(完整版)換熱器計算步驟...doc

1、第 2章工藝計算2.1 設(shè)計原始數(shù)據(jù)表 21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Mpa/Kg/h/殼側(cè)7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管側(cè)28310/330水60000GB1502.2 管殼式換熱器傳熱設(shè)計基本步驟（1）了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能（2）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。（3）確定流體進入的空間（4）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

2、一個殼程傳熱系數(shù)，以計算 K，然后再校核（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 1.151.25 倍（9）選取管長l 0（10）計算管數(shù)NT（11）校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)（12）畫出排管圖，確定殼徑Di 和殼程擋板形式及數(shù)量等（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（16）計算流體流動阻力。若阻力超過允許值，則需調(diào)整設(shè)計。第2章工藝計算2.3 確定物性數(shù)據(jù)2.3.1 定性溫度由飽和水蒸氣表可知，蒸汽和水在 p=7.22MPa、t295 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

3、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=420295（2-1 ）357.52管程流體的定性溫度：T=310 330320 2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)。2.3.2 物性參數(shù)管程水在 320下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下 ：【參考物性數(shù)據(jù) 無機 表 1.10.1 】表 22密度i- =709.7/m3定壓比熱容cpi =5.495kJ/ . K熱導(dǎo)率i =0.5507W/m.粘度i =85.49Pa.s普朗特數(shù)Pr=0.853殼程蒸氣在 357.5下的物性數(shù)據(jù) 1 ：【鍋爐手冊 飽和水蒸氣表】表 23密度o=28.8/m3定壓

4、比熱容cpo=3.033kJ/ . K熱導(dǎo)率o=0.0606W/m.粘度o=22.45Pa.s普朗特數(shù)Pr=1.1222.4 估算傳熱面積2.4.1 熱流量根據(jù)公式（ 2-1）計算：QWcp t【化原4-31a】（2-2）將已知數(shù)據(jù)代入（2-1）得：QWCt =600005.495 103 (330-310)/3600=1831666.67W1p11式中：W1 工藝流體的流量， kg/h ；Cp1 工藝流體的定壓比熱容，kJ/ . K；t1 工藝流體的溫差，；Q 熱流量， W。2.4.2 平均傳熱溫差根據(jù) 化工原理4-45公式（ 2-2 ）計算：t1t2（2-3）t mt1lnt2按逆流計算將

5、已知數(shù)據(jù)代入（ 2-3）得：t mt1 t2420 330310 295t142041.86330lnln295t2310第2章工藝計算式中：tm 逆流的對數(shù)平均溫差，；t1 熱流體進出口溫差，；t2 冷流體進出口溫差，；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2.4.3 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/m2.K 則估算傳熱面積為 :SQ（化工原理 式 4-43）（2-4）K tm將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得： S Q 1831666.67 109.39 m 2 K t m 400 41.86式中： S估算的傳熱面積，m2 ；2

6、K 假設(shè)傳熱系數(shù)， W/m. ；tm 平均傳熱溫差，。考慮的面積裕度，則所需傳熱面積為:S S 1.15 112.88 1.15 125.8m2（ 2-5）2.4.4 熱流體用量根據(jù)公式（ 2-4）計算： 由化工原理熱平衡公式QWcp t將已知數(shù)據(jù)代入（2-4 ）得：Q1831666.6717392 .68 kg/h（2-6）W2t23.033 ( 420 295)C p2式中 Q 熱流量， W；.cp 2 定壓比熱容， kJ/ ；W2 熱流體的質(zhì)量流量，kg / h 。2.5 工藝尺寸2.5.1 管數(shù)和管長1. 管徑和管內(nèi)流速根據(jù)紅書 表 3-2換熱管規(guī)格表 2-4材料鋼管標(biāo)準(zhǔn)外徑 厚度外徑

7、偏差壁厚偏差/ （mm mm）/mm碳鋼GB816325 2.50.2012%10%根據(jù)紅書 表 3-4 取管內(nèi)流速 u i1m / s管程數(shù)和傳熱管數(shù)依紅書 3-9 式nqv，可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)24 d uqv16.67709.774.8 75（根）(2-7)ns20.02214 di ui4式中 qv 管程體積流量，m 3 s ；第2章工藝計算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，m s 。按單管程計算 , 依紅書 3-10, 所需的傳熱管長度為LAp125.821.3 m(2-8)do ns0.02575式中 L 按單程管計算的傳熱管長度

8、，mAp 傳熱面積， m2 ；do 換熱管外徑， 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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長 l 6 m , 則該換熱器的管程數(shù)為L21.34 （管程）(2-9)N pl3.566傳熱管總根數(shù)NTns N p 75 4300 （根）(2-10)式中，d0 管子外徑， m ；NT 傳熱管總根數(shù)，根；d0 管子外徑， m ；3. 換熱器的實際傳熱面積，依據(jù)紅書 3-12 ，A d0lN T3.14 0.0256 300 141.3 m2（2-11 ）式中， NT換熱器的總傳熱管數(shù)；A 換熱器的實際傳熱面積 。2.5.2 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)選

