常壓空氣加熱裝置的改進(jìn)方案設(shè)計(jì)書

1、目錄摘要 1關(guān)鍵詞 1Abstract 1Key words 11引言 21.1加熱器在工業(yè)中的應(yīng)用 21.2新型高效換熱器 21.3空氣換熱器的應(yīng)用 32換熱管為光滑管的設(shè)計(jì) 42.1 設(shè)計(jì)方案的選擇 42.2確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù) 42.3 傳熱面積的初定 42.4主要工藝尺寸確定 52.5計(jì)算壓強(qiáng)降 82.6總傳熱系數(shù)的校核 92.7核算壁溫及冷凝液流型 113 換熱器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 123.1換熱管與管板連接 123.2管板與殼體及管箱連接 133.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 133.4總結(jié) 134換熱器的改進(jìn)設(shè)計(jì) 134.1概述 134.2類型和分類 134.3設(shè)計(jì)類型選擇 144.4總傳熱系數(shù)K）的計(jì)算

2、154.5設(shè)計(jì)類型的重新選擇 184.6總傳熱系數(shù)K）的重新計(jì)算 185結(jié)論 225.1翅片管換熱管與光滑管換熱器的比較 225.2傳熱量增加的百分率 225.3總結(jié) 225.4關(guān)于翅片管換熱器的設(shè)計(jì)討論 23參考文獻(xiàn) 23致謝 24常壓空氣加熱裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生劉霞指導(dǎo)教師陳艷麗摘要：換熱器是實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的設(shè)備，翅片管式換熱器是一種新型高效換熱器。翅片管與光滑管相比，能有效增加傳熱面積和增大傳熱系數(shù)，并且比較容易制造并保證操作的穩(wěn)定性。本文對(duì) 常壓空氣加熱裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于冷空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小、密度低，空氣對(duì)管壁的對(duì)流傳熱系數(shù)較小， 我們選用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，先后采

3、用光滑管和翅片管進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，比較后得出如下 結(jié)論：翅片管換熱器比光滑管換熱器具有更大的優(yōu)越性，在傳熱系數(shù)一定的情況下，結(jié)構(gòu)更加緊湊， 所占面積也就更小，達(dá)到節(jié)能減排的效果。關(guān)鍵詞：換熱器；高效能換熱器；光滑管；翅片管；空氣。Design improvement of atmospheric air heating deviceStude nt majori ng in Chemical Engin eeri ng and Tech no logyLiu XiaTutor Che n YanliAbstract: Heat exchangers are devices in which

4、 two or more fluids exchanging thermal energy are separated by heat transfer surface, fin and tube heat exchanger is a new high-efficiency heat exchanger. Finned tube, compared with the smooth tube, can effectively in crease the heat tran sfer area andthe heattransfer coefficient, and is relatively

5、easy manufactured and to ensure the stability of operation. The main objective of this research project is to improve atmospheric air heating device. As the small thermal con ductivity and low den sity of the cold air, and it has a smaller con vective heat tran sfer coefficie nt to the tube wall, va

6、por was adopted as the heat ing medium. Respectively making a desig n calculatio n about the smooth tube and the finned tube as a heat exchanger and making a comparison, the following conclusions were drawn that the finned tube heat exchanger has a greater advantage than the smooth pipe one. A more

7、compact structure and corresp ond smaller proport ion of area in the same heat tran sfer coefficie nt achieve the effect of en ergy-savi ng reduct ion.Key words: Heat exchanger; high-efficiency heat exchanger; smooth tube; finned tube; air.1引言1.1 加熱器在工業(yè)中的應(yīng)用本次設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一臺(tái)化工廠穩(wěn)定系統(tǒng)空氣加熱器，加熱器是換熱器的一種類型。換 熱器是化工、

8、制藥、食品、煉油及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備，它不僅可 以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備，因此在 化工生產(chǎn)中占有重要地位，通常在化工廠的建設(shè)中換熱器投資比例為 11%，在煉油廠中 咼達(dá)40%。列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁 式換熱器。它主要由殼體、傳熱管束、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體一般為 圓筒形，內(nèi)部裝有多根管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的介質(zhì)，一種在管內(nèi)（管 程）流動(dòng)；另一種在管外（殼程）流動(dòng)。為提高管外流體的傳熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)設(shè) 置折流板，折流板的作用是提高殼程流體速度，迫使流體按

9、規(guī)定路程多次橫向通過管束， 增強(qiáng)流體湍流程度，以提高流經(jīng)換熱器的兩種介質(zhì)的換熱效果。但它卻增加了換熱器在 原工藝系統(tǒng)中的阻力，這就有可能影響到原系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而降低了余熱回收工作 的效率。管殼式換熱器仍然是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)備，其可靠性和可能性已被充分 證明，特別是在較高參數(shù)的工況條件下，管殼式更顯示其獨(dú)有的長(zhǎng)處。目前各國在提高 該換熱器性能所開展的研究主要是強(qiáng)化傳熱，適應(yīng)高參數(shù)和各類有腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕材 料以及為大型化的發(fā)展所作的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。近年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效 益。目前，在換熱設(shè)備中，管殼式換熱器使用量最大。因此對(duì)其進(jìn)行研究就具有很大

10、的 意義。換熱器在石油煉制和石油化工生產(chǎn)中占有重要地位，隨著石油化工裝置的發(fā)展， 換熱器在大型化、新產(chǎn)品開發(fā)等方面的新進(jìn)展。換熱器是國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的熱量交換設(shè)備，隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴(yán)重，世界各國已普遍把石油化工深 度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性 能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要的作用，有時(shí)甚至 是決定性的作用。目前在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家熱回收率已達(dá)96%。換熱設(shè)備在現(xiàn)代裝置中約占設(shè)備總重的30%左右，其中管殼式換熱器仍然占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，約 70%，其余30% 為各類高效緊

