換熱器計(jì)算步驟

第2章工藝計(jì)算2.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)表2—1名稱名稱設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度介質(zhì)流量容器類別設(shè)計(jì)規(guī)范單位Mpa℃/Kg/h//殼側(cè)7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管側(cè)28310/330水60000GB1502.2管殼式換熱器傳熱設(shè)計(jì)基本步驟了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能由熱平衡計(jì)算的傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。確定流體進(jìn)入的空間計(jì)算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)計(jì)算有效平均溫度差，一般先按逆流計(jì)算，然后再校核選取管徑和管內(nèi)流速計(jì)算傳熱系數(shù)，包括管程和殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，一般先假定一個(gè)殼程傳熱系數(shù)，以計(jì)算K，然后再校核初估傳熱面積，考慮安全因素和初估性質(zhì)，常采用實(shí)際傳熱面積為計(jì)算傳熱面積值的1.15~1.25倍選取管長(zhǎng)l0計(jì)算管數(shù)NT校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)畫出排管圖，確定殼徑D和殼程擋板形式及數(shù)量等i校核殼程對(duì)流傳熱系數(shù)校核平均溫度差校核傳熱面積計(jì)算流體流動(dòng)阻力。若阻力超過(guò)允許值，則需調(diào)整設(shè)計(jì)。第2章工藝計(jì)算2.3確定物性數(shù)據(jù)2.3.1定性溫度由《飽和水蒸氣表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃情況下為蒸汽，所以在不考慮開工溫度、壓力不穩(wěn)定的情況下，殼程物料應(yīng)為蒸汽，故殼程不存在相變。對(duì)于殼程不存在相變，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。其殼程混合氣體的平均溫度為：420295t=357.5℃（2-1）2管程流體的定性溫度：310330T=320℃2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。2.3.2物性參數(shù)管程水在320℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：【參考物性數(shù)據(jù)無(wú)機(jī)表1.10.1】表2—2密度密度ρi-=709.7㎏/m3定壓比熱容cpi=5.495kJ/㎏.K熱導(dǎo)率λi=0.5507W/m.℃粘度μi=85.49μPa.s普朗特?cái)?shù)Pr=0.853殼程蒸氣在357.5下的物性數(shù)據(jù)[1]：【鍋爐手冊(cè)飽和水蒸氣表】表2—3密度密度ρo=28.8㎏/m3定壓比熱容cpo=3.033kJ/㎏.K熱導(dǎo)率λo=0.0606W/m.℃粘度μo=22.45μPa.s普朗特?cái)?shù)Pr=1.1222.4估算傳熱面積2.4.1熱流量根據(jù)公式（2-1）計(jì)算：QWct【化原4-31a】（2-2） p 將已知數(shù)據(jù)代入（2-1）得：QWCt=60000×5.495×103(330-310)/3600=1831666.67W1p11式中：W——工藝流體的流量，kg/h；1C——工藝流體的定壓比熱容，kJ/㎏.K；p1t——工藝流體的溫差，℃；——熱流量，W。2.4.2平均傳熱溫差根據(jù)化工原理4-45公式（2-2）計(jì)算：ttt1 2（2-3）m tln1t2按逆流計(jì)算將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得：tt420330310295t1t242033041.86℃m lnt1 ln3102952第2第2章工藝計(jì)算式中：mt——逆流的對(duì)數(shù)平均溫差，℃；1t——熱流體進(jìn)出口溫差，℃；2t——冷流體進(jìn)出口溫差，℃；可按圖2-1中（b）所示進(jìn)行計(jì)算。圖2-1列管式換熱器內(nèi)流型2.4.3傳熱面積根據(jù)所給條件選定一個(gè)較為適宜的K值，假設(shè)K=400W/m2.K則估算傳熱面積為:mtKQS（化工原理式4-43）（2-4）將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得：2m39.10986.4140067.1831666tmKQS式中：S——估算的傳熱面積，2m；K——假設(shè)傳熱系數(shù)，W/m2.