9、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)，其中 按紅書 3-13a 3-13b熱流體的溫差T1T2（ 2-12）Rt 2t1冷流體的溫差冷流體的溫差t2t1（ 2-13）PT1t1兩流體最初溫差將已知數(shù)據(jù)代入（ 2-12）和（ 2-13）得：T1T2420295Rt13300.75t2310t 2t1330310Pt14200.22T1310按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，紅書圖 3-7 ，查得校正系數(shù) 1 ：圖 2-2溫差校正系數(shù)圖t 0.96 ；平均傳熱溫差按式（ 2-9）計算：t mt t塑（ 2-14）將已知數(shù)據(jù)代入（ 2-9）得：t mt t塑 0.96 4

10、1.86 40.2。C第2章工藝計算式中 ：tm 平均傳熱溫差，；t 校正系數(shù)；t塑 未經(jīng)校正的平均傳熱溫差，。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8 ，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：t1.28d0（2-15）則管心距：t1.28d o1.282532mm根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取為32mm ：隔板中心到離其最近一排管中心距t3222 mms6622（2-16 ）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2-4 選取。圖 2

11、-3 組合排列法圖 2-4 隔板形式和介質(zhì)流通順序殼體內(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0.6 0.8，取0.7 ，則殼體內(nèi)徑為D1.05t N T1.05 32300695.5 (mm) .（2-17）0.7式中： D殼體內(nèi)徑 ,m;t 管中心距 ,m;NT 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。第2章工藝計算2.5.3 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

12、的 20%25%，取 25%，取則切去的圓缺高度為：h0.25700175mm（ 2-18 ）故可取 h 180mm取折流板間距 B0.3D ，則B 0.3 700210 (mm)（ 2-19 ）可取為 B=250mm。折流板數(shù) N BN B傳熱管長-16000（塊）（2-20 ）折流板間距-123250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）2.5.4 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。2.5.5 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)

13、水蒸氣流速為u14.42m/s ，則接管內(nèi)徑為4 V1417393）（0.219 ( )（2-21 ）D1360028.8mu14.42圓整后可取內(nèi)徑為D1 150mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u21m/s ，則接管內(nèi)徑為460000）4V 2（D23600709.70.173(m)u21圓整后取管內(nèi)徑為 D 2 =180mm。式中： D 接管內(nèi)徑， m ；u 流速， m/ s ；V 熱、冷流體質(zhì)量流量， kg/s 。2.6 換熱器核算2.6.1 熱流量核算2.6.1.1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 3-221o 0.360.553 ()0.14（2-2

14、2）1 RePrd ew當(dāng)量直徑，依式 紅書3-32b 計算：322e4(2 t4 do)（ 2-23）ddo將已知數(shù)據(jù)代入（2-23）得 ：第2章工藝計算322322e4(2 t4 do )4(20.03240.025 )0.020 ( m)ddo0.025式中de 當(dāng)量直徑， m ；t 管心距， m ；d0 管外徑， m 。殼程流通面積依 紅書式 3-25 計算So BD (1do)tSo BD (1d o0.0252) s2BD (1d2)（ 2-24 ）t)0.25 0.7 (10.032)0.038(mt式中B 折流板間距， m ；D 殼體內(nèi)徑， m ；t 管心距， m ；do 管徑

15、， m ；So 殼程流通面積， m2 。依據(jù)紅書計算步驟 ，殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為1739328.8)Vo(36004.415 （ m/s ）（2-25 ）u o So0.038deu0.02 4.41528.8113275.72（2-26 ）Re o22.45 10 6普朗特數(shù)Pr1.122黏度校正() 0.141殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1o 0.361 Re0.553 ( )0.14Prd e113276w1 682.5（ W/m 2）0.36 0.06060.551.122310.02式中u2 殼程流體流速， m / s ；2s2 殼程流通面積， m ；密度， kg / m3m 熱流體的質(zhì)

16、量流量， kg / h 。2.6.1.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積SidiN T0.02275 0.0236 (m2 )4n4管程流體流速ui1 （m/s ）雷諾數(shù)Reii di ui709.70.0261 166031.1i85.4910普朗特數(shù)Pr0.853按化工原理式i0.23iRe0.8 Pr 0.4得dii 0.23i Re0.8 Pr 0.4di0.230.5507166031.10.80.8530.4562.5 （ W/m 2 ）0.02式中： Re 雷諾數(shù)；de 當(dāng)量直徑， m ；ui 管程流體流速，m/ s ；i 密度， kg / m3 ；i 粘度， Pa.s 。（