11、湊式換熱器、新型熱管熱泵和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、螺旋板式、板翅 式以及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時(shí)，促進(jìn)換熱設(shè) 備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。由于我國工業(yè)的快速發(fā)展，使得整個(gè)社會(huì)對(duì)能源的需求越來越大。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，能 源成本在不斷攀升。因此，“節(jié)能減排”成為重要國策。而利用高效換熱器來吸收生產(chǎn) 過程中排出的大量余熱，并重新利用，既節(jié)約了能源，又減少了污染。與其他換熱設(shè)備 相比，列管式換熱器由于其適用性廣、堅(jiān)固耐用、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，成為了石化等領(lǐng)域 應(yīng)用最普遍的一種換熱器。如何降低列管換熱器在原工藝系統(tǒng)中的阻力，并提高其換熱 效率

12、，就成為研究的重點(diǎn)之一。1.2新型高效換熱器換熱器是化工、石油、制藥及能源等行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)備的40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。20世紀(jì)70年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有力地促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展。為了節(jié)能降耗， 提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，要求開發(fā)使用不同工業(yè)過程要求的高效能換熱設(shè)備。因此， 幾十年來，高效換熱器的開發(fā)與研究始終是人們關(guān)注的課題，國內(nèi)外先后推出了一系列 新型高效換熱器。翅片管規(guī)格品種很多。從材料上講，有碳鋼、鋼、鋁、不銹鋼等，還有復(fù)合材料， 如

13、鋼鋁復(fù)合，即基管采用鋼，翅片采用鋁，從翅片形式講，有環(huán)翅、縱翅、螺旋翅；翅 片既可在管外也可在管內(nèi)，但以外翅為多，從制造方式講，可以是整體軋制，也可以與 管焊接，還可以鑄造等。各行業(yè)由于各自不同的特點(diǎn)，需要選用不同型式和材料的翅片 管。管殼式換熱器使用的翅片管多以低翅螺紋為主，材料主要包括碳鋼、銅及銅合金， 制造工藝多采用整體軌制方法。這種管是一種周期變截面鋼管。決定其斷面形狀的幾何 參數(shù)有翅片頂圓直徑，鋼管的壁厚、螺距、翅片高度、翅片根部厚度和頂部厚度。翅片管的應(yīng)用范圍是非常廣泛的。 除了在冷凍機(jī)、空冷器、熱管設(shè)備等大量使用外， 作為管殼式換熱器中的換熱器也很普遍，尤其在石化行業(yè)應(yīng)用前景廣泛

14、，使用效果比較 理想。美國的TEMA標(biāo)準(zhǔn)，我國的GB151都列有低翅片管。我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4722-92 規(guī)定了管殼式換熱器用螺紋換熱管的基本參數(shù)與技術(shù)條件，有19 x 2、25 x 2.5兩種規(guī)格，翅片比（低翅管外表面積與軌制前光管外表面積比值）分別是 1.702.80、 1.602.80，材料為10號(hào)鋼或20號(hào)鋼，從規(guī)格和材料上都略顯不足。 GB151對(duì)于選用 翅片管的有關(guān)計(jì)算也空缺，使設(shè)計(jì)選型遇到了一定困難。盡管如此，由于低翅螺紋換熱 管具有特殊的強(qiáng)化傳熱效果，還是得到了普遍的認(rèn)同。如在管內(nèi)換熱系數(shù)比管外換熱系 數(shù)大2倍的情況下，在無相變場(chǎng)合，總傳熱系數(shù)可提高30%50%以上。因此可

15、減少傳熱 面積，達(dá)到金屬耗量少，投資下降的目的。一般認(rèn)為，低翅片螺紋管是比較成熟的強(qiáng)化 傳熱元件。還有，由于低翅片管是用光管軌制的，可以細(xì)化晶粒，破壞原來的平行纖維組織， 耐腐蝕能力得到很大提高，但因存在軌制應(yīng)力，用在有應(yīng)力腐蝕的場(chǎng)合應(yīng)慎重。當(dāng)然如 果能先進(jìn)行消除應(yīng)力處理，情況會(huì)有所改善。低翅管也能強(qiáng)化管外冷凝傳熱，但不能用于立式換熱器，否則不會(huì)有強(qiáng)化冷凝的效 果。實(shí)踐表明，低翅片螺紋管具有較強(qiáng)的抗硬垢性能，當(dāng)操作情況發(fā)生變化時(shí)由于風(fēng)琴 效應(yīng)會(huì)使硬垢自行脫落。對(duì)于軟垢，雖然不能向硬垢那樣自行脫落，但對(duì)傳熱影響不大， 所引起的主要問題是壓力降過分增大。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，用低翅片管代替光滑管制

16、造管殼式換熱器在某些方面具有 獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，只要選用得當(dāng)會(huì)收到比普通光滑換熱器更好的效果。內(nèi)翅片管是采用特殊的焊接工藝和設(shè)備加工而成，流體在管內(nèi)的傳熱過程為單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱。其主要特點(diǎn)是通過在傳熱管內(nèi)擴(kuò)大傳熱面積，強(qiáng)化管內(nèi)傳熱的途徑來提高 傳熱器的傳熱性能。1971年美國首先提出內(nèi)翅片管，并與二十世紀(jì)九十年代又開發(fā)出 一種高效強(qiáng)化管內(nèi)相變傳熱的內(nèi)螺旋翅片管。 日本，前蘇聯(lián)等國也進(jìn)行大量的研究工作。 八十年代初，日本電纜有限公司研究表明，采用左右錯(cuò)式的螺旋內(nèi)翅片管強(qiáng)化單相流體 的傳熱可使管內(nèi)給熱系數(shù)提高到光管的 28倍左右。近年來，國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，但在新型高效換熱器的開發(fā) 方

