第二章-工藝計(jì)算

1、第二章 工藝計(jì)算 在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需要的傳熱面積。工藝設(shè)計(jì)中包括了熱力設(shè)計(jì)以及流動(dòng)設(shè)計(jì)，其具體運(yùn)算如下所述：2.1 設(shè)計(jì)條件表2-1 油品與原油的操作參數(shù)原 油油 品設(shè)計(jì)壓力（Mpa）進(jìn)口溫度（°C）出口溫度（°C）流 量（kg/s）進(jìn)口溫度（°C）出口溫度（°C）流 量（kg/s）6910126.503001006.442.5表2-2 油品與原油的物性參數(shù)名稱平均溫度（）比熱kJ/kg·k導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·k）密度kg/ m3粘度（*10-3）Pa·S熱阻（*10-3）

2、83;K/w原油853.1650.1408058.100.52油品2002.5870.1149180.9200.522.2 核算換熱器傳熱面積2.2.1 流動(dòng)空間的確定選擇被冷卻的油品走殼程，被加熱的原油走管程。這是因?yàn)椋罕焕鋮s的流體走殼程可便于散熱，而傳熱系數(shù)大的流體應(yīng)走管程，這樣可降低管壁的溫差，減少熱應(yīng)力，同時(shí)對(duì)于浮頭式換熱器，一般是將易結(jié)垢流體流經(jīng)管程。2.2.2 初算換熱器傳熱面積2.2.2.1 傳熱計(jì)算（熱負(fù)荷計(jì)算） 熱負(fù)荷： 式中：冷熱流體的質(zhì)量流量，kg/s； 冷熱流體的定壓比熱，J/(kg·k)； 冷流體的進(jìn)、出口溫度，k； 熱流體的進(jìn)、出口溫度，k。理論上，=，實(shí)

3、際上由于熱量損失，通常熱負(fù)荷應(yīng)該取max（，）。； 故。 2.2.2.2 有效平均溫差的計(jì)算選取逆流流向，這是因?yàn)槟媪鞅炔⒘鞯膫鳠嵝矢摺Ｆ渲袨檩^小的溫度差，為較大的溫度差。 因?yàn)?，故采用對(duì)數(shù)平均溫度差，則;2.2.2.3 按經(jīng)驗(yàn)值初選總傳熱系數(shù) 查表選得=180W/（）；2.2.2.4 初算出所需的傳熱面積；考慮到所用傳熱計(jì)算式的準(zhǔn)確程度及其他未可預(yù)料的因素，應(yīng)使所選用的換熱器具有換熱面積留有裕度10%-25%，故有，根據(jù)查選型手冊(cè)，可選換熱器的型式為：，且為達(dá)到所需換熱面積，應(yīng)采用三臺(tái)同類換熱器串聯(lián)。所選浮頭式換熱器的規(guī)格參數(shù)以及其工藝計(jì)算常用參數(shù)可參考表2-3與表2-4（附第二章后）。

4、2.2.3 總傳熱系數(shù)K的校驗(yàn)管殼式換熱換熱器面積是以傳熱管外表面為基準(zhǔn)，則在利用關(guān)聯(lián)式計(jì)算總傳熱系數(shù)也應(yīng)以管外表面積為基準(zhǔn)，因此總傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式如下： 式中：K總傳熱系數(shù)，W/（K）； 、分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W/（K）； 、分別為管程和殼程的污垢熱阻，·K/w； 、分別是傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m； 傳熱管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（K）； 傳熱管壁厚，m。2.2.3.1管程流體傳熱膜系數(shù) 其計(jì)算過程如下： ； ，可知流體處于過渡流狀態(tài)； ；當(dāng)流體在管內(nèi)流動(dòng)為過渡流的時(shí)候，對(duì)流傳熱系數(shù)可先按湍流的公式計(jì)算，然后把計(jì)算結(jié)果乘以校正系數(shù)，即可得到過渡流下的對(duì)流傳熱膜系

5、數(shù)。先計(jì)算校正系數(shù)：；而湍流情況下的計(jì)算如下：由于，故原油為高黏度的流體，故應(yīng)用Sieder-Tate關(guān)聯(lián)式： 工程上，當(dāng)液體被加熱時(shí)，取，當(dāng)液體被冷卻時(shí)，取，而管程流體原油是被加熱的，則有 W/（K）；故管內(nèi)流體傳熱膜系數(shù)為： W/（K）；2.2.3.2 殼程流體傳熱膜系數(shù)： 其計(jì)算過程如下：換熱器內(nèi)需裝弓形折流板，根據(jù)GB151-1999可知，折流板最小的間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的1/5，且不小于，故根據(jù)浮頭式換熱器折流板間距的系列標(biāo)準(zhǔn)，可取折流板間距。 因?yàn)闅んw選擇為卷制圓筒，根據(jù)GB150-1999可知?dú)んw內(nèi)徑。管間流速是根據(jù)流體流過管間最大截面積計(jì)算：其中：管外徑，即25， 為換熱管

