套管换热器的设计

＊陈敏剑

（安徽实华工程技术股份有限公司宁波分公司 浙江 315000）

套管换热器的设计

＊陈敏剑

（安徽实华工程技术股份有限公司宁波分公司 浙江 315000）

简单介绍套管换热器中的传热过程，然后通过一个具体的案例介绍套管换热器的设计，并根据计算所得的结果选择所需要的套管换热器。

热阻；热传导；热对流；对流传热系数

套管换热器的设计

设计一个套管换热器，将流量为2000kg/h的热水从95℃降到92℃，选用冷却水进行冷却，冷却水温度从33℃上升到43℃。其中热水走内管，冷却水走外管，内、外管阻力降均不大于10KPa。在套管换热器中，冷、热流体分别通过环隙和内管，热量自热流体传给冷流体。这种热量传递过程包括三个步骤：热流体给热于管壁内侧，热量自管壁内侧传导至管壁外侧，管壁外侧给热于冷流体。三者的传热量Q相等，冷、热流体主体温度已知，则总推动力已知，所以只要求出总的热阻即可根据传热公式求出总的换热面积，进而求得所需换热管的长度。

定性温度的确定，热水的定性温度为（95-92）/2= 93．5℃，冷却水的定性温度为（43-33）/2=38℃。首先求解出总的传热量Q

其次求解出所需的循环冷却水的用量m2

据能量平衡原理

根据《工艺管道安装设计手册》中推荐流速，内管初选流速为1m/s，则计算的初选管径为：

d=27.1mm

则考擦以DN20、DN25和DN32三种规格管道作为内管设计套管换热器。其中以DN25的管道为例通过计算加以说明：

计算管程的流速u1

满足化工原理中关于圆形直管内强制湍流的给热系数的计算公式，则：

先假设选用DN40的管子作为外套管，此时管子的外径为48mm，壁厚为4mm，内径为40mm，则当量直径为40-34=6mm。

计算环隙的流速u2

满足圆管内强制湍流的给热系数的计算公式，则：

以套管换热器内管的外表面为基准计算总传热系数K。

查询《化工工艺设计手册》得水的结垢热阻为0．00052m2•k/W。

套管换热器内管的热阻：R1=1/α1×d2/d1=0．0002m2•k/W

套管换热器环隙的热阻：R2=1/α2=0．00004m2•k/W

套管换热器内管的壁厚热阻：

则总传热系数∶

总推动力Δtm

根据传热公式：Q=KAΔtm

7020=733．25×A×55．43 A=0．173m2

考虑25%的换热裕量，则A'=1．25×A=0．216m2

则套管的长度为

套管的长度圆整为2m。

核算套管换热器外管的阻力降，由于Re＞4000，流动进入湍流区，此时：

相对粗糙度ε取为0．1mm，则：

从结果中可以看出，外套管的阻力降太大，所选取的外管偏小。则改选为DN50的管子作为外套管，此时管子外径为60mm，壁厚为4mm，内径为52mm，此时的当量直径为18mm。

运用同样的计算公式则套管的长度为：

套管的长度圆整为2．4m。

核算套管换热器外管的阻力降，由于Re＞4000，流动进入湍流区，则：

从计算的结果中可以看出外管阻力降较小，满足设计要求，因此选取的管径合适，则可以选用DN50的管子作为外套管，管子的长度为2．4m。

同理可以计算当外管选为DN65时的情况。

当选用DN40的管子作为外管时，流体的流速变得很大，外管的对流传热速率也变得很大，但是总传热系数变化不是很大，这是由于此时的传热阻力主要集中于内管和污垢热阻，单纯地提高外管的传热系数对总的传热影响较小，并且由于流速的提高，阻力降明显提高，以至于超出了允许的阻力降范围。当选用DN65的管子作为外管时，由于流速较小，对流传热系数变得很小，此时的热阻主要集中在外管阻力中，外管阻力对总传热系数起主导作用，此时的总传热系数较小，计算得的换热管长度很大。在选用DN50的管子作为外管时，外管的对流传热系数与内管的对流传热系数较为接近，两者对总传热系数的影响较为相当，计算出的换热管长度相当，选用的外套管比较合适。

同理以DN20、DN32作为内管，选取合适的外套管组成套管换热器。

随着内管直径的增大，流速越来越小，总传热系数逐渐减低，由于总传热量和总推动力保持不变，则传热面积变得越来越大。由于传热面积与换热内管的外表面积有关，所以换热管长的变化不是很大。在实际运用中，我们可以根据管道压降、加工难易、制造成本等方面进行综合考虑，选取合适的套管换热器。

在本次设计中，为降低管道阻力降，便于选材加工，选择的套管换热器组合为：DN25的内管，外套DN50的外管，换热管总长为2．4m。

(责任编辑：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"> 文献标识码：A

A

陈敏剑（1989～)，男，安徽实华工程技术股份有限公司宁波分公司；研究方向：石油工程。