17、面與國外相比差距仍然較大，并且新型高效換熱器的實(shí)際推廣和應(yīng)用仍非常有限。尚 需從事?lián)Q熱器專業(yè)的技術(shù)人員在制造工藝方面加大力度進(jìn)行研究，使我國換熱器技術(shù)從各個(gè)方面趕上國際水平，也需要各換熱器設(shè)備使用廠家勇于引進(jìn)和推廣新型高效換熱 器，為我國的節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。1.3空氣換熱器的應(yīng)用空氣是化學(xué)工業(yè)中最基本的原料之一，在經(jīng)過加壓、加熱等過程處理后，更有著 非常廣泛的用途?？諝鈸Q熱器又名散熱器，是以冷熱媒質(zhì)進(jìn)行冷卻或加熱空氣的換熱設(shè)備。通入高溫水、蒸汽或高溫導(dǎo)熱油，可以加熱空氣，通入氟利昂或低溫水可以冷卻空 氣。因此空氣換熱器廣泛應(yīng)用于輕工、建筑、化工、機(jī)械、紡織印染、化纖、電力、電 子、食品、醫(yī)藥、

18、冶金、涂裝、木材、塑料橡膠等行業(yè)的空氣加熱、冷卻，以及空調(diào)冷 卻、除濕、烘干等工程。但是，由于冷空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小、密度低，所以空氣對(duì)管壁的 對(duì)流傳熱系數(shù)一般較小，造成空氣加熱器傳熱速率低、載熱體用量大、所需傳熱面積大 等問題，設(shè)備投資和操作費(fèi)用增加，經(jīng)濟(jì)效益降低。因此，對(duì)如何強(qiáng)化空氣一側(cè)的傳熱 過程一直以來都是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文擬選用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，先后采用光 滑管和翅片管進(jìn)行空氣加熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，以期對(duì)比選出合適的換熱器型式。2換熱管為光滑管的設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)方案的選擇2.1.1 溫度描述常壓空氣進(jìn)口溫度是20C，出口溫度是100C；32.1.2 空氣處理量5000標(biāo)準(zhǔn)m/h;2.

19、1.3 加熱介質(zhì)的選擇用來加熱干燥介質(zhì)（空氣）的換熱器稱為空氣加熱器。一般可用煙道氣或飽和水 蒸氣作為加熱介質(zhì)，且以飽和蒸汽應(yīng)用更為廣泛?？諝庠谡羝郊訜崞鞯某隹跍囟韧ǔ?不超過160C，其所用蒸汽的壓強(qiáng)一般在785kPa以下。考慮到裝置中的工藝條件，加熱 介質(zhì)采用200kPa絕壓的飽和水蒸氣，冷凝液在飽和溫度下排出。流程安排因空氣是氣相介質(zhì)，考慮其密封性，適于走管內(nèi)，以提高熱的有效利用；加熱介 質(zhì)是飽和蒸汽，考慮其對(duì)流速和清理沒有特別要求，并易于排除冷凝液，易于走殼程。2.1.5 確定設(shè)計(jì)方案考慮到兩流體溫差較大，可能引起溫度應(yīng)力腐蝕和熱應(yīng)力變形等不利結(jié)果，所以 采用浮頭式列管換熱器，換熱器

20、有臥式和直立式兩種，考慮其他工藝條件及所在體積的 大小，故選擇直立式。2.2 確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù)2.2.1定性溫度對(duì)于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值，故 管程空氣的定性溫度為：20 1002=60 c殼程流體的定性溫度為,200kPa絕壓下：Tm=120°C。根據(jù)定性溫度確定物理性質(zhì)表1空氣和冷凝水的物理性質(zhì)數(shù)據(jù)X物性溫度PCp入Prr液體C3(kg/m )(mPa- s)kJ/(kg/ C)w/(m -C)kJ/kg空氣601.06-22.01 X 101.0050.028960.696冷凝水12022052.3 傳熱面積的初定平均傳熱溫差 按照純逆流

21、計(jì)算:% 厶t2,ti.t2(120 -20)-(120 -100)120-20 In120-100=49.7 C式中： tm逆流或并流的平均溫差，C； t1 , t2分別為換熱器兩端的溫度差，C；2.3.2 熱負(fù)荷QQ 二 WcCpc(t2 - t|)式中：Q熱負(fù)荷，W；w c冷流體的質(zhì)量流量，kg/s ;cpc冷流體的平均比定壓熱容，J /(kg c)；t 1 ,t 2分別為冷流體的進(jìn)出口溫度，C；1.293； 5000因?yàn)?Wc1.8kg/s3600(1.293 是空氣在0°C, 0.1mPa下的密度)所以 Q 二 WcCpc(t2 - b)= 1.8 1.005 103 (1

22、00 20)= 1.45 105W2.3.3 初選 Ko表2列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值冷流體熱流體總傳熱系數(shù)W/m2. C水水850-1700水氣體17-280水有機(jī)溶劑280-850水輕油340-910水重油60-280有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑115-340水水蒸汽冷凝1420-4250氣體水蒸汽冷凝30-300水低沸點(diǎn)烴類冷凝455-1140水沸騰水蒸蒸汽冷凝2000-4250輕油沸騰水蒸汽455-102051.45 10560 49.7=48.6m2根據(jù)管外為水蒸氣冷凝來加熱管內(nèi)的空氣，總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的范圍為 3030CW/(m2 C)，因?yàn)橐话銡怏w的對(duì)流傳熱系數(shù)都比較低，所以選定

