換熱器計算步驟

1、第2章工藝計算設(shè)計原始數(shù)據(jù)表2 1名稱設(shè)計壓力設(shè)計溫度介質(zhì)流量容器類別設(shè)計規(guī)范單位MpaC/Kg/h/殼側(cè)420/295蒸汽、水IIIGB150管側(cè)28310/330水60000GB150管殼式換熱器傳熱設(shè)計基本步驟(1)(3)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。確定流體進入的空間計算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)(5)計算有效平均溫度差，一般先按逆流計算，然后再校核(6)選取管徑和管內(nèi)流速(7)計算傳熱系數(shù)，包括管程和殼程的對流傳熱系數(shù)，由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，一般先假定一個殼程傳熱系數(shù)，以計算K,然后再校

2、核（8）初估傳熱面積，考慮安全因素和初估性質(zhì)，常采用實際傳熱面積為計算傳熱面積 值的倍（9）選取管長lo(10)計算管數(shù)Nt(11)(12)(13)校核殼程對流傳熱系數(shù)(14)校核平均溫度差(15)校核傳熱面積校核管內(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=、t295 C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。對于殼程不存在相變，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。其殼程混合氣體 的平均溫度為：t=420 295357.5 C2(2-1)管程流體的定性溫度:T=

3、31 330320 C2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)。物性參數(shù)管程水在320C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：【參考物性數(shù)據(jù)無機表】表2 2密度Pi-=kg /m3定壓比熱容Cp i =kJ/ kk.K熱導(dǎo)率入i =W/m；C粘度3 =普朗特數(shù)Pr=殼程蒸氣在下的物性數(shù)據(jù)：【鍋爐手冊飽和水蒸氣表】密度P。二kk /m3定壓比熱容Cp。二kJ/ kk.K熱導(dǎo)率入0 =W/m.C粘度y。=普朗特數(shù)Pr=估算傳熱面積熱流量根據(jù)公式（2-1 ）計算:Q Wcp t將已知數(shù)據(jù)代入（2-1 ）得:【化原4-31a】(2-2)式中:WCp, t1=60000XX 1O3 (330-310)/36

4、00=W 工藝流體的流量，kg/h ；Cp1工藝流體的定壓比熱容，kJ/ k才K；t1 工藝流體的溫差，C；熱流量，W平均傳熱溫差根據(jù)化工原理4-45 公式（2-2）計算:tmh t2t2(2-3)按逆流計算將已知數(shù)據(jù)代入(2-3)得:tt1t2tm tIn丄t2420 330310 29541.86 C.420 330ln310 295式中:t1逆流的對數(shù)平均溫差，C； 熱流體進出口溫差，C； t2 冷流體進出口溫差，C； 可按圖2-1中（b）所示進行計算。圖2-1列管式換熱器內(nèi)流型傳熱面積根據(jù)所給條件選定一個較為適宜的K值，假設(shè)K=400 W/則估算傳熱面積為：S dK tm（化工原理式4

5、-43）(2-4)將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得:S 丄湮d7 109.39 m2K tm 400 41.86K假設(shè)傳熱系數(shù),w/mtm平均傳熱溫差，c?？紤]的面積裕度，則所需傳熱面積為SS 1.15 112.88 1.15 125.8m2(2-5)熱流體用量根據(jù)公式（2-4）計算:由化工原理熱平衡公式w 2Cp t將已知數(shù)據(jù)代入(2-4)得:W2QC p2 t21831666.67_17392.68 kg/h3.033 (420 295)(2-6)W2 熱流體的質(zhì)量流量，kg /h 。式中Q 熱流量，WCp2定壓比熱容，kJ/ kC；t2-熱流體的溫差，C；工藝尺寸 管數(shù)和管長1.管徑和管內(nèi)流速

6、根據(jù)紅書表3-2換熱管規(guī)格根據(jù)紅書表3-4取管內(nèi)流速Uiim/ s表2-4材料鋼管標準外徑厚度/ (mm mm外徑偏差/mm壁厚偏差碳鋼GB81630.2012%10%2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依紅書3-9式 nqv24d u可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)ns52才 diUi16.67/709774.8 75(根) 0.022 14(2-7)式中管程體積流量， 嘆n 單程傳熱管數(shù)目；di 傳熱管內(nèi)徑，mm ；U管內(nèi)流體流速，嘆。按單管程計算,依紅書3-10,所需的傳熱管長度為Apdons125.821.3 m0.025 75(2-8)式中L 按單程管計算的傳熱管長度,傳熱面積，m2 ； 換熱

