換熱器計(jì)算步驟0001

1、第2章 工藝計(jì)算設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)表21名稱設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度介質(zhì)流量容器類別設(shè)計(jì)規(guī)范單位Mpa/Kg/h/殼側(cè)7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管側(cè)28310/330水60000GB150管殼式換熱器傳熱設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)入的空間（4）計(jì)算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（5）計(jì)算有效平均溫度差，一般先按逆流計(jì)算，然后再校核（6）選取管徑和管內(nèi)流速（7）計(jì)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)

2、，以計(jì)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(shí)際傳熱面積為計(jì)算傳熱面積 值的1.151.25倍（9）選取管長 l0（10）計(jì)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(jì)算流體流動阻力。若阻力超過允許值，則需調(diào)整設(shè)計(jì)。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=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，故殼程不存在相變。對于殼程不存在相變，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的

3、平均值。其殼程混合氣體 的平均溫度為：t= 420 + 295 = 357.5 2（2-1）管程流體的定性溫度：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320下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：【參考 物性數(shù)據(jù) 無機(jī) 表1.10.1】表22密度P i =709.7kg/m3定壓比熱容cpi=5.495kJ/kg.K熱導(dǎo)率入 i=0.5507W/m. 粘度口 i=85.49口 Pa.s普朗特?cái)?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】密度P =28.8kg/m3定壓比熱容c =3.033kJ/kg.K熱導(dǎo)率入=0.0606W/m. 粘度口 =22.4

4、5口 Pa.s普朗特?cái)?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(jì)算：Q = Wc At【化原 4-31a】(2-2)將已知數(shù)據(jù)代入(2-1)得：Q = WC At =60000X5.495X 103 (330-310)/3600=1831666.67W1 p11式中：w 1 工藝流體的流量，kg/h；C工藝流體的定壓比熱容，kJ/kg.K； p1A ti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(jì)算：AtmAt - At121A tIn1A t2(2-3)按逆流計(jì)算將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得：AtmAt -At(4

5、20-330)-(310-295)(420 - 330)ln(310 - 295)=41.86 式中：A）逆流的對數(shù)平均溫差，。； A 1熱流體進(jìn)出口溫差，。； A12冷流體進(jìn)出口溫差，； 可按圖2-1中（b）所示進(jìn)行計(jì)算。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:（化工原理式4-43）（2-4）S 二-Q-KA tm將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得：S = -Q-1831666.67 = 109.39 m2KAt 400 * 41.86式中：S 估算的傳熱面積，m2 ；K 假設(shè)傳熱系數(shù)，W/m2. ；A tm 平均傳熱溫差，?？紤]的面積裕

6、度，則所需傳熱面積為:S= S x 1.15 = 112.88 X1.15 = 125.8m2（2-5）2.4.4熱流體用量根據(jù)公式（2-4）計(jì)算：由化工原理熱平衡公式將已知數(shù)據(jù)代入（2-4）得：W-2Cp2At21831666.673.033 義(420 295)- 17392.68kg/h（2-6）式中Q 熱流量，W；C 定壓比熱容，kJ/kg.； p2A12 熱流體的溫差，。；W 熱流體的質(zhì)量流量，kg/h。 22.5 工藝尺寸管數(shù)和管長.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x厚度/ (mmx mm)外徑偏差 /mm壁厚偏差碳鋼GB816325 x 2.5

7、土 0.20+ 12% 10%根據(jù) 紅書 表3-4取管內(nèi)流速u i -1 m / s.管程數(shù)和傳熱管數(shù)q依紅書3-9式n -一 ,可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)1 d 2 u4n-sq -d 2 u4 i i16.677097 - 74.8 氏 75 (根) 兀-x0.022 x14(2-7)q式中V管程體積流量，m3sn 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；。按單管程計(jì)算,依紅書3-10,所需的傳熱管長度為(2-8)t A 125.8 Qi 4 )L =-p = 21.3 mj兀 d n 兀 x 0.025 x 75os式中L-按單程管計(jì)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(jì)，傳熱管過長，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長l = 6 m，則該換熱器的管程數(shù)為N = = 2L3 _ 3.56 a 4 （管程）（2-9）pl 6傳熱管總根數(shù)N = n xN = 75x4 = 300 （根）（2-10）式中， d0管子外徑，m ；N傳熱管總根數(shù)，根；Td0 管子外徑，m ；3.換熱器的實(shí)際傳熱面積，依據(jù)紅書3-12，A =兀d lNT = 3.14x0.025x6x300 = 141.3 m2（2-11）式中 NT-換熱器的總傳熱管數(shù)；工，A:-換熱器的實(shí)際傳熱面積。2.5.2平均傳