23、K。=60W/(m2C),則估算的傳熱面積為：式中：s 0估算的傳熱面積，m；K0假設(shè)的傳熱系數(shù)， W/(m2 C)； tm平均傳熱溫差，C； 注釋：由于Ko值在選取時(shí)是一個(gè)范圍值，所以選取時(shí)并非一次就能適合最終的計(jì)算結(jié)果 在這次計(jì)算中，我假設(shè)選取了 K45W/(m2 C)，K50W/(m2 C)，Ko =55W/(m2 C), Ko =60W/(m2 C) ，K。=65W/(m2 C)等計(jì)算，最終選取了 進(jìn)行 Ko 二 60W/(m2 C) 了計(jì)算。2.4主要工藝尺寸的確定換熱管的選用根據(jù)工藝條件和操作壓力、溫度，選用 38mM 2.5，管長(zhǎng)為3m(對(duì)于直立設(shè)備, 換熱管不應(yīng)太長(zhǎng))的碳鋼管，

24、正確選用管子的材料是很重要的，既要滿足工藝條件的要 求，又要經(jīng)濟(jì)合理。管內(nèi)流速的確定表3列管式換熱器管內(nèi)常用的流速范圍流體種類流速(m/s)管程殼程一般液體0.5 30.2 1.5易結(jié)垢液體>1>0.5氣體530315根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，管內(nèi)流速取 u=25m/s；管子數(shù)的確定nT -135.8= 136二d0L 3.14 0.038 3式中：nT列管式換熱器的總管數(shù)，必須取整數(shù)；s 0傳熱面積的估算值，m；d 0選定的換熱管外徑，ml 選定的換熱管有效長(zhǎng)度，m管心距的確定若采用脹接法，則tmin -1.25d0-1.25 38-47 .5mm管間距的實(shí)際最小值不能小于(d0 6)mm，對(duì)

25、于直徑小的管子，t/d°的數(shù)值應(yīng) 取得更大一些。所以tmin -38 44mm ；綜合多種因素考慮，取t=48mm殼體直徑的確定D =t(nc -1) 2b/式中D殼體內(nèi)徑，mmt管心距，mmnc橫過管束中心線的管數(shù)，管子按正三角形排列時(shí)，n 1.1 nT ;b/ 管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離一般可取 b/ =(1 1.5)d0 ，mm所以nc =1.1 n/ =1.1 .136 = 128b/ =1.5 3.8 =57注意：管束最外層管子的中心距殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于(Ido 10)mm ；11d01038 10 = 29 ；22D =48 (12.8 -1)2 5

26、7 =680.4可取 D -700mm;L/D =3/0.7叱4.3 （對(duì)于直立設(shè)備，L/D以46為易）管程數(shù)m的確定根據(jù)式 m 丨ui式中：ui管程流體的適宜流速（由經(jīng)驗(yàn)值查?。?，m/s； u i/單管程流體的實(shí)際流速，m/s；m 管程數(shù)，（應(yīng)取整數(shù)）；若是單管程：/ _Wc兀 2匚di 帀4=14.6m/ s1.831420.0332 1.06 1364u 25所以心廠石""2所以，此換熱器管內(nèi)的流速為:/UiWc1.829.2m/ s 二2、3.142 , " 1.36dnT0.0332 1.06 -44因?yàn)閷?duì)于氣體而言，列管式換熱器管內(nèi)的流速一般為530m

27、/s，所以此換熱器管內(nèi)的流速符合要求。殼程數(shù)的確定由于飽和水蒸氣的進(jìn)出口溫度都是 120C，所以R=0， t=1> 0.82，所以殼程數(shù) 應(yīng)是1。注：1來自參考文獻(xiàn)2第15頁。管子排列方法采用組合排列法。即每程都為三角形排列，但兩程之間常用正方形排列，這對(duì)于 隔板的安裝是有利的。排列如圖1：圖1組合排列法因?yàn)椴捎玫氖墙M合排列法，且管子的根數(shù)為 136根，所以在最外層管子與殼體之 間不會(huì)出現(xiàn)很大面積的弓形部分，所以就不需要配置附加管子。即：準(zhǔn)確管子根數(shù)還應(yīng)為：136根。因?yàn)闅こ淌撬魵猓詿o需設(shè)置折流擋板。折流擋板的主要作用是引導(dǎo)殼程流 體反復(fù)地改變方向做錯(cuò)流流動(dòng)，以加大殼程流體流速和湍

28、流程度，致使殼程對(duì)流系數(shù)提 高。另外，折流擋板還起了支撐管子的作用，防止管束振動(dòng)和彎曲。249計(jì)算實(shí)際傳熱面積和傳熱系數(shù)則該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：E = n二d0(L -0.1)-136 3.14 0.038 (3-0.1)-47.06m2該換熱器要求的總傳熱系數(shù):k0 1.45 10547.6 49.7= 62w/(m2 C)2.5計(jì)算壓強(qiáng)降2.5.1. 殼程壓強(qiáng)降因?yàn)闅こ虨樗魵庠诘葴氐葔合碌睦淠齻鳠幔瑝簭?qiáng)降忽略。2.5.2. 管程壓強(qiáng)降根據(jù)式一Pi十P1飛樸卩心式中： p1 , P2直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；Ft結(jié)垢校正系數(shù)，量綱為一。因管內(nèi)走的是空氣，較清潔，不易結(jié)