17、 2-27 ）（2-28 ）（2-29 ）（ 2-30 ）第2章工藝計算Pr 普朗特數(shù)；cpi 定壓比熱容， kJ/ . ；i 粘度， Pa.s ；i 熱導(dǎo)率， W/m.。2.6.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻污垢熱阻和管壁熱阻可取1 ：化工原理附錄 20管外側(cè)污垢熱阻Ro0.8598104（ m2 /W）42管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ro0.859810（ m /W）管壁熱阻按 紅書 式計算， 查表 1可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為40W /(m.K ) ：Rwb（2-31）w將已知數(shù)據(jù)代入（ 2-31）得：b0.0022 10 4 ( m2 ? K / W)Rww40式中：Rw 管壁熱阻，b 傳熱管壁厚，w

18、 管壁熱導(dǎo)率，m2 .K / W ；m ；W/m.。2.6.1.4 傳熱系數(shù) K c按紅書 3-21 計算：因為i 值 更小，故按Ki 計算K C1（ 2-32 ）diR0 diRw di1o d0d0dmRii將已知數(shù)據(jù)代入（ 2-32）得：K C10.8598 10 4 0.022 1040.0210.024(0.0250.0250.020.8598 10)628.5562.5346.1W / m2 K2.6.1.5 傳熱面積裕度紅書 3-35Q1831666.672（ 2-33 ）ACK Ct m346.1 41.86126.42( m )該換熱器的實際換熱面積AAdo lNT3.14

19、0.025 6300 141.3 (m2 )（2-34）依紅書 式 3-36該換熱器的面積裕度為HAAC100%141.3 126.42100% 11.79%（2-35 ）AC126.42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)。2.6.2 壁溫核算2.6.2.1 溫差計算由于工作條件是高溫高壓，與四季氣溫相差特別大。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：T

20、 m ( 1Rc ) tm ( 1Rh)twch（2-36 ）11RcRhch液體的平均溫度按紅書 3-44和 3-45 式tm0.4t 2 0.6 t1第2章工藝計算計算有：0.4 330 0.6 310 318 （）（2-37 ）tmhcho682.6（W/2）mhhhi562.5（W/m2）代入 2-36 式 傳熱管平均壁溫T mtm357.5318Twhchh682.6562.5336.8（）（2-38 ）1111hchh682.6562.5式中：T1熱流體進口溫度，；T2 熱流體出口溫度，； tt殼體壁溫，可以近似取為殼程流體的平均溫度，即t=357.5 。傳熱管壁溫和殼體壁溫之差為

21、t 357.5 336.8 20.7 （）（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。2.6.2.2 管程流體阻力依式（ 2-29）pi ( p1p2 )N p Ft（ 2-36）其中 Np 4Ft 1.5式中 ：N p 管程數(shù)；pi 管程總阻力， Pa ；Ft 管程結(jié)垢校正系數(shù)，對252.5mm 的管子，取 1.5 ；pilu2（ 2-37）i d2i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0.020.00120查化工原理 圖 1-27莫狄 Re 圖得i0.021709.7 kg

22、 / m3 ， u 1m / s，將已知數(shù)據(jù)代入（ 2-37）得：pilu2i d2i6709.7120.02122235.5Pa0.02式中：i 摩擦系數(shù)；l 管長， m ；di 傳熱管內(nèi)徑，m ；3u 管內(nèi)流速， m / s ；pi 單程直管阻力，Pa 。局部阻力按式（ 2-37）計算，pru2（ 2-38）2將已知數(shù)據(jù)代入（ 2-31）得：pru23709.7121596.8Pa22式中：pr 局部阻力， Pa ；局部阻力系數(shù)；3第2章工藝計算u 管內(nèi)流速， m / s ；管程總阻力為：pt (2235.5 1596.8) 2 4 1.5 45987.6Pa（2-39 ）管程流體阻力在允

23、許范圍之內(nèi)。2.6.2.3 殼程阻力按式紅書 式 3-50 3-54 計算：po( p1p2 ) FsNs（ 2-40）其中N s1，F(xiàn)s1式中po 殼程總阻力， Pa ； p1 流體流過管束的阻力， Pa ； p2 流體流過折流板缺口的阻力， FNs 殼程數(shù)；Pa ；流體流經(jīng)管束的阻力按（2-41）計算p1Ff 0nc (N B 1)u02（ 2-41）2將已知數(shù)據(jù)代入（ 2-340）得：po0.5 0.352 19.05 ( 23 1)28.8 1021.11 105 Pa2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F0.5；f0 殼程流體的摩擦系數(shù)，f o5.0 Reo0.2285166031.10.2280.352 ；nC0.50.5；nc 橫過管束中心線的管子數(shù)1.1NT 1.130019.05NB 折流擋板數(shù) N B 23 ；熱流體密度， kg / m3 ；u0 按殼程流通面積計算的流速u o4.415m / s ；流體通過折流板缺口的阻力依式（ 2-34