7、管外徑，m按單管程設(shè)計，傳熱管過長，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標準設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長I 6m,則該換熱器的管程數(shù)為傳熱管總根數(shù)N L 2133.56Np I 64 （管程）(2-9)Nt ns Np754 300 (根)(2-10)式中，d。一一管子外徑，m ;Nt 傳熱管總根數(shù)，根;管子外徑，m ;3.換熱器的實際傳熱面積，依據(jù) 紅書3-12，3.14 0.025doAdoINT6 300 141.3 m2(2-11)式中，Nta換熱器的總傳熱管數(shù)；換熱器的實際傳熱面積。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)與流體進出口溫度有關(guān)，其

8、中 按紅書3-13a 3-13b熱流體的溫差R 冷流體的溫差T1 T2t2 t1(2-12)冷流體的溫差P 兩流體最初溫差t2 右T1 t1(2-13)將已知數(shù)據(jù)代入（2-12）和（2-13）得: T2 420 295t2 t1330 3100.75P3303100.22T1 t1420 310按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，紅書圖3-7，查得校正系數(shù):圖2-2溫差校正系數(shù)圖0.96 ；平均傳熱溫差按式（2-9）計算:tmt t塑(2-14)將已知數(shù)據(jù)代入（2-9）得:式中：t,tm平均傳熱溫差, 校正系數(shù)；0.96 41.8640.2Ct塑一一未經(jīng)校正的平均傳熱溫差，c。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于，

9、同時殼程流量較大，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3-14 選取取管心距:1.28do(2-15)則管心距:根據(jù)標準選取為32mm :t 1.28do1.28 25 32mm隔板中心到離其最近一排管中心距322622 mm(2-16)2-4選取。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)的流通順序按圖圖2-3組合排列法圖2-4隔板形式和介質(zhì)流通順序5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式計算。正三角形排列，4管程，取管板利用率為D1.05、0.6 0.8, 取 0.

10、7，貝U殼體內(nèi)徑為1.05 32 J30% 7695.5(mm).(2-17)式中：D殼體內(nèi)徑,m;管中心距,m;橫過管束中心線的管數(shù)按卷制圓筒進級擋圓整，取為 D=700mm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 強其湍動程度，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：(2-18)h 0.25 700 175mm故可取h 180mm取折流板間距B 0.3D，則(2-19)B 0.3 700210 (mm)可取為B=250mm折流板數(shù)Nb

11、折熱管距-1鬻-1 23（塊）(2-20)折流板圓缺面水平裝配?；ぴO(shè)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：由化工設(shè)計表4-7表4-8該換熱器殼體內(nèi)徑為700mm故其拉桿直徑為 16拉桿數(shù)量為6個。接管依據(jù)化工原理 式1-24殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)水蒸氣流速為 U1 s，則接管內(nèi)徑為 HV1 ID1 J U1 T圓整后可取內(nèi)徑為D1150mm4 17393(64嚴 0-219(m)(2-21 )管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速為 U2 1m/s，則接管內(nèi)徑為114 60000/業(yè) J/(3600 7097) 0.173(m) ” U21圓整后取管內(nèi)徑為

12、D2=180mmD2式中：D接管內(nèi)徑，m ;u流速，m/s ；kg/s。熱、冷流體質(zhì)量流量,換熱器核算熱流量核算殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算，見式紅書3-220.3寺0.55%Pr(嚴4w(2-22)當量直徑，依式紅書3-32b計算:de4(R2 才 d0)do(2-23)將已知數(shù)據(jù)代入(2-23 )得：de4(舍t(yī)2汕do4(晅 0.0322 - 0.0252)240.0250.020(m)式中 de 當量直徑，m ；t 管心距，m ；d。一管外徑，殼程流通面積依紅書式3-25計算SoBD(1 半)So BD(1 半)0.250.7 (1驚）0.038（心 BDd ）(2-2

13、4)式中B 折流板間距，m ；D 殼體內(nèi)徑，m ;管心距，m ；管徑，m；殼程流通面積，m2 0依據(jù)紅書計算步驟，殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為17393色/(3600 28.8)4.415( m/s)SoUo0.038(2-25)普朗特數(shù)黏度校正殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ReodeU0.02 4.415 28.822.45 10 6Pr 1.122113275.72(2-26)Re de0.06060.36 0.02o 0.360.55a %()0.14Pr()w1132760.551.122% 1682.5 (W/m2 C)(2-27)式中 u2 殼程流體流速，s 殼程流通面積，密度，kg/m3m熱流

14、體的質(zhì)量流量,m/s ；?2m ；kg/h。管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積NtSi 7 di n0.022 7540.0236 (m2)(2-28)管程流體流速雷諾數(shù)Rei普朗特數(shù)按化工原理Ui 1 (m/s)idiUi 709.7 O.02 1166031.1Pr85.49 10 60.8530.23diif 0.8 f 0.4-Re Pr(2-29)w(2-30)562.5(W/m2 C)Pr 普朗特數(shù);Cpi定壓比熱容，kJ/ kg . C；,0.23Re0.8 Pr04di0.23 0.5507 166031.10.8 0.8530.40.02式中：Re雷諾數(shù)；de當量直徑，m ；