29、垢,故可取Ft=1 ;Np管程數(shù)；Ns串聯(lián)的殼程數(shù)。- u 二 29.2m/s0.033 29.2 1.062.01"05= 5.08 104（湍流）取碳鋼管壁粗糙度& =0.2mm則02 二 0.006d 33由摩擦因數(shù)圖查得：入=0.034，所以2"034 2 1.06 29-20.7=65.82= 0.034 （但車）= 1355.7二 Z 也口 =（65.8 +13557尸仆仆2=2843Pa一般來說，氣體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為103104Pa，故該換熱器的壓強(qiáng)降符合要求。2.6總傳熱系數(shù)的校核丄+ Rs。+ B魚+ Rsi蟲+玉0dmdi idi式中：ko基

30、于換熱器外表面積的總傳熱系數(shù)，W /(m2 C)；:0, : i管外及管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2 C);Rso,Rsi管外側(cè)及管內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻，(m2C)/W ；do,di,dm換熱器列管的外徑，內(nèi)徑及平均直徑，m；b列管管壁厚度，m列管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m - C)。管內(nèi)對(duì)流對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算:i =0.023)0.8(蘭)ndi (流體被加熱時(shí)，n=0.4)0.80.4"0.023廣 Pr0.028964、0.80.4"°23 -03- (5.08 10) °.696= 101.6W/(m2 C)管外對(duì)流傳熱系數(shù)«0的計(jì)算因?yàn)?/p>

31、是直立式換熱器，殼程為水蒸氣在豎直管束外的冷凝傳熱，假設(shè)冷凝液膜為 滯流，選用下式計(jì)算：0:-2 31設(shè)管外壁溫度tw=118C，則冷凝液膜的平均溫度為:(ts tw)21 (120 118)2=119 c查出膜溫119C下水的物性常數(shù)為：二 943.9kg/ m3- 0.24 10"Pa s =0.686W/(m2 c)3 0.24 103 21.13( t o.6863.22-35 !o3 再= 9161.4確定污垢熱阻Rsi =3.4394 10，(m2 c)/W (空氣)Rs0 =0 (因水蒸氣側(cè)熱阻很小，計(jì)算中予以忽略)2.6.4 K0的計(jì)算管材為碳鋼，導(dǎo)熱系數(shù)-45W/(

32、m C)，所以K。?0RS0b也dmd0:idi丄0 0225空9161.44535.53.4393 1043838+33101.6 33 84選用該換熱器時(shí)要求過程的總傳熱系數(shù)為62W/(m2 - C)，傳熱任務(wù)所規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的Ko =84W/(m2 C)，故所選擇的換熱器的安全系數(shù)為：84 62 100% = 35.5%62則該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。注意：理論上換熱器傳熱面積的裕度應(yīng)為 15%-25%但在實(shí)際生產(chǎn)操作中，考慮到實(shí)際 應(yīng)用及一些塔壓的作用，因而應(yīng)適當(dāng)增加其傳熱面積裕度，其傳熱面積裕度應(yīng)為 30%左右，所以，此換熱器傳熱面積的裕度非常安全，所以能安全完成生產(chǎn)

33、任務(wù)。2.7核算壁溫及冷凝液流型壁溫的核算tw值核算壁溫時(shí)，一般忽略壁溫?zé)嶙瑁鶕?jù)下列近似關(guān)系核算T _tw _tw -1RsoRsi：'0：i式中：T殼程流體的定性溫度，C；ti 管程流體的定性溫度，c；:0管外對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2 C);i管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)，W /(m2 C);Rso管外污垢熱阻，(m2 C)/W ；Rsi管內(nèi)污垢熱阻,(m2 C)/W ;tw 壁溫，°c；t w 60120 -tw9161.4-3.4393 10*101.60.0103tw =1.2289-tw =119.3 C由此算出的tw與假設(shè)的tw值相符，故假設(shè)合理。注釋：一般要用試差法確定壁

34、溫，所設(shè)的 tw值應(yīng)接近于a值大的那個(gè)流體的溫度。但 并非一次假設(shè)就能成功，需要重復(fù)計(jì)算，知道基本相符為止，在這次計(jì)算中我先后假設(shè)了 tw =110 C , tw =116 C , tw =118 C等進(jìn)行計(jì)算，最終確定按tw =118 C進(jìn)行計(jì)算膜層流型的核算核算冷凝液膜流型時(shí)，計(jì)算單位潤(rùn)濕周邊上冷凝液流率，Re4M式中：M冷凝負(fù)荷，kg/（m s）；b潤(rùn)濕周邊，m對(duì)垂直管b = xdo；W 冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s； 卩冷凝液的粘度， pa s；W可有熱量橫算求得，即:1.45 1052205 1030.066kg /sb兀d°nc3.14x0.038x11.71.4二 0.0

35、47kg /(m s) 貝U： Re =理 4 0'0473 = 783.3 ： 1800 卩 0.24X0所以，假設(shè)液膜內(nèi)的流動(dòng)為滯流是正確的3換熱器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1傳熱管與管板連接 管子與管板連接方式的選擇管子與管板的固定是浮頭式換熱器制造中最主要的問題之一。管子與管板的連接形式有強(qiáng)度脹接，強(qiáng)度焊接與脹焊接混合結(jié)構(gòu)。無論采用何種連接形式，都必須滿足以下 兩個(gè)條件：連接處保證介質(zhì)無泄漏的充分氣密性；承受介質(zhì)壓力的充分結(jié)合力。根據(jù)工 藝條件（壓力200MPa溫度20C），在這里管子與管板連接采用強(qiáng)度焊接連接。具體脹接 結(jié)構(gòu)見下圖2。圖2脹接結(jié)構(gòu)1: d J注意：其中為了提高脹接質(zhì)量管

