列管式換熱器工藝設(shè)計ppt課件

1、第二章第二章 列管式換熱器工藝設(shè)計列管式換熱器工藝設(shè)計 第一節(jié) 概述目錄第二節(jié) 無相變換熱器工藝設(shè)計一、列管式換熱器的運用二、列管式換熱器設(shè)計簡介第一節(jié) 概述 一、列管式換熱器的運用 換熱器是化學(xué),石油化學(xué)及石油煉制工業(yè)以及其他一些行業(yè)中廣泛運用的熱量交換設(shè)備。 它不僅可以單獨作為加熱器，冷卻器運用 而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備。 因此在化工消費中占有重要的位置。 換熱器定義：使熱量從熱流體傳送到冷流體或反之的設(shè)備稱為換熱器。1、主要作用 1使熱量從溫度較高的流體傳送給溫度較低的流體或反之，使流體溫度到達工藝流程規(guī)定的目的 2回收余熱、廢熱，提高熱能總利用率2、換熱器分類及特點 由于工

2、藝消費中所用換熱器的目的和要求各不一樣，換熱設(shè)備的類型也多種多樣。 工業(yè)上所用的換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。按作用原理或傳熱方式分 直接接觸式傳熱效率高、傳熱面積大、構(gòu)造簡單、價錢廉價，僅適用于工藝允許兩種流體混合的場所 蓄熱式換熱器構(gòu)造緊湊、價錢廉價、傳熱面大、適宜于氣氣交換，適宜于允許有少量流體混合的場所間壁式換熱器的類型也是多種多樣，從其構(gòu)造上大致可分為: 管式換熱器主要包括：蛇管，套管、熱管換熱器、列管式換熱器; 板式換熱器主要包括：板式，螺旋板式 、板殼式換熱器 其它方式的換熱器：夾套式、翅片式等3、各種換熱器的優(yōu)缺陷 不同的換熱器各有本人的優(yōu)缺陷和適用條件，普通來說板式換熱器傳熱面

3、積較大，設(shè)備 緊湊，材耗低，傳熱系數(shù)大，熱損失小。 但承壓才干較低，任務(wù)介質(zhì)的處置量較小且制造加工較復(fù)雜，本錢較高。管式換熱器: 具有構(gòu)造簡單，加工制造比較容易，結(jié)構(gòu)鞏固，性能可靠，適用面廣等突出優(yōu)點， 因此被廣泛用于化工消費中。列管式換熱器: 在化工消費中運用最為廣泛，設(shè)計資料和數(shù)據(jù)較為完好，技術(shù)上比較成熟。 列管式換熱器的設(shè)計、制造、檢驗與驗收 必需遵照中華人民共和國國家規(guī)范鋼制管殼式(即列管式)換熱器(GB151)執(zhí)行. 二、列管式換熱器設(shè)計簡介換熱器的公稱直徑做如下規(guī)定: 卷制圓筒，以圓筒內(nèi)徑作為公稱直徑，mm； 鋼控制圓筒，以鋼管外徑作為公稱直徑，mm； 換熱器的傳熱面積：是以傳熱管

4、外徑為基準，計算所得到的管束外外表積的總和，m2。 公稱傳熱面積，指經(jīng)圓整后的計算傳熱面積。換熱器的公稱長度： 以傳熱管長度m作為換熱器的公稱長度。為直管時，取直管 長度；傳熱管為U型管時，取U型管的直管段長度。 該規(guī)范還將列管式換熱器的主要組成部 件為：前端，管箱、殼體和后端構(gòu)造包括管束)四部分， 詳細分類及代號 列管式換熱器型號的表示方法如下： 列管式換熱器的工藝設(shè)計包括以下內(nèi)容： (1)根據(jù)消費義務(wù)和要求確定設(shè)計方案； (2)初步確定換熱器構(gòu)造和尺寸； (3)核算換熱器的傳熱才干及流體阻力； (4)確定換熱器的工藝構(gòu)造。一、設(shè)計方案選擇二、工藝構(gòu)造設(shè)計三、換熱器核算第二節(jié) 無相變換熱器工