9、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(jìn)出口溫 度有關(guān)，其中按紅書3-13a 3-13b(2-12)熱流體的溫差冷流體的溫差冷流體的溫差t -t、 一、-=-2 1 兩流體最初溫差T-t(2-13)11將已知數(shù)據(jù)代入（2-12）和（2-13）得：3304 二 0.7521t -t _J3J330 - 310 二 0.22T - t 420 - 31011按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，紅書圖3-7，查得校正系數(shù)1：y度8().=整數(shù)溫差校正系數(shù)圖圖2-20. 40. 50. & 0. 700. 10,2=0.96 ；A t平均傳熱溫差按式（2-9）計(jì)算：A t

10、m 4AA t塑（2-14）將已知數(shù)據(jù)代入（2-9）得：La At塑=0.96 x 41.86 = 40.2 C式中：A(平均傳熱溫差，。；8A t1n校正系數(shù)；A t塑一一未經(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(shí)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(jì) 3-14 選取取管心距：t = 1.28 d 0(2-15)則管心距：t = 1.28 * do = 1.28 義 25 = 32mm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t32s = + 6 = + 6

11、 = 22 mm22(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2-4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(jì)算。正三角形排列，4管程，取管板利用率為 叩=0.60.8,取叩=0.7,則殼體內(nèi)徑為D = 1.05tN T = 1.05*32義，:300八；=695.5 (mm).(2-17)， .F二 0.77式中：DtNT一殼體內(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(jìn)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

12、速，加 強(qiáng)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：h = 0.25 x 700 = 175 mm(2-18)故可取h = 180mm取折流板間距B = 0.3D，則(2-19)B = 0.3 x 700 = 210( mm)可取為B=250mm。折流板數(shù)N B傳熱管長B二折流板間距-1 =篝- I= 23(塊)(2-20)折流板圓缺面水平裝配。 化工設(shè)計(jì)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(jì)表4-7表4-8該換熱器殼

13、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(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水蒸氣流速為u 1二4小尾則接管內(nèi)徑為D =:王=、：4-17393(3600-28.8)= 0.219 (附1 冗 U _ 兀 x 4.42圓整后可取內(nèi)徑為D1= 150mm。（2-21）管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u之二1mA，則接管內(nèi)徑為,4V 1D = 12 =D2 兀 U I 2圓整后取管內(nèi)徑為D2=180mm。,14-60000(3600 x 709.7)= 0.173(m)1兀x1式中：D接管內(nèi)徑，m ；u流速，m / s ；V 熱、冷流體質(zhì)量流量，

14、kg/s。2.6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(jì)算，見式 紅書3-22a = 0.36 1Re0.55Pr13(二產(chǎn)14o de w（2-22）當(dāng)量直徑，依式紅書3-32b計(jì)算:4(1! 12三 d 2) d=2。e兀d（2-23）將已知數(shù)據(jù)代入（2-23）得 ：4C312巴d ._24_ e 兀d o2)4(23 x 0.0322-lx 0.0252)o _24兀 x 0.025=0.020 (m)式中 d 當(dāng)量直徑，m ； t管心距，m ；d 管外徑，m。殼程流通面積依紅書式3-25計(jì)算S = BD （1 - 4）otd = BD (1 - -) = 0.25

15、 x 0,7 x (1 -0025) = 0.038(m2) s = BD(1 0.0322（2-24）式中B 一折流板間距，m ；D 殼體內(nèi)徑，m ；t 一管心距，m ；d 一管徑，m ；So 殼程流通面積，m 2。依據(jù)紅書計(jì)算步驟，殼程流體流速及其雷諾數(shù) 分別為17393(3600 x 28.8)二 4.415 (m/s)0.038Reod up 0.02x 4.415 x 28.8-e=口22.45 x10-6=113275.72（2-25）（2-26）普朗特?cái)?shù)P = 1.122黏度校正( )0.14 仁 1%殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)入 0.5513 n、o.i4a = 0.36tRc Pr (

16、)odnew=0.36x 0.0606 x 1132760.551.12213 x 1 = 682.5 (W/m2 .) 0.02式中u2 殼程流體流速，s 殼程流通面積，2P 密度，kg / m3m/s；m2m 一熱流體的質(zhì)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(2-27)兀 N兀S =-xd x T = -x0.022x75 = 0.0236(m2)(2-28)i4in4管程流體流速u i = 1 (m/s)P du 709.7x0.02x1雷諾數(shù)R e = -= 166031.1(2-29)i 從85.49 x 10-6i普朗特?cái)?shù)Pr = 0.853按化

17、工原理式 a = 0.23 7 Re0.8 Pr0.4得ia i = 0.23 1 Re0.8 Pr0.4d i(2-30)=0.23 x 0.5507 x 166031.10.8 x 0.8530.4 = 562.5 ( W/m2 )0.02-管程流體流速，m / %-密度，kg / m3 ； 粘度，Pa.s。式中：Re de ui Pi4-雷諾數(shù)；當(dāng)量直徑，PrcpiN/入i-普朗特?cái)?shù)；一定壓比熱容，kJ/kg.；一粘度，Pa.s；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)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻R = 0.8598x10-4 ( m