36、板的硬度一定要高于管子的硬度。3.2管板與殼體及管箱的連接321管板與殼體的連接管板與殼體的連接依照換熱器的結(jié)構(gòu)形式分為可拆連接及不可拆連接。由于本設(shè)計(jì)的換熱器為浮頭式換熱器，所以用可拆式連接方式。用法蘭和墊片來解決其密封性能。管板與管箱的連接浮頭式換熱器管板與管箱、殼體的連接為可拆式換熱器的管板。因管束經(jīng)常需抽出 清洗、維修，所以管板與殼體，官板與管箱之間不采用焊接結(jié)構(gòu)，做成可拆卸結(jié)構(gòu)。法 蘭連接結(jié)構(gòu)見下圖3。圖3管板通過墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定最終結(jié)構(gòu)尺寸，這時(shí)既要考慮工藝計(jì)算結(jié)果，又要考慮強(qiáng)度計(jì)算，有時(shí)更要注重標(biāo)準(zhǔn)的使用。若

37、存在不合理情況，還 應(yīng)該返回工藝計(jì)算做某些修正、校核，方可最后確定。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)該對(duì)主要 受壓件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。3.4小結(jié)上面對(duì)常壓空氣加熱裝置（換熱管是光滑管）進(jìn)行了設(shè)計(jì)，常壓空氣的進(jìn)出口溫度為 20/100r，空氣處理量是5000標(biāo)準(zhǔn)m/h。我設(shè)計(jì)的是立式、浮頭式列管換熱器，次換熱 器的換熱面積是47.06m2,熱管總數(shù)為136根，換熱管長(zhǎng)度為3000mm管程數(shù)為2,殼程 數(shù)為1,加熱介質(zhì)選擇的是水蒸氣；對(duì)冷凝器進(jìn)行熱流量核算、溫度核算、強(qiáng)度計(jì)算， 結(jié)果滿足要求。表4加熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表管程殼程流率 ( kg/h)6480237.6進(jìn)/ 口溫度C）20/100120/12

38、0壓力（kPa）101200定性溫度（C）60120密度(kg/m °)1.061.1273粘度(Pa.s)2.01 x 105普朗特?cái)?shù)0.696形式浮頭式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑（mm）700殼程數(shù)1管徑（mm） 38 X 2.5管心距48管長(zhǎng)（mm）3000管子排列正三角形管數(shù)目/根136傳熱面積（吊）34.7管程數(shù)2該換熱器的實(shí)際傳熱面積（m2）47.06流速(m/s)29.2表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(m2C 101.69161.4污垢熱阻(m2 JC )/W0.000343940該換熱器要求的傳熱系數(shù)W/(m2 .C 62傳熱系數(shù)W/(m2 .C 84裕度(%)35.54換熱器的改進(jìn)設(shè)計(jì)4.1

39、 概述翅片管換熱器在動(dòng)力、化工、石油化工、空調(diào)工程和制冷工程中應(yīng)用得非常廣泛, 如空調(diào)工程中使用的表面式空氣冷卻器、空氣加熱器、風(fēng)機(jī)盤管，制冷工程中使用的冷 風(fēng)機(jī)蒸發(fā)器、無霜冰箱蒸發(fā)器等。當(dāng)換熱器兩側(cè)流體的換熱系數(shù)相差較大時(shí)，在換熱系 數(shù)小的流體一側(cè)加上翅片，可擴(kuò)大換熱面表面積并促進(jìn)流體的擾動(dòng)減少傳熱熱阻，有效 地增大傳熱系數(shù)，從而增加傳熱量?；蛟趥鳠崃坎蛔兊那闆r下，減少換熱器的體積，達(dá) 到高效緊湊的目的。4.2類型和分類翅片管式換熱器的基本傳熱元件為翅片管，翅片管由基管和翅片組合而成。基管通 常為圓管，也有橢圓管和扁平管。翅片管可按下述方法分類繞片式串、套片式整協(xié)翅片式其他幾種形式圖4翅片管

40、的結(jié)構(gòu)型式按結(jié)構(gòu)型式分類從結(jié)構(gòu)型式上翅片管可分為縱向和徑向兩種基本類型，其他型式均為這兩類的發(fā) 展和變形，例如大螺旋角翅片管接近縱向，小螺旋角翅片管接近徑向。翅片的形狀有圓 形、矩形和針形。此外，翅片管可設(shè)直在管外，稱外翅片管；也可設(shè)置在管內(nèi)，稱內(nèi)翅 片管，或內(nèi)外兼有。按制造工藝分類按制造工藝可把翅片管分類為整體翅片管、焊接翅片管、高頻翅片管和機(jī)械連接翅 片管。整體翅片管一一由鑄造、機(jī)械加工或軌制而成，翅片與管子為一整體。焊接翅片管一一使用釬焊或惰性氣體保護(hù)焊等工藝制造?，F(xiàn)代焊接技術(shù)可使不同材料的翅片連接在一起，并能將翅片管制造得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，具有較好的傳熱及機(jī)械性能， 已被廣泛應(yīng)用。高頻焊翅片

