化工原理課程設計課件2

1、湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉主 講：譚 志 偉 二零一六年秋湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉1概述 換熱裝置是以傳遞熱量為主要功能的通用機械,通常稱為熱交換器,簡稱換熱器。換熱器在化工、石油、制冷、動力、食品等部門中均有廣泛的應用。它們的設計、制造和運行對生產過程起著十分關鍵的作用。在化工廠的建設中,換熱器約占工程總投資的11%;通常,換熱器約占煉油及化工裝置設備總投資的40%。因此,換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理研究,在節(jié)省投資、降低能耗等方面將發(fā)揮日益重要的作用。(1)換熱裝置的分類 根據(jù)換熱的目的和工藝要求不同,換熱器的結構型式必然是五花八門,其分類也是多種多

2、樣。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 按冷熱物料接觸方式可分為: 直接接觸式、蓄熱式和間壁式。 按換熱器的使用功能又可分為: 加熱器、冷卻器、再沸器、冷凝器、蒸發(fā)器、空冷器、涼水塔、廢熱鍋爐等。 按換熱器換熱面緊湊程度又可分為: 緊湊式換熱器(換熱面積密度700m2/m3)和非緊湊式換熱器(換熱面積密度1.00.81.80.51.5530殼程流速/(m/s)0.51.5 0.51.5 0.21.50.50.41.00.30.8215表3-4列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮氫氣安全流速/(m/s)1234管程,=0.60.8。正

3、方形排列:2管程,=0.550.7;4管程,=0.450.65。殼體內徑D的計算值最終應圓整到標準值。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉(2)殼程折流擋板與分程隔板 列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通截面積大,當殼程流體符合對流傳熱條件時,為增大殼程流體的流速,加強其湍動程度,提高殼程給熱系數(shù),需設置橫向折流擋板和縱向分程隔板。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉圖3-9常用折流板型式湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 殼程折流擋板折流擋板一般橫向設置,故又稱為橫向折流擋板。橫向折流擋板同時兼有支承傳熱管、抑制管束振動和管子彎曲的作用。 橫向折流擋板的型式有圓缺型(也稱弓

4、型)、環(huán)盤型和孔流型等多種型式(見圖3-9)。a.圓缺型折流擋板又稱弓型折流板,應用最多。折流板缺口位置有水平切口、垂直切口和轉角切口。水平切口宜用于單相流體。在殼程進行冷凝時,采用垂直切口,有利于冷凝液的排放。對正方形排列的管束,采用與水平成45的傾斜切口折流板,可使流體流過管束成錯列流動,有利于傳熱。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉如殼程允許壓降小時,可采用雙缺口折流板。如要求壓降特別低時,還可采用三缺口折流板和缺口不布置管子的型式。缺口的大小用切除高度與殼體內徑的比值來表示,一般為20%25%。對于低壓氣體系統(tǒng),為減少壓降,缺口大小可達40%45%。折流板之間的間距比較理想的是使

5、缺口的流通截面積和通過管束的錯流流動截面積大致相等,這樣可以減小壓降,并有利于傳熱。一般,折流板間距應不小于殼體內徑的1/5或50mm。由于折流板有支撐管子的作用,折流板間的最大間距,對于鋼管為171d0.74(d為管子外徑,單位為mm);對于銅、鋁及其合金管子為150d0.74。折流板上管孔與管子之間的間隙及折流板與殼體內壁之間的間隙應合乎要求。間隙過大,泄漏嚴重,對傳熱不利,還易引起振動。間隙過小,安裝困難。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉b.環(huán)盤型折流板環(huán)盤型折流板壓降較小,但傳熱效果也差些,應用較少。c.孔流型折流板流體穿過折流板孔和管子之間的縫隙流動,壓降大,僅適用于清潔流體

