换热器计算步骤

第2章 工艺计算2.1设计原始数据表21名称设计压力设计温度介质流量容器类别设计规范单位Mpa/Kg/h/壳侧7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管侧28310/330水60000GB1502.2 管壳式换热器传热设计基本步骤（1） 了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能（2） 由热平衡计算的传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。（3）确定流体进入的空间（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核（6）选取管径和管内流速（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.151.25倍（9）选取管长 （10）计算管数 （11）校核管内流速，确定管程数（12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等（13）校核壳程对流传热系数（14）校核平均温度差（15）校核传热面积（16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。2.3 确定物性数据2.3.1定性温度由饱和水蒸气表可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t295情况下为蒸汽，所以在不考虑开工温度、压力不稳定的情况下，壳程物料应为蒸汽，故壳程不存在相变。对于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其壳程混合气体的平均温度为： t= （2-1）管程流体的定性温度：T=根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。2.3.2 物性参数 管程水在320下的有关物性数据如下：【参考 物性数据 无机 表1.10.1】表22密度i-=709.7/m3定压比热容cpi=5.495kJ/.K热导率i=0.5507W/m.粘度i=85.49Pa.s普朗特数Pr=0.853壳程蒸气在357.5下的物性数据1：【锅炉手册 饱和水蒸气表】表23密度o=28.8/m3定压比热容cpo=3.033kJ/.K热导率o=0.0606W/m.粘度o=22.45Pa.s普朗特数Pr=1.1222.4估算传热面积2.4.1热流量根据公式（2-1）计算： 【化原 4-31a】 （2-2）将已知数据代入 （2-1）得：=600005.495 (330-310)/3600=1831666.67W式中： 工艺流体的流量，kg/h；工艺流体的定压比热容，kJ/.K；工艺流体的温差，； Q热流量，W。2.4.2平均传热温差 根据 化工原理 4-45 公式（2-2）计算： （2-3）按逆流计算将已知数据代入 （2-3）得：式中： 逆流的对数平均温差，；热流体进出口温差，；冷流体进出口温差，；可按图2-1中（b）所示进行计算。图2-1 列管式换热器内流型2.4.3传热面积根据所给条件选定一个较为适宜的值，假设=400 W/m2.K则估算传热面积为: （化工原理 式4-43） （2-4）将已知数据代入 （2-3）得： 式中：估算的传热面积，； 假设传热系数，W/m2.；平均传热温差，。考虑的面积裕度，则所需传热面积为: （2-5）2.4.4热流体用量 根据公式（2-4）计算：由化工原理热平衡公式 将已知数据代入 （2-4）得： （2-6）式中热流量，W； 定压比热容，kJ/.； 热流体的温差，； 热流体的质量流量，。 2.5 工艺尺寸2.5.1管数和管长1. 管径和管内流速 根据红书 表3-2 换热管规格表2-4材料钢管标准外径厚度/（mmmm）外径偏差/mm壁厚偏差碳钢GB8163252.5根据 红书 表3-4 取管内流速 管程数和传热管数 依红书3-9式 ，可根据传热管内径和流速确定单管程传热管数 （根） (2-7)式中管程体积流量， ； 单程传热管数目； 传热管内径，； 管内流体流速，。 按单管程计算,依红书3-10,所需的传热管长度为 (2-8)式中 L按单程管计算的传热管长度，m 传热面积，； 换热管外径，m。按单管程设计，传热管过长，则应采用多管程，根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长,则该换热器的管程数为 （管程） (2-9)传热管总根数 （根） (2-10)式中， 管子外径，； 传热管总根数，根； 管子外径，；3.换热器的实际传热面积，依据红书3-12， （2-11）式中，2.5.2平均传热温差校正及壳程数 选用多管程损失部分传热温差，这种情况下平均传热温差校正系数与流体进出口温度有关，其中按红书3-13a 3-13b （2-12） （2-13）将已知数据代入（2-12）和（2-13）得：按单壳程，四管程结构，红书图3-7，查得校正系数： 图2-2 温差校正系数图 ；平均传热温差 按式（2-9）计算： （2-14）将已知数据代入（2-9）得： 式中 ：平均传热温差，； 校正系数； 未经校正的平均传热温差，。由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流量较大，故取单壳程合适。传热管排列方式：采用正三角形排列 每程各有传热管75根，其前后官箱中隔板设置和介质的流通顺序按 化工设计 3-14 选取取管心距： （2-15） 则管心距：根据标准选取为 32mm：隔板中心到离其最近一排管中心距 （2-16）各程相邻传热管的管心距为2s=44mm。每程各有传热管75根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按图2-4选取。图2-3组合排列法图2-4 隔板形式和介质流通顺序壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按式计算。正三角形排列，4管程，取管板利用率为，则壳体内径为 . （2-17）式中：D壳体内径,m; t管中心距,m; 横过管束中心线的管数 按卷制圆筒进级挡圆整，取为D=700mm。2.5.3 折流板 管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。