换热器换热面积选型计算方法

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,换热器课程设计,第三节 换热器计算方法,换热器：,在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器。,在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用设备，占有十分重要的地位。,1,、热力设计,根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并进行传热计算。,计算出总传热系数、传热面积,2,、流动设计,计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数,3,、结构设计,根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸,4,、强度设计,应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容器的标准设计。,管壳式换热器结构,管箱（封头）,壳体,内部结构（包括管束等）,单管程固定管板换热器,接管,壳体,管束,管板,封头（ 端盖、管箱）,折流挡板,管程,壳程,不洁净和易结垢的液体宜在管内,-,清洗比较方便, 腐蚀性流体宜在管,内,-,避免壳体和管子同时腐蚀，便于清洗, 压强高的流体宜在管内,-,免壳体受压，节省壳程金属消耗量, 饱和蒸汽宜走管间,-,便于及时排除冷凝液, 有毒流体宜走管内，使泄露机会较少,被冷却的流体宜走管间,-,可利用外壳向外的散热作用, 流量小或粘度大的液体，宜走管间,-,提高对流传热系数,若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管间,-,减少热应力,一、流体流径的选择,-,冷、热流体走管程或壳程,上述各点若不能同时兼顾，应视具体情况抓主要矛盾。,先流体的压强、防腐蚀和清洗等要求，再校核对流传热系数和压强降。,增加流速,对流传热系数 ，污垢热阻总传热系数 传热面积,流动阻力和动力消耗,还需考虑结构上：,高流速,管子数目,较长管子或增加程数,管子太长不易清洗，且管长都有一定标准；程数增加使平均温度差下降,二、流体流速的选择,一定传热面积,常用的流速范围,不同粘度液体的流速,流体种类,流速,管程,壳程,一般流体,0.53,0.21.5,易结垢流体,1,0.5,气体,530,315,液体粘度,最大流速,1500,0.6,1500500,0.75,500100,1.1,10035,1.5,351,1.8,4,管程：,0.6-0.8,正方形排列, 2,管程：,0.55-0.7 ;,4,管程：,0.45-0.65,计算得到的壳内径应圆整。,壳体标准尺寸,壳体外径,/mm,325,400 500 600 700,800 900 1000,1100 1200,最小壁厚,/mm,8,10,12,14,八、主要附件,1.,封头,方形：用于直径小的壳体（,400mm,）；,圆形：用于大直径的壳体。,2.,缓冲挡板,为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板,3.,导流筒,壳程流体的进、出口与管板间存在一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒。,4.,放气孔、排液孔,壳体上常安有放气孔和排液孔，排出不冷凝气体和冷凝液等。,5.,接管,换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即,V,s,流体的体积流量，,u,流体在接管中的流速,流速,u,的经验值可取为：,对液体,u,=1.52m/s,；对蒸气,u,=2050m/s,；,对气体,u,=,（,0.150.2,）,p,/,(,p,为压强，,kPa,；,为气体密度,),。,九、材料选用,材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。,目前常用的金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等。,非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。,十、流体流动阻力（压强降）的计算,1.,管程流动阻力,总阻力等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口之和。一般进、出口阻力可忽略不计，管程总阻力的计算式为：,2.,壳程流动阻力,用埃索法计算壳程压强降，即,液体流经换热器的压强降为,10100kPa,，气体为,110kPa,。,设计步骤,1,、试算并初选设备规格,确定流体在换热器中流动途径。, 根据传热任务计算热负荷,Q,。, 确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性。, 计算平均温差，并根据温度差校正系数不应小于,0.8,的原则，决定壳程数。, 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数,K,值。