41、管一一利用高頻發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電感應(yīng)，使管子表面與翅片接觸處產(chǎn) 生高溫，在10卩m左右的深度范圍內(nèi)使兩者溶化，再加壓使翅片與管子連為一體。機(jī)械連接翅片管一一通常有繞片式、鑲嵌式、套片式或串片式等三種類型。繞片式 翅片管制造簡(jiǎn)單，把金屬帶用機(jī)械或焊接方式固定于管子一端，借管子轉(zhuǎn)動(dòng)力矩將金屬 帶緊緊地纏繞于管外壁，另一端固定即成繞片式翅片管。鑲嵌式翅片管把翅片根部加工 成一定的形狀，鑲嵌于管壁的對(duì)應(yīng)槽內(nèi)。套片式或串片式的翅片一般沖壓成型，熱套于 管壁上，采用機(jī)械脹管等方式連接翅片管。翅片管還可以按材料分類。翅片管材料很廣，有碳鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、銅 及銅合金、蒙太爾合金等，有時(shí)還可采用雙金屬翅

42、片以便節(jié)省貴重金屬，同時(shí)又能適應(yīng) 耐腐蝕性等工藝要求。4.3設(shè)計(jì)類型選擇設(shè)計(jì)為圓管一一圓形翅片，等厚度環(huán)翅，徑向截面為矩形。在有效長(zhǎng)度為3m的管子外壁繞上翅片，翅片間距為 1cm,翅片厚度為1cm；翅片高度為35.5mm,翅片個(gè)數(shù)為 150.圖5圓管一一圓形翅片，等厚度環(huán)翅。4.4 總傳熱系數(shù)K的計(jì)算當(dāng)空氣換熱器的換熱管為光滑管時(shí)，空氣走管程，水蒸氣走殼程。當(dāng)換熱管為翅片 管時(shí)，考慮到翅片管的制作難度，設(shè)計(jì)為外翅片管換熱器，設(shè)計(jì)翅片管換熱器的目的是 為了提高空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，所以空氣應(yīng)走殼程，水蒸氣應(yīng)走管程，所以管內(nèi)、外 側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)應(yīng)重新計(jì)算。管外對(duì)流傳熱系數(shù)的o計(jì)算管殼式換熱器殼程

43、無折流板時(shí)，管外傳熱膜系數(shù)的計(jì)算可按非圓形截面內(nèi)流動(dòng)時(shí)管 內(nèi)傳熱系數(shù)的計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)以當(dāng)量直徑des作為定性尺寸代替管子內(nèi)徑。對(duì)管殼式換熱器，當(dāng)管子呈正三角形排列時(shí)：、3R2：d022 -ji2d°11 1 二 2 4(R 、3R -3do )d es2 246ji3 ；do621.10R ,d7do式中：r 換熱器中心距，mdo管外徑，m2所以 des" 0.048 -0.038 = 0.02870.038光滑管換熱器是雙管程、單殼程，管內(nèi)流速是29.2m/s。若空氣走單管程，則空氣流速為14.6 m/s。所以翅片管殼程空氣的流速為uo=14.6 m/s。Redes

44、Uo ?0.0287 14.6 1.062.01 10*= 2.21 104（湍流）R>104 按式：=0.027丄農(nóng)0.8尺13diLL(十)0.14計(jì)算w所以a o=0.027護(hù)先逬嚴(yán)= 0.027 0.02896 (2.21 104)0.8 0.696 3 (-2)0.140.02872.292= 70.86W/(m c):=0.943 (二'L -)'4 計(jì)管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)%計(jì)算由參考文獻(xiàn)12可知：垂直管內(nèi)冷凝傳熱膜系數(shù)可通過式式中：I管長(zhǎng)，m3 譏、Pl分別為膜溫下凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m ）、密度，kg/m和粘度，Pa s ；冷凝潛熱，J / kg ; t 飽

45、和水蒸氣溫度to與壁面溫度tw的差值，C。冷凝液膜的Re與冷凝負(fù)荷M有關(guān)，通常可表示為：2羅當(dāng)Re<2100 （Re為冷凝液膜的雷諾數(shù)），上式可表示為2iLg)13(4Mx13:一 1.87(2 ) 3()° LL當(dāng)Re>2100,上式可表示為:a = 0.0077("L Q)'3(如)0.4式中：M冷凝負(fù)荷，kg/（m s）;g重力加速度，g=9.8m/s2。4MX4 0.0470.24 10”= 783.3 ： 210032所以 a： =1.87(育'3(竽)'3= 1.87 0.6863 943.92 9.81(0.24 10)2f

46、3(783.3/3= 6.31 105W/(m2 c)總對(duì)流傳熱系數(shù)Ki的計(jì)算當(dāng)翅片管式換熱器用于加熱空氣或冷卻空氣但不產(chǎn)生冷結(jié)水時(shí)，這種過程稱為干工況，干工況時(shí)的總傳熱系數(shù)可由下列式子計(jì)算：1礙)di12=JL + R0 +邑| n()+色 + 丄K o :- i2 di:- o式中SrSf floSli對(duì)于金屬基管，其導(dǎo)熱熱阻可以忽略，或可近似用平壁公式計(jì)算。采用平壁導(dǎo)熱 公式計(jì)算，上兩式可改寫：R.二 RRi . :1+丄=二 Rj屯丄K。: i：'0式中：K以基管內(nèi)表面?zhèn)鳠崦娣e為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/(m2 C)；Ko以翅片管外表面?zhèn)鳠崦娣e為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/(m2 C)；