单壳程的换热器仅需要设置横向折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%25%，取25%，取则切去的圆缺高度为： mm （2-18） 故可取180mm取折流板间距，则 （2-19） 可取为B=250mm。折流板数 （2-20）折流板圆缺面水平装配。 化工设计 图3-15图2-5 弓性折流板（水平圆缺）2.5.4其它附件拉杆 拉杆数量与直径：由化工设计表4-7 表4-8 该换热器壳体内径为700mm，故其拉杆直径为16拉杆数量为6个。 2.5.5接管依据化工原理 式1-24 ，壳程流体进出口接管：取接管内水蒸气流速为4.42m/s，则接管内径为 （2-21）圆整后可取内径为150mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速为1m/s，则接管内径为 圆整后取管内径为=180mm。 式中：接管内径，； 流速，； V 热、冷流体质量流量，kg/s。2.6换热器核算2.6.1 热流量核算2.6.1.1 壳程表面传热系数壳程表面传热系数用克恩法计算，见式 红书3-22 （2-22） 当量直径，依式红书 3-32b计算： （2-23）将已知数据代入 （2-23）得 ：式中 当量直径，； 管心距，； 管外径，。壳程流通面积依红书式3-25计算 （2-24） 式中 折流板间距，； 壳体内径，； 管心距，； 管径，； 壳程流通面积，。依据红书计算步骤，壳程流体流速及其雷诺数 分别为 （m/s） （2-25） （2-26）普朗特数黏度校正 壳程表面传热系数 （2-27）式中 壳程流体流速，； 壳程流通面积，； 密度， 热流体的质量流量，。2.6.1.2 管内表面传热系数管程流体流通截面积 （2-28）管程流体流速（m/s）雷诺数 （2-29）普朗特数 按化工原理 式 得 （2-30）式中：雷诺数； 当量直径，； 管程流体流速，； 密度，； 粘度，Pa.s。 普朗特数； 定压比热容，kJ/.； 粘度，Pa.s； 热导率，W/m.。2.6.1.3 污垢热阻和管壁热阻 污垢热阻和管壁热阻可取：化工原理附录20管外侧污垢热阻 （/W）管内侧污垢热阻 （/W）管壁热阻按红书 式计算，可得碳钢在该条件下的热导率为： （2-31）将已知数据代入 （2-31）得： 式中： 管壁热阻，； 传热管壁厚，； 管壁热导率，W/m.。2.6.1.4传热系数 按红书3-21计算：因为值更小，故按Ki计算 （2-32） 将已知数据代入（2-32）得： 2.6.1.5传热面积裕度 红书3-35 （2-33）该换热器的实际换热面积A （2-34）依红书 式3-36 该换热器的面积裕度为 （2-35）该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.6.2壁温核算2.6.2.1 温差计算由于工作条件是高温高压，与四季气温相差特别大。因此进出口温度可以取原操作温度。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温降低，降低了传热管和壳体之间的温差。但操作初期时，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁壁温差可能很大。计算中因按最不利的因素考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。由 红书3-42式计算： （2-36）液体的平均温度 按红书 3-44 和3-45式 计算有： （） （2-37）（W/）（W/）代入2-36式 传热管平均壁温 （） （2-38）式中： 热流体进口温度，； 热流体出口温度，； 冷流体进口温度，； 冷流体出口温度，。壳体壁温，可以近似取为壳程流体的平均温度，即t=357.5。传热管壁温和壳体壁温之差为 （） （2-39）该温差较大，需设温度补偿器。由于水和水蒸气不容易结垢，不需要经常清洗，因此选用U型管换热器较为适宜。2.6.2.2 管程流体阻力 依式（2-29） （2-36）其中 式中 ： 管程数； 管程总阻力，； 管程结垢校正系数，对的管子，取1.5； （2-37）由Re=166031 查化原表1-2 传热管绝对对粗糙度 传热管相对对粗糙度 查化工原理 图1-27 莫狄 图 得 ，将已知数据代入（2-37）得： 式中： 摩擦系数； 管长，； 传热管内径，； 冷流体密度，； 管内流速，； 单程直管阻力，。局部阻力按式（2-37）计算， （2-38）将已知数据代入（2-31）得： 式中： 局部阻力，； 局部阻力系数； 冷流体密度，； 管内流速，；管程总阻力为： （2-39）管程流体阻力在允许范围之内。2.6.2.3壳程阻力 按式红书 式 3-50 3-54计算： （2-40）其中 ， 式中 壳程总阻力，； 流体流过管束的阻力，； 流体流过折流板缺口的阻力，； 壳程结垢校正系数； 壳程数； 流体流经管束的阻力按（2-41）计算 （2-41）将已知数据代入（2-340）得：式中 流体流过管束的阻力，； 管子排列方式为正三角形，所以； 壳程流体的摩擦系数，； 横过管束中心线的管子数 ； 折流挡板数； 热流体密度，； 按壳程流通面积计算的流速 ； 流体通过折流板缺口的阻力 依式（2-34）计算： （2-34） ，将已知数据代入（2-35）得：式中 折流板板数； 折流板间距，； 壳体内径，； 热流体密度，； 壳程流体流速，； 流体流过折流板缺口的阻力，；总阻力：由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。2.7 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-5。参数管程壳程 流量/（kg/h）60000017393 进/出口温度/310/330420/295 压力/MPa287.22物性 定性温度/320357.5 密度/m3709.728.8定压比热容/kJ/(/)5.4953.033 黏度/pas 导热率/W/m0.55070.0606 普朗特数0.8531.122 设备结构参数 形式U型管台数1 壳体内径/mm700壳程数1 管径/mm252.5管心距/mm32 管长/mm6000管子排列 管数目/根300折流板个数/个23 传热面积/m2126.4折流板间距/mm210 管程数4材质碳素钢 主要设计结果管程壳程 流速/(m/s)14.42 表面传热系数/W/(m2)562.5682.6 污垢热阻/(m2/W) 阻力/MPa111.2 KPa92.3 KPa 热流量/kW1831.67 传热温差/22.7 传热系数/W/(m2)346.1 裕度/%11.79 表2-5 换热器主要结构尺寸和计算结果