℃；mt——平均傳熱溫差，℃?？紤]的面積裕度，則所需傳熱面積為:28.12515.188.11215.1'mSS（2-5）2.4.4熱流體用量根據(jù)公式（2-4）計(jì)算：由化工原理熱平衡公式QWctp將已知數(shù)據(jù)代入（2-4）得： Q 1831666.67W 17392.68kg/h（2-6）2Ct3.033(420295)p2 2式中Q——熱流量，W；c——定壓比熱容，kJ/㎏.℃；——熱流體的溫差，℃；2W——熱流體的質(zhì)量流量，kg/h。22.5工藝尺寸2.5.1管數(shù)和管長(zhǎng)1.管徑和管內(nèi)流速根據(jù)紅書表3-2換熱管規(guī)格表2-4材料材料鋼管標(biāo)準(zhǔn)外徑厚度/（mmmm）外徑偏差/mm壁厚偏差碳鋼GB8163252.520.0%10%12根據(jù)紅書表3-4取管內(nèi)流速u1m/si⒉管程數(shù)和傳熱管數(shù)q依紅書3-9式nv，可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)d2u4 q 16.67nd2vu0.027092.7174.875（根）(2-7)s 4i i4q式中v——管程體積流量，ms3s3第2章工藝計(jì)算n——單程傳熱管數(shù)目；d——傳熱管內(nèi)徑，mm；iu——管內(nèi)流體流速，m。s按單管程計(jì)算,依紅書3-10,所需的傳熱管長(zhǎng)度為 LdApn0125.025.87521.3m(2-8) o s式中L——按單程管計(jì)算的傳熱管長(zhǎng)度，mAp——傳熱面積，m2；do——換熱管外徑，m。按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l6m,則該換熱器的管程數(shù)為NL21.33.564（管程）(2-9) pl 6傳熱管總根數(shù)NnN754300（根）(2-10) T s p式中，d——管子外徑，m；0N'——傳熱管總根數(shù)，根；Td——管子外徑，m；3.換熱器實(shí)際傳熱面積，依據(jù)紅書3-12，AdlN3.140.0256300141.3m2（2-11） 0 TN換熱器的總傳熱管數(shù)；式中，T A換熱器的實(shí)際傳熱面積。2.5.2平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)選用多管程損失部分傳熱溫差，這種情況下平均傳熱溫差校正系數(shù)與流體進(jìn)出口溫度有關(guān)，其中按紅書3-13a3-13b熱流體的溫差TTR12（2-12）冷流體的溫差tt2 1 冷流體的溫差 ttP21（2-13）兩流體最初溫差Tt 1 1將已知數(shù)據(jù)代入（2-12將已知數(shù)據(jù)代入（2-12）和（2-13）得：12214202950.75330310TTRtt21113303100.22420310ttPTt按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，紅書圖3-7，查得校正系數(shù)[1]：圖2-2溫差校正系數(shù)圖0.96t；平均傳熱溫差按式（2-9）計(jì)算：mttt塑（2-14）將已知數(shù)據(jù)代入（2-9）得：0.9641.8640.2mtttC。塑第2第2章工藝計(jì)算式中：mt——平均傳熱溫差，℃；t——校正系數(shù)；t塑——未經(jīng)校正的平均傳熱溫差，℃。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流量較大，故取單殼程合適。傳熱管排列方式：采用正三角形排列每程各有傳熱管75根，其前后官箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工設(shè)計(jì)3-14選取取管心距：01.28td（2-15）則管心距：mm322528.1d28.1ot根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取為32mm：隔板中心到離其最近一排管中心距mmts22623262（2-16）各程相鄰傳熱管的管心距為2s=44mm。每程各有傳熱管75根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按圖2-4選取。圖2-3組合排列法圖2-4隔板形式和介質(zhì)流通順序⒌殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式計(jì)算。正三角形排列，4管程，取管板利用率為0.70.8~.60，取，則殼體內(nèi)徑為)mm(5.6957.03003205.105.1NTtD.