18、2 /W) oR = 0.8598x10-4 ( m2 /W)管壁熱阻按紅書 式計(jì)算，查表1可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為40W /（m.K）：（2-31）將已知數(shù)據(jù)代入 （2-31）得：b bR =w九w0.00240 = 2 x10-4 (m2 K / W)式中：Rw 管壁熱阻，m2K/W ;b 傳熱管壁厚，管壁熱導(dǎo)率，W/m.。2.6.1.4傳熱系數(shù)Kc按紅書3-21計(jì)算：因?yàn)?i值更小，故按Ki計(jì)算(2-32)1d-Rd R d 口 1oir+3+d + i十二o00mi將已知數(shù)據(jù)代入（2-32）得：C0.02628.5 x 0.025 +0，10-4 x 竺2+2，10 -4 x。02

19、+0.8598 xio . 4 +0.0250.022.6.1.5傳熱面積裕度 紅書3-35Q1831666.67A =。上, = 126.42( m 2)c K A t346.1x 41.86（2-33）該換熱器的實(shí)際換熱面積AA 二兀 d lN = 3.14x0.025x6x300 = 141.3（m2） 依紅書式3-36該換熱器的面積裕度為（2-34）A - AH =ACC x 100% = 141.3 126.42 x 100% = 11.79%126.42（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)。2.6.2壁溫核算2.6.2.1 溫差計(jì)算由于工作條件是高溫高壓與四季

20、氣溫相差特別大。因此進(jìn)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(shí)，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁壁溫差可能很大。計(jì)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(jì)算傳熱管壁溫。由紅書3-42式計(jì)算：（2-36）Tm (CT + R ) + tm (CT + Rtw-rczz hhzL R+L Rch液體的平均溫度 按紅書 3-44和3-45式t = 0.41 + 0.61計(jì)算有：（2-37）t = 0.4x330 + 0.6x310 = 318 ()h = h = 682.6 (W/m2 ) h = h =

21、562.5 (W/ m 2 ) hi代入2-36式 傳熱管平均壁溫T hl + thl 357.5+ 318682.6 +562.51+ 1682.6 + 562.5=336.8 ()(2-38)式中：T1熱流體進(jìn)口溫度，;T2 熱流體出口溫度，； ti冷流體進(jìn)口溫度，;t2 冷流體出口溫度，。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At = 357.5-336.8 = 20.7（）（2-39）該溫差較大，需設(shè)溫度補(bǔ)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）Ap.

22、= （Ap 1 +Ap2）N F（2-36）其中 Np = 4Ft = 1.5式中：N p 管程數(shù)；Ap 管程總阻力，Pa ；F 管程結(jié)垢校正系數(shù)，對巾25義2.5mm的管子，取1.5； t八 l_吐（2-37）i i d 2由Re=166031查化原表1-2傳熱管絕對對粗糙度匕=0.02傳熱管相對對粗糙度 竺2 = 0 00120.查化工原理圖1-27莫狄入一Re圖得九 i = 0.021P= 709.7 kg/m3 ，u = 1 m/s，將已知數(shù)據(jù)代入（2-37）得:l P U 2Ap = K di0.02=0.021 義-6-義 709,義12 = 2235.5Pa式中： Ki 摩擦系數(shù)

23、；I 管長，m ；d傳熱管內(nèi)徑，m ；P 冷流體密度，kg/ m3 ； u管內(nèi)流速，m/s ；Api單程直管阻力，pa。局部阻力按式（2-37）計(jì)算，Pu2（2-38）將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得：Pu2c 709.7 X12=3 x2= 1596.8Pa式中：Apr局部阻力，Pa ；自一一局部阻力系數(shù)；P 冷流體密度，kg / m3 ；u管內(nèi)流速，m / s ；管程總阻力為：Ap = (2235.5 +1596.8)義 2 義 4 * 1.5 = 45987.6P a(2-39)管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2.6.2.3殼程阻力按式紅書式 3-50 3-54計(jì)算：Ap = (Ap +Ap)

24、FN(2-40)o12 ss其中 N = 1, F = 1式中 Ap 殼程總阻力，Pa ;Ap流體流過管束的阻力，Pa；1Ap流體流過折流板缺口的阻力，pa；2Fs 殼程結(jié)垢校正系數(shù)；Ns 殼程數(shù)；(2-41)流體流經(jīng)管束的阻力按(2-41)計(jì)算Ap = Ffn (N10c B將已知數(shù)據(jù)代入(2-340)得：28.8 義 102A p = 0.5 * 0.352 X19.05 *(23 +1)義=1.11 義 105 Pao2式中 Ap，一一流體流過管束的阻力，Pa ； 1F 管子排列方式為正三角形，所以F = 0.5 ；f0殼程流體的摩擦系數(shù)，f = 5.0Re-0.228 = 5x 166031.1-0.228 = 0.352 ；n橫過管束中心線的管子數(shù)n = 1.1N0.5 = 1.1x3000.5 = 19.05 ；cCTNB折流擋板數(shù)NB = 23 ；P 熱流體密度，kg / m3 ；u 按殼程流通面積計(jì)算的流