47、:i管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2 C)；：管外對(duì)流傳熱系數(shù)， W/(m2 C)；Ri管內(nèi)側(cè)污垢熱阻，(m2 C)/W ；Ro管外側(cè)污垢熱阻，(m2 C)/W ；入一一基管金屬導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m C)；翅片壁面總效率；基管壁面厚度，mSio每米管的管外表面積，m/m；Sii每米管的管內(nèi)表面積，m/m；S ir每米管的管外無翅片部分表面積，nVm；S if每米管的管外翅片部分表面積，m/m；Sir mdo(1- nf、f )如為圓管一一圓形翅片：Slf =2（才）（df2do2） nf式中：df圓形翅片直徑，mdo管外徑，mn f每米管的翅片數(shù)；、 f 翅片厚度,m ；由文獻(xiàn)12第322頁圖1-

48、10-22查得：r 2/r 1=2.0 時(shí)，取 f =0.6因?yàn)?d o=38mm=O.O38m;n=5O; 、f=1cm=0.01m所以 Slr =3.14 0.038 (1 -50 0.01)= 0.05966因?yàn)?d f=71mm+38mm=109mm=0.109m所以 Sf 二鳥沁314"。.®?2 0.0382)x 504= 0.82因?yàn)?S0 =slr +Sf =0.05966 + 0.82 = 0.87966SH -3.14 0.033 =0.104所以Sp _ 0.87966SH _ 0.104S|r' Slf fS|o0.05966 0.82 0.

49、60.87966-0.627由前面的計(jì)算可知:i =6.31 105W/(m2 C) ；： 0 = 70.86W/(m2 C)；所以1Ki1 丄 丄0.025丄3.4394江10 丄15 06.31 10458.46 0.62770.86 8.46 0.627二 0.00328所以 K =304.88W/(m2 C)因?yàn)?QSi 二 KoSo式中Si基管內(nèi)表面?zhèn)鳠崦娣e，m；s o翅片側(cè)外表面?zhèn)鳠崦娣e，m；S1i2所以，K-sO K K846 304.8 36.04皿伽 C)4.5 設(shè)計(jì)類型的重新選擇設(shè)計(jì)為圓管一一圓形翅片，等厚度環(huán)翅，徑向截面為矩形。在有效長(zhǎng)度為3m的管子外壁繞上翅片，翅片間距

50、為 3cm翅片厚度為1cm翅片高度為35.5mm,翅片個(gè)數(shù)為 75。4.6 總傳熱系數(shù)K的重新計(jì)算當(dāng)空氣換熱器的換熱管為光滑管時(shí)，空氣走管程，水蒸氣走殼程。當(dāng)換熱管為翅片 管時(shí)，考慮到翅片管的制作難度，設(shè)計(jì)為外翅片管換熱器，設(shè)計(jì)翅片管換熱器的目的是 為了提高空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，所以空氣應(yīng)走殼程，水蒸氣應(yīng)走管程，所以管內(nèi)、外 側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)應(yīng)重新計(jì)算。管外對(duì)流傳熱系數(shù)的：計(jì)算管殼式換熱器殼程無折流板時(shí)，管外傳熱膜系數(shù)的計(jì)算可按非圓形截面內(nèi)流動(dòng)時(shí)管 內(nèi)傳熱系數(shù)的計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)以當(dāng)量直徑des作為定性尺寸代替管子內(nèi)徑。對(duì)管殼式換熱器，當(dāng)管子呈正三角形排列時(shí)：des4(-Pt 1、3R -

51、3 1 -do2)224 6網(wǎng)2。23 6d031do229.2m/s。若空氣走單管程，則空氣 uo=14.6 m/s。RedesUo0.0287 14.6 1.062.01 10*= 2.21 104（湍流）4R>10按式：w所以o = 0.027-Re0.%1 des3 ( o ) 0-14 '丿 w扎 0 81 '= 0.027-LRe . Rr 3 di21.10Pt_ddodO式中：r 換熱器中心距，mdo管外徑，m21 10 工 0 048所以 des 二0. 048 -0.038 = 0.02870.038光滑管換熱器是雙管程、單殼程，管內(nèi)流速是 流速為14

52、.6 m/s。所以翅片管殼程空氣的流速為（209）0.14-0.027 0.02896 (2.21 104)0.8 0.696130.0287二 70.86w/(m2 c)4.6.2管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù):i計(jì)算32由參考文獻(xiàn)12可知：垂直管內(nèi)冷凝傳熱膜系數(shù)可通過式 口 =0 943漢（'丄久；g），計(jì) 丨側(cè)算式中：丨管長(zhǎng)，m3 人L、PL、L分別為膜溫下凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m °C）、密度，kg/m和粘度，Pa s ；冷凝潛熱，J / kg ; t 飽和水蒸氣溫度to與壁面溫度tw的差值，C。冷凝液膜的Re與冷凝負(fù)荷M有關(guān)，通?？杀硎緸椋篟e-4%當(dāng)Re<2100 （Re

53、為冷凝液膜的雷諾數(shù)），上式可表示為:=1.87（32'L ; L g) 13 (4M ) 1332 當(dāng) Re>2100,上式可表示為：。=0.0077(勺)'3(如)0.4-L2式中：M冷凝負(fù)荷，kg/(m s)；g重力加速度，g=9.8m/s2。4M 4 匯 0.047Re3 =783.3 ： 21004l0.24 汽 10 山人3P2g 13 4M 13所以:i =1.87(嚴(yán))3()3320.686 漢 943.99.81-1.87 齊(0.24"0 )3(783.3) "3= 6.31 105W/(m2 C)總對(duì)流傳熱系數(shù)Ki的計(jì)算當(dāng)翅片管式換熱器用于加熱空氣或冷卻空氣但不產(chǎn)生冷結(jié)水時(shí), 況，干工況