5、藝設(shè)計 設(shè)計方案的是： 到達工藝要求的熱流量 操作上要平安可靠 構(gòu)造上要簡單 可維護性要好 盡能夠節(jié)省操作費用和設(shè)備投資 一、設(shè)計方案選擇 設(shè)計方案主要包括如下幾個問題： 一選擇換熱器的類型 二流程安排的普通原那么 三加熱劑或冷卻劑的選擇 四流體進出口溫度確實定 (一) 選擇換熱器的類型 1 、固定管板式 動畫固定管板式換熱器 適用于殼體流程清潔，不易結(jié)垢或管外側(cè)污垢能用化學(xué)方法除掉的場所 同時要求殼體壁溫與管子壁溫差不大(50) 當(dāng)超越此應(yīng)加溫度補償安裝，通常是加一膨脹節(jié) 這種安裝只能用在管壁與殼體壁溫差低于6070及殼程壓力不高的場所。 2、浮頭式換熱器 主要特點： 優(yōu)點：管束可以從殼體中

6、抽出，便于清洗管間和管內(nèi),管束可在殼體內(nèi)自在伸縮，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力 缺陷：構(gòu)造較復(fù)雜，造價高，制造安裝要求高。 適用于殼程流體易結(jié)垢，或殼體壁溫 與管壁溫之差較大的場所，但要求管程流體較清潔，不易結(jié)垢。3、U型管式換熱器 4 4 、填料函式換熱器、填料函式換熱器 優(yōu)點：具有浮頭換熱器的優(yōu)點，抑制了優(yōu)點：具有浮頭換熱器的優(yōu)點，抑制了固定管板式換熱器的缺陷固定管板式換熱器的缺陷 構(gòu)造比浮式簡單，制造方便，易于檢修構(gòu)造比浮式簡單，制造方便，易于檢修清洗清洗 常用于一些腐蝕嚴重，經(jīng)常改換管束的常用于一些腐蝕嚴重，經(jīng)常改換管束的場所。場所。 缺陷： 密封性能差，故殼程中不宜處置易燃，易爆或有毒的流體 同時

7、要求殼程流體的壓力不宜過高二流程安排的普通原那么： 1、易結(jié)垢流體應(yīng)走易于清洗的一側(cè)。 2、在設(shè)計上需求提高流體的速度時,應(yīng)將需求提高流速的 流體放在管程。 3、具有腐蝕性的流體應(yīng)走管程。 4、耐高壓的流體應(yīng)走管程。 5、具有飽和蒸汽冷凝的換熱器，飽和蒸汽應(yīng)走殼程 6、粘度大的流體走殼程高三加熱劑或冷卻劑的選擇 普通情況下 能否選用加熱劑或冷卻劑的流體應(yīng)根據(jù)實踐情況確定 特殊情況下 需求設(shè)計者自行選擇。四流體進出口溫度確實定 工藝流體的進出口溫度是工藝條件所定的 加熱劑或冷卻劑的進口溫度也是由此確定 但其出口溫度有時可由設(shè)計者選定 該溫度直接影響加熱劑或冷卻劑的用量以及換熱器的大小，因此這個溫

8、度確實定有一個經(jīng)濟上的優(yōu)化問題。一估算傳熱面積 1、傳熱器的傳熱量 換熱器的熱流量是指在確定的物流進口條件下，使其到達規(guī)定的出口形狀冷熱流體間所交換的熱量，或是經(jīng)過冷熱流體的間壁所傳送的熱量。 二、工藝構(gòu)造設(shè)計 在忽略熱損失的條件下，對于無相變的工藝物流，換熱器的熱流量由下式確定 Q1= m1Cp1t1 (3-1) 式中 Q1熱流量，W； m1 工藝流體的質(zhì)量流量，kg/s； Cp1工藝流體的定壓比熱容kJ/(kg.k) t1工藝流體的溫度變化，K 對于有相變化的單組分飽和蒸汽冷凝過程那么依冷凝量和冷凝蒸汽的冷凝熱確定 Q1=D1r1 (3-2) 式中 D1 蒸汽冷凝質(zhì)量流量，kg/s； r1

9、 飽和蒸汽的冷凝熱，kJ/kg.2、加熱劑或冷卻劑用量 加熱劑或冷卻劑用量取決于工藝流體所需的熱量及加熱劑和冷卻劑的出口溫度 此外還和設(shè)備的熱損失有關(guān) 對于工藝流體被加熱的情況，加熱劑所放出的熱量等于工藝流體所吸收的熱量與損失的熱量之和，即即 Q2=Q1+Q3 (3-3) 式中 Q1工藝流體所吸收的熱量，w； Q2加熱劑所放出的熱量，w； Q3損失的熱流量，w假設(shè)以水蒸氣作為加熱介質(zhì)，那么水蒸氣的用量可用下式確定 W=Q2/rw 式中 W水蒸氣的流量，kg/s； rW 水蒸氣冷凝熱,kJ/kg 假設(shè)以無相變流體作為加熱劑，那么用量如下 m2=Q2/Cp2t2 3-4 式中 m2加熱劑質(zhì)量流量，