6、,其應用更少。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 殼程分程隔板分程隔板一般縱向設置,故又稱為縱向分程隔板。分程隔板主要用于管程與殼程的分程,從而實現(xiàn)多管程和多殼程結構。用于管程分程的隔板一般設置在換熱管束的前端管箱和后端結構之中,將單管程結構變成多管程結構(見管程結構及表3-7和圖3-8)。用于殼程分程的隔板尚需分隔前端管箱、換熱管束和后端結構,從而將單殼程結構變成多殼程結構。單殼程的換熱器僅需設置橫向折流擋板,多殼程換熱器不但需要設置橫向折流擋板,而且還需要設置縱向折流隔板將換熱器分為多殼程結構。對于多殼程換熱器,設置縱向折流隔板的目的不僅在于提高殼程流體的流速,而且是為了實現(xiàn)多殼程結

7、構,減小多管程結構造成的溫差損失。實際生產過程中,如果沒有特別的要求,出于設計、制造、安裝、清洗和檢修的方便,對于多殼程換熱器,通常情況下不是采用單殼程換熱器隔板分程的方式,而是多臺單殼程換熱器的組合。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉(3)其他主要部件 緩沖板與導流筒在殼程進口接管處常裝有防沖擋板,或稱緩沖板。它可防止進口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動,還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導流筒,不僅起防沖板的作用,還可改善兩端流體的分布,提高傳熱效率。 圖3-10所示為兩種進口接管和防沖板的布置。圖3-10(a)是普通接管,進口處抽出一些管子,以減少局部阻力

8、,致使傳熱面積略有減少。圖3-10(b)是一擴大型接管,防沖板放在擴大部分,不影響管數(shù)。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉圖3-10進口接管及防沖板布置湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉圖3-11導流筒結構示意圖 圖3-11為兩種不同結構的導流筒,圖3-11(a)結構較簡單,但要抽出一部分管子,圖3-11(b)是在殼體外焊有一段環(huán)狀夾套,在原殼體壁面上沿圓周開有方形或長方形孔,孔的總面積遠遠大于進口接管的截面積。(b)型結構可作為氣體或蒸氣進口的分布器。導流筒不僅用于進口,也可用于出口。大型換熱器在高流速下工作時,導流筒更顯示出其優(yōu)越性。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 旁

9、流擋板與假管當管束與殼體之間的間隙較大時,會形成旁流,影響傳熱,其間應設置旁流擋板,或稱密封條。當管束中間由于管程分程隔板而引起較大的空隙時,可裝一些假管,以減少旁流。假管是一些不穿過管板的管子,它們的一端或兩端都是封閉的,沒有流體通過,不起換熱作用。3管殼式換熱器的工藝設計計算設計步驟 拉桿和定距管折流板用拉桿和定距管連接在一起。拉桿的數(shù)量取決于殼體的直徑,從4根到10根,直徑1012mm。定距管直徑一般與換熱管相同。有時也可將折流板與拉桿焊在一起而不用定距管。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 管殼式換熱器國家已有系列標準,設計中應盡可能選用系列化的標準產品,這樣可簡化設計和加工。但

10、是實際生產條件千變萬化,當系列化產品不能滿足需要時,仍應根據(jù)生產的具體要求自行設計非標準系列的換熱器。此處將扼要介紹這兩者設計計算的基本步驟。(1)非標準系列換熱器的一般設計步驟 了解換熱流體的物理化學性質和腐蝕性能。 由熱平衡計算傳熱量的大小,并確定第二種換熱流體的用量。 決定流體通入的空間。 計算流體的定性溫度,以確定流體的物性數(shù)據(jù)。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 初算有效平均溫差。一般先按逆流計算,然后再校核。 選取管徑和管內流速。 計算傳熱系數(shù)K值,包括管程對流傳熱系數(shù)i和殼程對流傳熱系數(shù)o的計算。由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結構有關,因此一般先假定一個殼程對流傳熱系數(shù)