, 由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器的基本尺寸。,2,、计算管程、壳程压强降,根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压强降。验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压强降直至满足要求。,3,、核算总传热系数,计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算总传热系数,K,，比较,K,的初设值和计算值，若,K/K=1.151.25,，则初选的换热器合适。否则需另设,K,值，重复以上计算步骤。,设计任务书,将,6000kg/h,的植物油从,140,冷却到,40,，井水进、出口温度分别为,20,和,40,。要求换热器的管程和壳程压强降均不大于,35kPa,。,实例,工艺设计计算,一、确定设计方案,1,选择换热器的类型,两流体的变化情况：热流体进口温度,140,，出口温度,40,；,冷流体进口温度,20,，出口温度,40,。,考虑冷热流体间温差大于,50,，初步确定选用浮头式换热器。,2,流程安排,与植物油相比，井水易于结垢，如果其流速太小，会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降。植物油被冷却，走壳程便于散热。因此，冷却水走管程，植物油走壳程。,二、确定物性数据,对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。所以，,壳程流体的定性温度为：,管程流体的定性温度为：,定性温度下，管程流体,(,井水,),、壳程流体（植物油）有关物性参数由,主要物性参数表,得出。,2,物性参数,1,定性温度,主要物性参数表,介质,性质,密度,kg/m,3,比热,kJ/(kg,),粘度,Pas,热导率,W/(m,),植物油,热流体,950,2.261,0.742 10,-3,0.172,井水,冷流体,995.7,4.174,0.801 10,-3,0.618,三、估算传热面积,1.,热流量,2.,平均传热温差 先按照逆流计算，得,3.,传热面积,由于壳程植物油的压力较高，故可选取较大的,K,值。假设,K=395W/ (m,2,),则估算的传热面积为：,考虑到外界因素的影响，根据经验取实际传热面积为估算值的,1.15,倍，则实际传热面积为：,4.,井水用量,四、工艺结构尺寸,1.,管径和管内流速,选用,252.5,较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速,u,1,=0.75m/s,。,2.,管程数和传热管数,依据传热管内径和流速确定单程传热管数：,按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准管设计，现取传热管长,L=8m,，则该换热器的管程数为：,传热管总根数：,n=202=40,（根）,按单程管计算，所需的传热管长度为：,3.,平均传热温差校正及壳程数,平均温差校正系数：,按单壳程，双管程结构，查图得：,平均传热温差,由于平均传热温差校正系数大于,0.8,，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。,4.,传热管排列和分程方法,采用正方形错列。取管心距,t=1.25d,0,，则,t=1.2525=31.2532mm,隔板中心到离其最近一排管中心距离：,S=t/2+6=32/2+6=22mm,各程相邻管的管心距为：,222=44mm,5.,壳体内径,采用多管程结构，取管板利用率,=0.85,，则壳体内径为：,圆整可取,D=300mm,6.,折流板,采用弓形折流板,取弓形之流板圆缺高度为壳体内径的,25%,，则切去的圆缺高度为：,H=0.25300=75m,取折流板间距,h=0.3D,，则,h=0.3300=90mm,故可取,h=100mm,折流板数目：,7.,其他附件,拉杆数量与直径按表选取，本换热器壳体内径为,300mm,，故：拉杆直径为,12,，拉杆数量不得少于,4,。,8.,接管,壳程流体进出口接管：,取接管内流体流速为,u,1,=2m/s,，则接管内径为,管程流体进出口接管：,取接管内液体流速,u,2,=2.5m/s,，则接管内径为,五、换热器核算,1.,热量衡算,（,1,）壳程对流传热系数,对圆缺形折流板，可采用凯恩公式计算：,当量直径：,壳程流通截面积：,壳程流体流速：,雷诺数：,普兰特准数：,粘度校正：,（,2,）管程对流传热系数,管程流体流通截面积：,管程流体流速：,雷诺数：,普兰特准数：,（,3,）污垢热阻,管内侧污垢热阻：,管外侧污垢热阻：,（,4,）传热系数,（,5,）传热面积裕度,计算传热面积为：,换热器的实际传热面积为：,换热器的面积裕度为：,传热面积裕度合适（,15%20%,），该换热器能够完成生产任务。,2.,换热器内流体的流动阻力,（,1,）管程流体阻力,由,Re=17943,，传热管相对粗糙度为,0. 1/20=0.005,，查莫狄图，得,=0.027W/(mK),流速,u=0.75m/s,=995.71kg/,，所以,管程流体阻力在允许范围之内。,（,2,）,壳程,阻力,流体流经管束的阻力：,壳程流通面积：,h=0.1m, D=0.3m,壳程流体阻力在允许范围之内。,结果汇总表,