10、kg/s； Cp2加熱劑定壓比熱容，kJ/(kg.k)； t2 加熱劑的出口溫度變化，k。 對于工藝流體被冷卻的情況，工藝流體 所放出的熱量等于冷卻劑所吸收的熱量與損失之和 在實踐設(shè)計中，常忽略熱損失，計算冷卻水用量公式 m3= Q1/Cp3t3 3-5 m3= Q1/Cp3t3 3-5 式中 m3冷卻劑質(zhì)量流量，kg/s Cp3冷卻劑比壓熱容，kJ/(kgk) t3冷卻劑進出口溫度的變化，k 關(guān)于換熱設(shè)備熱損失的計算可參考有關(guān)文獻進展計算，普通近似取換熱器熱流量的3%5% 3、平均傳熱溫差 平均傳熱溫差是換熱器的傳熱推進力 對于列管式換熱器，常見的流型有三種： 并流、逆流和折流 對于并流和逆

11、流，平均傳熱溫差均可用換熱 器兩端流體溫度的對數(shù)平均溫差表示， tm= (t1- t2)/ln (t1/ t2) 式中 tm逆流或并流的平均傳熱溫差，k；t1 ，t2可按圖3-6所示進展計算 折流情況下的平均傳熱溫差可先按逆流情況計算，然后加以校正，即 tm=t tm逆 式中 tm折流情況下的平均傳熱溫差,k t溫差校正系數(shù)4、估算傳熱面積 Ap=Q/Ktm 式中 Ap估算的傳熱面積，m2； K假設(shè)的傳熱系數(shù)，w/(m2.k)； tm平均傳熱溫差，k二選擇管徑和管內(nèi)流速 目前國內(nèi)常用的換熱管規(guī)格和尺寸偏向 見表3-2。 管徑選擇根本原那么： 假設(shè)選擇較小的管徑，管內(nèi)外表傳熱系數(shù)可以提高，而且對

12、于同樣的傳熱面積來說可減少殼體直徑。 但管徑小，流動阻力大，機械清洗困難，設(shè)計時可根據(jù)詳細情況用適宜 的管徑。三選擇管長、確定管程數(shù)和總管數(shù)、換熱器的單程管子數(shù)： 3-9 式中 ns單程管子數(shù)目； v管程流體的體積流量，m3/s； di傳熱管內(nèi)徑，m； u管內(nèi)流體流速，m/s。 udVnis24可求得按單程換熱器計算所得的管子長度： L=Ap/ns d0 (3-10) 式中 L按單程管子計算的管子的長度，m d0管子外徑，m 假設(shè)按單程計算的管子太長，那么應(yīng)采用多管程此時應(yīng)按實踐情況選擇每程管子的長度。 確定了每程管子長度之后，可求得管程數(shù) (3-11) 式中 L按單程換熱器計算的管子長度m；

13、 l選取的每程管子長度，m； Np管程數(shù)必需取整數(shù)lLNP 換熱器的總傳熱管數(shù)為 NT=Npns (3-12) 式中 NT換熱器的總管數(shù)。 四平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 假設(shè)選用多管程換熱器，可提高管內(nèi)外表傳熱系數(shù)，但同時也添加了換熱器的阻力，并損失部分傳熱溫差 這種情況下的平均傳熱溫差由式3-7計算。其中： 3-13a) (3-13b)式中 T1 、T2 熱流體進出口溫度, t1、t2 冷流體進出口溫度，1221ttTTR冷流體的溫升熱流體的溫降1112tTttP兩流體最初溫差冷流體的溫升 五管子陳列 傳熱管在管板上的陳列有三種根本方式： 正三角形、正四邊形和同心圓陳列。如圖， 六管心距 管板

14、上兩傳熱管中心間隔稱為管心距。 普通情況下，隔板中心到離其最近一排管中心的間隔用下式計算 于是可求各程相鄰管子的管心距為2s。 七管束的分程方法 管束的分程方法常采用平行和T形方式 其前后管箱中隔板方式和介質(zhì)的流照射序如下圖八殼體內(nèi)徑 換熱器殼體內(nèi)徑取決于傳熱管數(shù)、管心距和傳熱管的陳列方式。對于單管程換熱器殼體內(nèi)徑由下式確定 D=t(b-1)+(23)d0 式中 t 管心距， mm； d0傳熱管外徑，mm。 九折流板和支撐板 折流板有橫向折流板和縱向折流板兩類。 橫向折流板同時兼有支撐傳熱管，防止產(chǎn)生震動的作用。 常用的方式有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板。 弓形折流板構(gòu)造簡單，性能優(yōu)良，在實

