換熱器計算步驟

設計原始數(shù)據(jù)

2章工藝計算名稱設計壓力設計溫度2—1介質(zhì)流量容器類別設計標準單位殼側(cè)Mpa7.22℃420/295/蒸汽、水Kg/h/III/GB150管側(cè)28310/330水60000GB150管殼式換熱器傳熱設計根本步驟了解換熱流體的物理化學性質(zhì)和腐蝕性能由熱平衡計算的傳熱量的大小，并確定其次種換熱流體的用量。確定流體進入的空間計算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)計算有效平均溫度差，一般先按逆流計算，然后再校核選取管徑和管內(nèi)流速管束等構(gòu)造有關，因此，一般先假定一個殼程傳熱系數(shù)，以計算K，然后再校核1.15~1.25選取管長l0計算管數(shù)NT校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)畫出排管圖，確定殼徑Di

和殼程擋板形式及數(shù)量等校核殼程對流傳熱系數(shù)校核平均溫度差校核傳熱面積計算流體流淌阻力。假設阻力超過允許值，則需調(diào)整設計。2章工藝計算確定物性數(shù)據(jù)定性溫度由《飽和水蒸氣表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃狀況下為蒸汽，所以在不考慮開工溫度、壓力不穩(wěn)定的狀況下，殼程物料應為蒸汽，故殼程不存在相變。體的平均溫度為：t=420295357.5℃2

〔2-1〕管程流體的定性溫度：T=310330320℃2依據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。物性參數(shù)程水在320℃下的有關物性數(shù)據(jù)如下【參考 物性數(shù)據(jù)無機表1.10.1】密度 ρi-=709.7 熱導率粘度普朗特數(shù)

cpi=5.495λi=0.5507μi=85.49Pr=0.853

W/m.℃μPa.s357.5[1密度熱導率粘度普朗特數(shù)

ρo=28.8cpo=3.033λo=0.0606μo=22.45Pr=1.122

W/m.℃μPa.s估算傳熱面積熱流量QWctp33

【化原4-31a】 〔2-2〕11QWC t11p1

=60000×5.495×10 (330-310)/3600=1831666.67WW式中：W1

C ——工藝流體的定壓比熱容，kJ/㎏.K；p1t——工藝流體的溫差，℃；1Q——熱流量，W。平均傳熱溫差化工原理4-45公式〔2-2〕計算：t m

11t 21

〔2-3〕ln t2按逆流計算將數(shù)據(jù)代入〔2-3〕得：31029512tt12

41.86℃m1t t m1lnt

33031029522章工藝計算式中：t——逆流的對數(shù)平均溫差，℃；mt——熱流體進出口溫差，℃；1t——冷流體進出口溫差，℃；2可按圖2-1中〔b〕所示進展計算。2-1列管式換熱器內(nèi)流型傳熱面積依據(jù)所給條件選定一個較為適宜的K值，假設K=400W/m2.KS QKtm

〔2-4〕將數(shù)據(jù)代入〔2-3〕得： S Q 1831666.67109.39m2S——估算的傳熱面積，m2；

Ktm

40041.86K——假設傳熱系數(shù)，W/m2.℃；t——平均傳熱溫差，℃。m112.881.15125.8m2 〔2-5〕熱流體用量依據(jù)公式〔2-4〕計算：由化工原理熱平衡公式W Qctp得：W Q

1831666.67

17392.68

kg/h 〔2-2 C tp2 26〕

3.033(420295)式中Q——熱流量，W；c ——定壓比熱容，kJ/㎏.℃；p2t——熱流體的溫差，℃；2W——熱流體的質(zhì)量流量，kg/h。2工藝尺寸管數(shù)和管長1.管徑和管內(nèi)流速3-2換熱管規(guī)格材料

2-4外徑厚度/〔mmmm〕

外徑偏差 壁厚偏差/mm碳鋼 GB8163依據(jù)3-4取管內(nèi)流速u1m/si⒉管程數(shù)和傳熱管數(shù)

252.5

0.20

12%10%依3-9式n42

qv ，可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)duns4n

qdvui 2

709.774.875〔根〕16.670.02214

(2-2章工藝計算7)式中qv7)式中qv——管程體積流量，m3s ；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，ms。LAdnp125.821.3m(2-8)os式中L——按單程管計算的傳熱管長度，mAp——傳熱面積，m2；do——換熱管外徑，m。按單管程設計，傳熱管過長，則應承受多管程，依據(jù)本設計實際狀況，承受非標準設計，現(xiàn)取傳熱管長l6m,則該換熱器的管程數(shù)為NL21.33.564〔管程〕(2-傳熱管總根數(shù) NnN