11、,以計算K值,然后再作校核。 初估傳熱面積。考慮安全系數(shù)和初估性質,因而常取實際傳熱面積是計算值的1.151.25倍。 選擇管長L。 計算管數(shù)N。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 校核管內流速,確定管程數(shù)。 畫出排管圖,確定殼徑D和殼程擋板形式及數(shù)量等。 校核殼程對流傳熱系數(shù)。 校核有效平均溫差。 校核傳熱面積,應有一定安全系數(shù),否則需重新設計。 計算流體流動阻力,如阻力超過允許范圍,需調整設計,直至滿意為止。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉(2)標準系列換熱器的選型設計步驟與(1)中相同; 選取經驗的傳熱系數(shù)K值。 計算傳熱面積。 由標準系列選取換熱器的基本參數(shù)。 校核傳熱系

12、數(shù),包括管程、殼程對流傳熱系數(shù)的計算。假如核算的K值與原選的經驗值相差不大,就不再進行校核;如果相差較大,則需重新假設K值并重復上述以下步驟。 校核有效平均溫差。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 校核傳熱面積,使其有一定安全系數(shù),一般安全系數(shù)取1.11.25,否則需重行設計。 計算流體流動阻力,如超過允許范圍,需重選換熱器的基本參數(shù)再行計算。 從上述步驟來看,換熱器的傳熱設計是一個反復試算的過程,有時要反復試算23次。所以,換熱器設計計算實際上帶有試差的性質。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉傳熱計算主要公式傳熱計算是以傳熱速率式(3-5)為核心展開的。 傳熱速率式: Q=KAt

13、m (3-5) 式中,Q為傳熱速率,W;K為總傳熱系數(shù),W/(m2);A為總傳熱面積,m2;tm為總平均溫差, 。 通過冷熱流體的熱量衡算方程式計算換熱器的傳熱速率(或熱負荷)Q。(1)傳熱速率(或熱負荷)Q湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 冷熱流體均無相變化,且忽略熱損失,則Q=mhCph(T1-T2)=mcCpc(t2-t1) (3-6) 流體有相變化,如飽和蒸汽冷凝,且冷凝液在飽和溫度下排出,則Q=mhr=mcCpc(t2-t1) (3-7)式中,m為流體的質量流量,kg/h或kg/s;Cp為流體的平均定壓比熱容,kJ/(kg);r為冷凝潛熱或汽化潛熱;T、t分別為熱、冷流體的溫

14、度, ;下標h和c分別表示熱流體和冷流體;下標1和2分別表示換熱器的進口和出口。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 (2)傳熱平均溫度差tm 恒溫傳熱時的平均溫度差 tm=T-t (3-8) 變溫傳熱時的平均溫度差簡單流(逆流和并流):tm=tm= (3-9)式中,tm為傳熱平均溫度差, ;tm為逆流或并流傳熱時的對數(shù)平均溫度差, ;t1,t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差, 。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉圖3-12各種換熱器的平均溫度差校正系數(shù)湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉復雜流(錯流和折流):tm=tm (3-10)式中,tm為按逆流計算的對數(shù)平均溫差, ;為

15、溫差校正系數(shù),量綱為1,=f(P,R),P=R= (3-11)(3)溫差校正系數(shù)常根據(jù)P和R參數(shù),通過溫差校正系數(shù)圖查出(參考圖3-12),亦可按復雜流公式計算。該值實際上表示特定流動形式在給定工況下接近逆流的程度。在設計中,除非出于必須降低壁溫的目的,否則總要求0.8,如果達不到上述要求,則應改用其他流動形式。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉(4)總傳熱系數(shù)K(以外表面積為基準)=+Rso+Rsi+(3-12)式中,K為總傳熱系數(shù),W/(m2);i、o分別為傳熱管內、外側流體的對流傳熱系數(shù),W/(m2);Rsi、Rso分別為傳熱管內、外側表面上的污垢熱阻,m2/W;di、do、dm分

16、別為傳熱管內徑、外徑及對數(shù)平均直徑,m;為傳熱管壁熱導率,W/(m);b為傳熱管壁厚,m。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉(5)傳熱膜系數(shù)(或給熱系數(shù))不同流動狀態(tài)下,傳熱膜系數(shù)的關聯(lián)式不同,具體型式見表3-9。圖3-13殼程給熱系數(shù)與折流板圓缺的關系湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉值得說明的是: 殼程當量直徑殼程當量直徑與換熱管的排列方式有關:正方形排列de=(3-13)正三角形排列de=(3-14)符號意義同前。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉 a.殼程流體無相變傳熱對于裝有弓形折流板的管殼式換熱器,殼程給熱系數(shù)的計算有貝爾(Bell)法、克恩(Ken)法、多諾霍(

