：

以套管換熱器內(nèi)管的外表面為基準(zhǔn)計算總傳熱系數(shù)K。

查詢《化工工藝設(shè)計手冊》得水的結(jié)垢熱阻為0．00052m2?k/W。

套管換熱器內(nèi)管的熱阻：R1=1/α1×d2/d1=0．0002m2?k/W

套管換熱器環(huán)隙的熱阻：R2=1/α2=0．00004m2?k/W

套管換熱器內(nèi)管的壁厚熱阻：

則總傳熱系數(shù)∶

總推動力Δtm

根據(jù)傳熱公式：Q=KAΔtm

7020=733．25×A×55．43 A=0．173m2

考慮25%的換熱裕量，則A'=1．25×A=0．216m2

則套管的長度為

套管的長度圓整為2m。

核算套管換熱器外管的阻力降，由于Re＞4000，流動進(jìn)入湍流區(qū)，此時：

相對粗糙度ε取為0．1mm，則：

從結(jié)果中可以看出，外套管的阻力降太大，所選取的外管偏小。則改選為DN50的管子作為外套管，此時管子外徑為60mm，壁厚為4mm，內(nèi)徑為52mm，此時的當(dāng)量直徑為18mm。

運用同樣的計算公式則套管的長度為：

套管的長度圓整為2．4m。

核算套管換熱器外管的阻力降，由于Re＞4000，流動進(jìn)入湍流區(qū)，則：

從計算的結(jié)果中可以看出外管阻力降較小，滿足設(shè)計要求，因此選取的管徑合適，則可以選用DN50的管子作為外套管，管子的長度為2．4m。

同理可以計算當(dāng)外管選為DN65時的情況。

當(dāng)選用DN40的管子作為外管時，流體的流速變得很大，外管的對流傳熱速率也變得很大，但是總傳熱系數(shù)變化不是很大，這是由于此時的傳熱阻力主要集中于內(nèi)管和污垢熱阻，單純地提高外管的傳熱系數(shù)對總的傳熱影響較小，并且由于流速的提高，阻力降明顯提高，以至于超出了允許的阻力降范圍。當(dāng)選用DN65的管子作為外管時，由于流速較小，對流傳熱系數(shù)變得很小，此時的熱阻主要集中在外管阻力中，外管阻力對總傳熱系數(shù)起主導(dǎo)作用，此時的總傳熱系數(shù)較小，計算得的換熱管長度很大。在選用DN50的管子作為外管時，外管的對流傳熱系數(shù)與內(nèi)管的對流傳熱系數(shù)較為接近，兩者對總傳熱系數(shù)的影響較為相當(dāng)，計算出的換熱管長度相當(dāng)，選用的外套管比較合適。

同理以DN20、DN32作為內(nèi)管，選取合適的外套管組成套管換熱器。

隨著內(nèi)管直徑的增大，流速越來越小，總傳熱系數(shù)逐漸減低，由于總傳熱量和總推動力保持不變，則傳熱面積變得越來越大。由于傳熱面積與換熱內(nèi)管的外表面積有關(guān)，所以換熱管長的變化不是很大。在實際運用中，我們可以根據(jù)管道壓降、加工難易、制造成本等方面進(jìn)行綜合考慮，選取合適的套管換熱器。

在本次設(shè)計中，為降低管道阻力降，便于選材加工，選擇的套管換熱器組合為：DN25的內(nèi)管，外套DN50的外管，換熱管總長為2．4m。

(責(zé)任編輯：李田田)

Design of Double-pipe Heat Exchanger

Chen Minjian

（Ningbo Branch Offce, Anhui Shihua Engineering Technology Limited Liability Company, Zhejiang, 315000）

In this paper, it has taken simple introduction of the heat transfer process of double-pipe heat exchanger and then taken introduction of the design of double-pipe heat exchanger through one concrete case, besides, has selceted the double-pipe heat exchanger according to the got result.

thermal resistance；thermal conduction；thermal convection；convection heat transfer coeffcient

T < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

A

陳敏劍（1989～)，男，安徽實華工程技術(shù)股份有限公司寧波分公司；研究方向：石油工程。