9)754300〔根〕

(2-10)m式中，d——管子外徑，；m0

T s pN”——傳熱管總根數(shù)，根；Tmd——管子外徑，；m0A dlN 3.140.0256300141.3m2 〔2-0 T11〕NT換熱器的總傳熱管數(shù)；A換熱器的實際傳熱面積。平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)熱流體的溫差TTR 1 2

〔2-12〕冷流體的溫差 tt2 1P

tt2 1

〔2-13〕兩流體最初溫差Tt1 1將數(shù)據(jù)代入〔2-12〕和〔2-13〕得：TTR 1 2

420295

0.75tt2

330310ttP2 1

330310

0.22Tt1 1

420310按單殼程，四管程構(gòu)造，3-7，查得校正系數(shù)[1]：圖2-2 溫差校正系數(shù)圖2章工藝計算tt0.96；平均傳熱溫差按式〔2-9〕計算：tmt 塑〔2-14〕將數(shù)據(jù)代入〔2-9〕得：tmt 塑40.2Ct——平均傳熱溫差，℃；tm——校正系數(shù)；t——未經(jīng)校正的平均傳熱溫差，℃。塑由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流量較大，故取單殼程適宜。傳熱管排列方式：承受正三角形排列75化工設計3-14選取取管心距：t1.28d0〔2-15〕則管心距：t1.28d 1.282532mmo依據(jù)標準選取為32mm：隔板中心到離其最近一排管中心距st632622mm各程相鄰傳熱管的管心距為2s=44mm。752-42-3組合排列法2-4隔板形式和介質(zhì)流通挨次2章工藝計算⒌殼體內(nèi)徑0.6~0.8，取0.7，則殼體內(nèi)徑為D1.0t NT1.02

3000.7

695.5(mm).

〔2-17〕式中：D——殼體內(nèi)徑,m;t——管中心距,m;NT——橫過管束中心線的管數(shù)N按卷制圓筒進級擋圓整，取為D=700mm。折流板強其湍動程度，提高其外表傳熱系數(shù)，需設置折流板。單殼程的換熱器僅需要設置橫向折流板。20%~2525%，取則切去的圓缺高度為：h0.25700175mm 〔2-18〕故可取h180mm取折流板間距B0.3D，則B0.3700210(mm) 〔2-19〕B可取為B=250mm。折流板數(shù)NBN

6000-123〔塊〕

〔2-20〕B 折流板間距 250折流板圓缺面水平裝配?；ぴO計圖3-15圖2-5 弓性折流板〔水平圓缺〕其它附件拉桿拉桿數(shù)量與直徑：4-74-8該換熱器殼體內(nèi)徑為700mm，故其拉桿直徑為φ166接收原理式1-24 ，1417393D 4V1 0.219(m)

〔2-1 u 4.42121〕圓整后可取內(nèi)徑為D1150mm。1m/s，則接收內(nèi)徑為2D4V 2D4V22

460000709.7〕0.173(m)1圓整后取管內(nèi)徑為D2=180mm。Dm；um/s；2章工藝計算Vkg/s。換熱器核算熱流量核算殼程外表傳熱系數(shù)殼程外表傳熱系數(shù)用克恩法計算，見式紅書3-221 0.55 13

0.140.36o de

Re

) w

〔2-22〕當量直徑，依式紅書3-32b計算：4( 3t

d)ed 2e

2 42 d od

〔2-23〕〔2-23〕得：3t23)

0.032

0.025)4o4(4oed 2 eo

2 2 2 4

0.020(m)式中dm；etm；dm。0殼程流通面積依3-25計算So

dBD(1 o)tSBD(1

d

0.025

d)0.038(m2)s BD(1 2)

〔2-o t 0.032 2 t24〕式中 B—折流板間距，m；Dm；tm；odm；ooSm2。o紅書計算步驟Vu oV

17393(360028.8)

4.415〔m/s〕

〔2-o S 0.038oReo

due e

25〕22.45106

〔2-26〕普朗特數(shù)

P 1.122r黏度校正 )

0.141殼程外表傳熱系數(shù) 0.55 13

0.14Re0.36 1Reo de

Pr )1 1 0.36

0.06060.02

℃〕式中um/s；2sm2；2kg/m3

27〕

〔2-m—熱流體的質(zhì)量流量，kg/h。管內(nèi)外表傳熱系數(shù)2章工藝計算S

dNT0.022750.0236(m2)

〔2-i 4 i n 428〕管程流體流速

u 1〔m/s〕i雷諾數(shù)

du 709.70.021

〔2-29〕Re iii 166031.1i 85.49106i普朗特數(shù) Pr0.8530.23iRe0.8Pr0.4d按化工原理 式 得diii0.23diR0.8Pr0.4i0.230.5507166031.10.80.8530.4562.5 〔W/m2℃〕0.02