15、踐中最常用。 折流板間距，在阻力允許的條件下盡能夠 小。 臥式換熱器弓形折流板的圓缺面可以程度或垂直裝配，如圖3-15和圖3-16 程度裝配，可呵斥流體的劇烈擾動，傳熱效果好。十其他主要附件 1、旁路擋板 假設(shè)殼體和管束之間的環(huán)隙過大，流體會經(jīng)過、環(huán)隙短路，這時應(yīng)設(shè)旁路擋板。 2、防沖擋板 為防止殼程進口處流體直接沖擊換熱管， 產(chǎn)生沖蝕，在殼程物料進口處設(shè)置防沖擋板十一接納 管程流體進出口接納不宜采用軸向管 如必需采用軸向接納時，應(yīng)思索設(shè)置管程防 沖擋板，以防止流體分布不均或?qū)芏说那治g。 換熱器的核算主要包括換熱器的熱流量， 傳熱管壁溫暖流體阻力一熱流量核算 核算目的：檢驗所設(shè)計的換熱器能否

16、到達 所規(guī)定的熱流量，并留有一定傳熱面積余度。 列管式換熱器傳熱面積以傳熱管外外表為準三、換熱器核算 式中 K 傳熱系數(shù)，W/m2K； a0 殼程外表傳熱系W/m2K； R0殼程污垢熱阻，m2K/W； Rw管壁熱阻， m2K/W； Ri 管程污垢熱阻， m2K/W； D0傳熱管外徑，m； Di傳熱管內(nèi)徑，m； Dm傳熱管平均直徑，m； Ai管程外表傳熱系數(shù)，W/m2.K。 0000011aRddRddRdadKmwiiii3-21規(guī)定:式中 t管間距，m d0 傳熱管外徑， m 雷諾數(shù)：Re0=deu0/, 0=V0/S0 式中 V0 殼程流體的體積流量，m3/s S=BD(1-d0/t) B

17、 折流板間距，m d0 管子外徑， m t 管子間距，m 式3-22適用條件是Re=2(103106),弓形折流板圓缺高度為直徑的1/4 假設(shè)圓缺高度為其它值時，用殼程外表系數(shù)表求出傳熱因子jH,并用下式求出外表系數(shù) a0= jH/de(pr)1/3(/w)0.142殼程為飽和蒸汽冷凝 程度管束冷凝a*=a0(g3)1/3 式中 a*無量綱冷凝外表傳熱系數(shù) a0冷凝外表傳熱系數(shù)，W/m2.K Re=4M/,M=m/lns 式中 m冷凝液質(zhì)量流量，kg/s L傳熱管長度，m ns當(dāng)量管束，m3、污垢熱阻和管壁熱阻 管壁熱阻取決于傳熱管壁厚度和資料，其值為RW=b/w 式中 b傳熱管壁厚，m w管

18、壁熱導(dǎo)率，m.K/W 常用金屬熱導(dǎo)率見下表4、換熱器面積裕度 在規(guī)定熱流量下，計算了傳熱系數(shù)Kc和平均傳熱溫差后，那么與Kc對應(yīng)的計算傳熱面積為Ac=Q1/Kctm 根據(jù)Ac，Ap可求出該換熱器的面積裕度H=Ap-Ac/Ac 式中 H換熱器面積裕度 Ap實踐傳熱面積，m2 Ac計算傳熱面積，m2二傳熱管和殼體壁溫核算 對于穩(wěn)定的傳熱過程，假設(shè)忽略污垢熱阻，那么有 式中 Q換熱器熱流量, Tm熱流體平均溫度， Tw熱流體管壁溫度， tm冷流體平均溫度， tw冷流體管壁溫度， h 熱流體側(cè)的外表傳熱系數(shù)，m2.KQ=hAh(Tm-Tw)=cAc(tw-tm) ac冷流體側(cè)的外表傳熱膜系數(shù)，m2.K Ah熱流體側(cè)的傳熱面積，m2 Ac冷流體側(cè)的傳熱面積，m2 因此有 思索污垢熱阻影響ccmWhh