15、Ui 管程流體流速，m/s ；i密度，kg/m3.i 粘度，；i 熱導(dǎo)率，W/m.Co污垢熱阻和管壁熱阻污垢熱阻和管壁熱阻可取：化工原理附錄20Ro 0.8598 10 4(Ro 0.8598 10 4管壁熱阻按紅書 式計算，查表管外側(cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻m2 C /W) (m2 C /W)可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為 40W /(m.K):Rw(2-31 )將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得:Rwb 0.00249-2 104(m2?K/W)式中：Rw管壁熱阻,m2.K/W ；傳熱系數(shù)Kcb傳熱管壁厚,管壁熱導(dǎo)率,W/mC。按紅書3-21計算:因為值更小，故按Ki計算Kcdi_ Ro di od

16、e d。1Rwdid m將已知數(shù)據(jù)代入（2-32）得:Kc0.02628.5 0.0250.859810 4 0.020.02510 40.020.020.859810346.1傳熱面積裕度 紅書3-35(2-32)僉）AcQKC tm1831666.67346.1 41.86126.42( m2)(2-33)該換熱器的實際換熱面積 AA dol Nt依紅書式3-36該換熱器的面積裕度為3.14 0.025 6300 141.3(m2)(2-34)H 警100%100%11-79%(2-35)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)。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

17、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，降低了傳熱管和殼體 之間的溫差。但操作初期時，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁壁溫差可能很大。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。由紅書3-42式計算:tw1 1T m(Rc) tm (Rh)ch1 1 Rc Rhch(2-36)液體的平均溫度按紅書3-44和3-45式tm0.4t2 0-6ti計算有:tm0.4330 0.6 310318C)(2-37)hchhho hi 代入2-36式傳熱管平均壁溫682.6562.5(W/m2(W/m2TwTy tm/ /hc

18、/ hh 1/1/hc /hh318/Z562.5 336.8 (C)682.61562.5357.%82.6(2-38)式中:TiT2t1_-熱流體進口溫度,-熱流體出口溫度, 冷流體進口溫度，C;C；C；t2 冷流體出口溫度,Co殼體壁溫，可以近似取為殼程流體的平均溫度，即t= C。傳熱管壁溫和殼體壁溫之差為t 357.5 336.8 20.7 (C)(2-39)該溫差較大，需設(shè)溫度補償器。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。管程流體阻力依式(2-29)Pi ( PiP2)N pFt(2-36)其中 Np 4Ft 1.5式中：Np 管程數(shù);Pi 管程總阻

19、力，Pa ;Ft管程結(jié)垢校正系數(shù)，對252.5mm的管子，取;Pi_lidi 2(2-37)由 Re=166031查化原表1-2傳熱管絕對對粗糙度0.02傳熱管相對對粗糙度查化工原理圖1-27莫狄 一Re圖得 i 0.021709.7 kg/m3u 1 m/s，將已知數(shù)據(jù)代入(2-37)得:l u2Pi&藥0.021 旦2235.5 Pa0.02 2式中：i摩擦系數(shù)；l 管長，m；di傳熱管內(nèi)徑，m ;Pa 。冷流體密度，kg/m; u 管內(nèi)流速，m/s- Pi 單程直管阻力，局部阻力按式（2-37）計算，Pr(2-38)將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得:Pr2709 1596.8 PaPa ；式

20、中：Pr局部阻力，局部阻力系數(shù)；-冷流體密度，kg/mu 管內(nèi)流速，m/s ；管程總阻力為：Pt (2235.5 1596.8)4 1.545987.6 Pa(2-39)管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力按式紅書 式3-503-54 計算:Po (PiP2)FsNs(2-40)其中 Ns 1, Fs 1Po式中Po 殼程總阻力，Pa ；p1 流體流過管束的阻力，Pa ；Pa ；p2 流體流過折流板缺口的阻力,Fs 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(2-41 )P1 FM c(Nb將已知數(shù)據(jù)代入（2-340）得:po 0.5 0.352 19.05 (23 1)28.8 1021.11 105 Pa式中P1 流體流過管束的阻力，Pa ；F 管子排列方式為正三角形，所以f。一一殼程流體的摩擦系數(shù)，f o 5.0 Reo nc 橫過管束中心線的管子數(shù)0.5 ；0.228 5166031.1 0.2280.352 ；nc 1.1nT-5 1.13000.519.05;2Uo 4.415m/s ;計算：P2 N B (3.