〔2-30〕Re——雷諾數(shù)；edm；eiu——管程流體流速，m/s；iikg/m3；ii——粘度，Pa.s。Pr——普朗特數(shù)；pic ——定壓比熱容，kJ/㎏.℃；pii——粘度，Pa.s；i——熱導率，W/m.℃。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 Ro

〔m2·℃/W〕管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ro

〔m2·℃/W〕管壁熱阻按式計算，查表[1]可得碳鋼在該條件下的熱導率為40W/(m.K)：R bww

〔2-31〕將數(shù)據(jù)代入〔2-31〕得：bR bww

0.0022104(m2K/W)40R式中： w——管壁熱阻，m2.K/W；Rbm；w——管壁熱導率，W/m.℃。傳熱系數(shù)Kc按3-21計算：

i值更小，故按KidKdCi

Rd 1Rd0

R1

〔2-32〕d d io 0 i0m iwi將數(shù)據(jù)代入〔2-32〕得：K 1C22 10 0.02

0.02

0.85981040.02

0.8598104 1 )628.50.025346.1

0.025 0.02 562.52.6.1.5熱面積裕度 紅書3-352章工藝計算Q1831666.67ACKtC m

346.141.86

126.42(m2)

〔2-33〕該換熱器的實際換熱面積AA dlN3.140.0256300141.3(m2) 〔2-34〕o T依紅書式3-36該換熱器的面積裕度為AA

100%141.3126.42100%11.79%

〔2-35〕H ACC

126.42該換熱器的面積裕度適宜，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。壁溫核算溫差計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)污垢熱阻較大會使傳熱管壁溫降低，降低了傳熱管和計算中因按最不利的因素考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。3-42式計算：

RT(1 c)tm( m htw 1cc

R 1hc 1hh

〔2-36〕液體的平均溫度按紅書3-44和3-45式t t 0.4 t t m 2 1計算有：

t0.43300.6310318〔℃〕m

〔2-37〕hhc o

682.6〔W/m2·℃〕hhh i

562.5〔W/m2·℃〕2-36T1T1w 138〕

562.5336.8〔℃〕式中：T——熱流體進口溫度，℃；1T——熱流體出口溫度，℃；2t1——冷流體進口溫度，℃；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℃。傳熱管壁溫順殼體壁溫之差為t357.5336.820.7〔℃〕 39〕該溫差較大，需設溫度補償器。由于水和水蒸氣不簡潔結(jié)垢，不需要常常清洗，因此選用U管程流體阻力依式〔2-29〕 tt其中Np4 F1.5Np——管程數(shù)；

)NF 〔2-36〕i 1 2 ptpPa；tiF——管程結(jié)垢校正系數(shù)，對252.5mm1.5；pl u2 〔2-37〕i id 2i由Re=166031 查化原表1-2傳熱管確定對粗糙度0.02傳熱管相對對粗糙度0.02 0.001202章工藝計算1-27莫狄Re圖得i

0.021709.7kg/m3 ，u1 m/s ，將數(shù)據(jù)代入〔2-37〕得：p

l u2i id 2i0.021 60.02

709.7122

i——摩擦系數(shù)；lm；idm；ikg/m3；um/s；ipPa。i局部阻力按式〔2-37〕計算，

u2p 2r

〔2-38〕將數(shù)據(jù)代入〔2-31〕得：p u2r 2

3709.7122

1596.8Par式中：pPa；r——局部阻力系數(shù)；kg/m3；um/s；管程總阻力為：p(2235.51596.8)241.545987.6Pat

〔2-39〕管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力按式3-50~3-54計算：p (p”p”)FN

〔2-40〕其中N 1，F(xiàn) 1s s

o 1 2 s s式中pPa；op”Pa；1p”——流體流過折流板缺口的阻力，Pa；F2Fs——殼程結(jié)垢校正系數(shù)；Ns——殼程數(shù)；流體流經(jīng)管束的阻力按〔2-41〕計算p”

Ffn(N

1)

0

〔2-41〕1 0c B 2將數(shù)據(jù)代入〔2-340〕得：p0.50.35219.05(231)o

28.81022

式中p”Pa；1F——管子排列方式為正三角形，所以F0.5；f——殼程流體的摩擦系數(shù)，f 5.0Re

0.2285166031.10.2280.352；0on——橫過管束中心線的管子數(shù)nc C

o1.1N0.51.13000.5T

19.05；N ——折流擋板數(shù)NB

23；kg/m3；u0——按殼程流通面積計算的流速uo4.415m/s；流體通過折流板缺口的阻力依式〔2-34〕計算：2章工藝計算2B u2p”2

N(3.5