（2-17）式中：D——?dú)んw內(nèi)徑,m;t——管中心距,m;NT——橫過(guò)管束中心線的管數(shù)按卷制圓筒進(jìn)級(jí)擋圓整，取為D=700mm。第2第2章工藝計(jì)算2.5.3折流板管殼式換熱器殼程流體流通面積比管程流通截面積大，為增大殼程流體的流速，加強(qiáng)其湍動(dòng)程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。單殼程的換熱器僅需要設(shè)置橫向折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%~25%，取25%，取則切去的圓缺高度為：0.25700175hmm（2-18）故可取h180mm取折流板間距DB3.0，則)(2107003.0mmB（2-19）可取為B=250mm。折流板數(shù)NB（塊）折流板間距傳熱管長(zhǎng)231-25060001-NB（2-20）折流板圓缺面水平裝配?；ぴO(shè)計(jì)圖3-15圖2-5弓性折流板（水平圓缺）2.5.4其它附件拉桿拉桿數(shù)量與直徑：由化工設(shè)計(jì)表4-7表4-8該換熱器殼體內(nèi)徑為700mm，故其拉桿直徑為φ16拉桿數(shù)量為6個(gè)。2.5.5接管依據(jù)化工原理式1-24，殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水蒸氣流速為u4.42m/s，則接管內(nèi)徑為14173934D1Vu1 （36004.4228.8）0.219(m)（2-21）1圓整后可取內(nèi)徑為D1150mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u1m/s，則接管內(nèi)徑為2460000 4V2 （3600709.7）0.173(m) D2u 12圓整后取管內(nèi)徑為D2=180mm。式中：D——接管內(nèi)徑，m；u——流速，m/s；V——熱、冷流體質(zhì)量流量，kg/s。2.6換熱器核算2.6.1熱流量核算 2.6.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算，見(jiàn)式紅書3-2210.361Re0.55Pr3()0.14（2-22）o de w當(dāng)量直徑，依式紅書3-32b計(jì)算：4(3t2d2)de2d4o（2-23）o將已知數(shù)據(jù)代入（2-23）得：第2章工藝計(jì)算第2章工藝計(jì)算4(3t2d2)4(30.03220.0252)d2d4o20.0254 0.020(m)e o式中d—當(dāng)量直徑，m；t管心距，m；d—管外徑，m。0殼程流通面積依紅書式3-25計(jì)算dSBD(1o)o t d 0.025 dSBD(1o)0.250.7(1 )0.038(m2)sBD(12)（2-24）o t 0.032 2 t式中B—折流板間距，m；D—?dú)んw內(nèi)徑，m；t—管心距，m；do m； —管徑，So—?dú)こ塘魍娣e，m2。依據(jù)紅書計(jì)算步驟，殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為17393 V (360028.8)uo4.415（m/s）（2-25） oS 0.038odu0.024.41528.8Ree113275.72（2-26）o22.45106普朗特?cái)?shù)P1.122r黏度校正()0.141殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.361Re0.55Pr13(0.14) o d e w 0.0606 11682.5（W/m2℃）0.361132760.551.12230.02（2-27）式中u—?dú)こ塘黧w流速，m/s；2s—?dú)こ塘魍娣e，m2；—密度，kg/m3m—熱流體的質(zhì)量流量，kg/h。2.6.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管程流體流通截面積SdNT0.022750.0236(m2)（2-28） i4in 4管程流體流速u1（m/s）idu709.70.021 雷諾數(shù)Reiii 166031.1（2-29）i85.49106i普朗特?cái)?shù)Pr0.853按化工原理式0.23diRe0.8Pr0.4得iii0.23diRe0.8Pr0.4 i （2-30）0.55070.23166031.10.80.8530.4562.5（W/m2℃）0.02式中：Re——雷諾數(shù)；de——當(dāng)量直徑，m；ui——管程流體流速，m/s； kg/m3；i——密度，i——粘度，Pa.s。Pr——普朗特?cái)?shù)；cpi——定壓比熱容，kJ/㎏.℃；i——粘度，Pa.s；i——熱導(dǎo)率，W/m.℃。2.6.