17、Donohue)法。其中貝爾法精度較高,但計算過程很麻煩。目前設計人員較為常用的是克恩法和多諾霍法。其中克恩法最為簡單便利,即表3-8中的式。但該式只適用于Reo=2(103106),弓形折流板圓缺高度為直徑的25%的情況。若折流板割去的圓缺高度不是25%,而為其他值時,則可用圖3-13先求出傳熱jH因子,再用式(3-15)求給熱系數(shù): 殼程給熱系數(shù)湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉o=jHPr1/3(3-15)b.殼程為飽和蒸汽冷凝工業(yè)上冷凝器以采用水平管束和豎直管束居多,且管表面液膜多為層流。在這種情況下一般實測的傳熱膜系數(shù)多大于努塞爾特理論公式的計算值。德沃爾(Devore)基于努

18、塞爾的理論公式和實測值,提出層流時的冷凝傳熱膜系數(shù)計算式如下:(a)水平管束外冷凝蒸汽在水平管外冷凝,其冷凝液膜的流動一湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉般為層流(Re2100) 或(3-16)式中,*為量綱為1的冷凝傳熱膜系數(shù);o為管外冷凝傳熱膜系數(shù),W/(m2)。Re=M= (3-17)湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉式中,m為冷凝液量,kg/s;L為傳熱管長,m;ns為當量管數(shù),與傳熱管布置方式及總管數(shù)有關,可用下式求得:ns=(3-18)式中,NT為傳熱管的總根數(shù)。(b)豎直管束外冷凝與單根豎直管外冷凝相同。湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉(3-19)Re=M=

19、(3-20) (3-21)湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉對于底部已達湍流狀態(tài)的豎壁冷凝換熱,其沿整個壁面的平均傳熱膜系數(shù)可由下式求取:=+(3-22)式中,為層流段的平均傳熱膜系數(shù);為湍流段的平均傳熱膜系數(shù);xc為由層流轉變?yōu)橥牧鞯呐R界高度;L為豎壁總高度;為沿整個豎壁的平均傳熱膜系數(shù)。式(3-16)和式(3-19)僅適用于液膜沿管壁呈層流流動,即要求Re=4湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉M/500);nc為橫過管束中心線的管數(shù),可按式(3-2)及式(3-3)計算;B為折流板間距,m;D為殼體直徑,m;NB為折流板數(shù)目;uo為按殼程最大流通截面積SoSo=B(D-ncdo)

20、計算的流速,m/s。管壁與殼壁溫度的核算 有些情況下,傳熱膜系數(shù)與壁溫有關,這種情況下,計算傳熱膜系數(shù)需先假設壁溫,待求得傳熱膜系數(shù)后,再核算壁溫。另外,計算溫差湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉應力,檢驗所選換熱器的型式是否合適,是否需要加設溫度補償裝置等均需核算壁溫。(1)傳熱管壁溫度 傳熱管壁兩側的壁面溫度以熱流體走殼程,冷流體走管程為例,對于定態(tài)傳熱過程,若忽略傳熱管間壁兩側污垢熱阻,則Q=hAh(Tm-Tw)=cAc(tw-tm)=oAo(Tm-Tw)=iAi(tw-tm)(3-27)湖北民族學院化學與環(huán)境工程學院譚 志 偉式中,Q為換熱器熱負荷,W;Tm為熱流體的平均溫度, ;Tw為熱流體側的管壁平均溫度, ;tm為冷流體的平均溫度, ;tw為冷流體側的管壁平均溫度, ;h為熱流體側的傳熱膜系數(shù),W/(m2);c為冷流體側的傳熱膜系數(shù),W/(m2);Ah為熱流體側的傳熱面積,