6、中心距，此時(shí)選擇換熱管在管板上的排列方式為正方形排列，因?yàn)檫@樣便于機(jī)械清洗，查GB151-1999得。；當(dāng)換熱管呈正方形排列時(shí)，其當(dāng)量直徑為；同時(shí)：； ；故可用Kern法求，即： ；與都已經(jīng)算出，而，同時(shí)查鋼管壁熱導(dǎo)率為，則有故，合適。2.2.4 校核平均溫差與平均溫差有關(guān)參數(shù)的計(jì)算如下： ；根據(jù)R、P值，查溫度校正系數(shù)圖可得溫度校正系數(shù)，因此有效平均溫度差為： 。2.2.5 校核換熱面積：實(shí)際傳熱面積：；校核：；為了保證換熱器的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于或等于15%-25%，由上可知所選換熱器面積滿足要求。2.3 壓力降的計(jì)算 流體流經(jīng)換熱器因流動(dòng)引起的壓力降，可按管程壓降和殼程壓

7、降分別計(jì)算。2.3.1 管程壓力降管程壓力降有三部分組成，可按下式進(jìn)行計(jì)算：其中：流體流過直管因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； 流體流經(jīng)回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa； 流體流經(jīng)管箱進(jìn)出口的壓力降，Pa； 結(jié)構(gòu)校正因數(shù)，無因次，對(duì)的管子，取為1.4；對(duì)的管子，取為1.5； 管程數(shù)； 串聯(lián)的殼程數(shù)。其中，、的計(jì)算式如下：；式中：管內(nèi)流速，；管內(nèi)徑，；管長(zhǎng)，；摩擦系數(shù)，無量綱，可由下式求取；管內(nèi)流體密度，。由于，在范圍內(nèi)，故可采用下面公式求?。?所以 Mpa； Mpa； Mpa；經(jīng)查，可知每臺(tái)換熱器合理的壓力降為Pa，由此可知上述壓力降符合要求。2.3.2 殼程的壓力降 當(dāng)殼程裝上折流板后，流

8、體在管外流動(dòng)為平行流和錯(cuò)流的耦合。盡管管束為直管，但流動(dòng)卻變得復(fù)雜化。由于制造安裝公差不可避免地存在間隙，因而會(huì)產(chǎn)生泄漏和旁流，而流體橫向沖刷換熱管引起的旋渦，也使流動(dòng)變得更加復(fù)雜。由于流動(dòng)的復(fù)雜性，要準(zhǔn)確地分析影響這種復(fù)雜流動(dòng)的各種因素，精確地計(jì)算壓力降是相當(dāng)?shù)睦щy。 下面通過埃索法來計(jì)算： 式中：流體橫過管束的壓力降，Pa； 流體通過折流板缺口的壓力降，Pa； 殼程壓力降的結(jié)垢修正系數(shù)，無因次，對(duì)液體可取1.15；對(duì)氣體可取1.0。其中：；式中：管子排列方法對(duì)壓力降的修正系數(shù)，對(duì)三角形排列。對(duì)正方形排列，對(duì)轉(zhuǎn)置正方形排列； 殼程流體摩擦系數(shù)，當(dāng)時(shí)，； 橫過管束中心線的管子數(shù)，對(duì)三角形排列；

9、對(duì)正方形排列； 按殼程流通截面計(jì)算的流速，； 折流板的數(shù)量。其中：；因此 ； ； ； ，取整為19。則有： Pa， Pa； ；可知此時(shí)的壓力降在合理范圍之類。2.4 換熱器壁溫計(jì)算2.4.1 換熱管壁溫計(jì)算符號(hào)說明：以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的總傳熱系數(shù)， W/（m·）； 污垢熱阻，·/w； 分別為熱、冷流體的的平均溫度，； 分別為熱流體的進(jìn)、出口溫度，； 分別為冷流體的進(jìn)、出口溫度，； 流體的有效平均溫差，；以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的給熱系數(shù)， W/（m·）。熱流體側(cè)的壁溫： ；冷流體側(cè)的壁溫： ；所以 。2.4.2 圓筒壁溫的計(jì)算 由于圓筒外部有良好的保溫層，故殼體壁溫取殼程流體的平均溫度：。管程：原油殼程：油品 =180W/（）W/（K）W/（K）W/（K）m2·K/W m2·K/WW/m·KW/m·K到此換熱器的工藝計(jì)算告一段落，其中工藝計(jì)算的主要目的是計(jì)算出其換熱面積，選出相應(yīng)的換熱器型式，因此，接下來應(yīng)該是進(jìn)行換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度計(jì)算。表2-3與表2-4附于下面：表2-3 所選浮頭式換熱器規(guī)格DNP