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 污垢熱阻和管壁熱阻可取[1]：化工原理附錄20管外側(cè)污垢熱阻R0.8598104（m2·℃/W）管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ro0.8598104（m2·℃/W）管壁熱阻按紅書式計(jì)算查表[1]可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為40W/(m.K)：bR（2-31）ww將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得：Rb0.0022104(m2?K/W)w 40w式中：Rw——管壁熱阻，m2.K/W；b——傳熱管壁厚，m；w——管壁熱導(dǎo)率，W/m.℃。2.6.1.4傳熱系數(shù)Kc按紅書3-21計(jì)算：因?yàn)閕值更小，故按Ki計(jì)算KCdRd1Rd1（2-32）did0idwiRi o 0 0 m i將已知數(shù)據(jù)代入（2-32）得：K1 C 0.02 0.85981040.0221040.02 1 ( 0.8598104 ) 628.50.025 0.025 0.02 562.5346.1W/m2K2.6.1.5傳熱面積裕度紅書3-35ACKQt1831666.67346.141.86126.42(m2)（2-33） C m該換熱器的實(shí)際換熱面積AAdlN3.140.0256300141.3(m2)（2-34）依紅書式3-36該熱AA141.3126.42HAC100%126.42100%11.79%（2-35）C該換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.6.2壁溫核算2.6.2.1溫差計(jì)算 由于工作條件是高溫高壓，與四季氣溫相差特別大。因此進(jìn)出口溫度可以取原操作溫度。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大會(huì)使傳熱管壁溫降低，降低了傳熱管和殼體之間的溫差。但操作初期時(shí)，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁壁溫差可能很大。計(jì)算中因按最不利的因素考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。由紅書3-42式計(jì)算：Tm(1Rc)tm(1Rh)tw 1cRc1Rhh （2-36） c h液體的平均溫度按紅書3-44和3-45式t0.4t0.6t m 2 1計(jì)算有：t0.43300.6310318（℃）（2-37）mhh682.6（W/m2·℃）hcho562.5（W/m2·℃） h i代入2-36式傳熱管平均壁溫 T tTmhcmhh357.5682.6318562.5336.8（℃）（2-38）w1h1h1682.61562.5 c h式中：T——熱流體進(jìn)口溫度，℃；1T——熱流體出口溫度，℃；2t1——冷流體進(jìn)口溫度，℃；t2——冷流體出口溫度，℃。殼體壁溫，可以近似取為殼程流體的平均溫度，即t=357.5℃。傳熱管壁溫和殼體壁溫之差為t357.5336.820.7（℃）（2-39）該溫差較大，需設(shè)溫度補(bǔ)償器。由于水和水蒸氣不容易結(jié)垢，不需要經(jīng)常清洗，因此選用U型管換熱器較為適宜。2.6.2.2管程流體阻力 依式（2-29）p(pp)NF（2-36） i 1 2 pt其中Np4F1.5t式中：Np——管程數(shù)；p——管程總阻力，Pa；iF——管程結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)252.5mm的管子，取1.5；tlu2p（2-37）iid2i由Re=166031查化原表1-2傳熱管絕對(duì)對(duì)粗糙度0.02傳熱管相對(duì)對(duì)粗糙度0.020.00120查化工原理圖1-27莫狄—Re圖得0.021i709.7kg/m3，u1m/s，將已知數(shù)據(jù)代入（2-37）得：lu2piid2i 6 709.712 0.021 2235.5Pa 0.02 2式中：i——摩擦系數(shù)；l——管長(zhǎng)，m；di——傳熱管內(nèi)徑，m；——冷流體密度，kg/m3；u——管內(nèi)流速，m/s；pi——單程直管阻力，Pa。局部阻力按式（2-37）計(jì)算，u2p（2-38）r 2將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得： u2 709.712p31596.8Par2 2式中：pr——局部阻力，Pa；——局部阻力系數(shù)；——冷流體密度，kg/m3；u——管內(nèi)流速，m/s；管程總阻力為：p(2235.51596.8)241.545987.6Pa（2-39）t管程流體阻力在允許