化工原理課程設(shè)計(jì)-列管式換熱器講解課件

1、化工原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器1、換熱器類型的選擇2、流動(dòng)空間的選擇3、流速的確定4、流動(dòng)方式的選擇 5、流體出口溫度的確定 一、設(shè)計(jì)方案的確定二、列管式換熱器的結(jié)構(gòu)三、列管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算固定管板式換熱器固定管板式換熱器管束連接在管板上，管板與殼體焊接。1、換熱器類型的選擇優(yōu)點(diǎn)：1）傳熱面積比浮頭式換熱器大20%-30%；2）旁路漏流較水；3）鍛件使用較少；4）沒有內(nèi)漏。缺點(diǎn)：1）不適用于換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差很大的場合，管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞；（為了減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件如：設(shè)置膨脹節(jié)來吸收熱膨脹差）2）殼程無法機(jī)械清洗，不適用于殼程結(jié)垢的場合；

2、3）管子腐蝕后造成連同殼體報(bào)廢，殼體部件壽命決定于管子壽命，故設(shè)備壽命相對較低。適用的場合：1）管殼程金屬溫差不是很大的場合；2）殼程流體清潔，無需經(jīng)常抽出管束清洗的場合。浮頭式換熱器兩端管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動(dòng)，稱為浮頭。浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會(huì)主生熱應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn)：1)管束可以抽出，以方便清洗管程、殼程；2)殼程壁與管壁不受溫差限制；3)可在高溫、高壓下工作，一般溫度T450，P 6.4MPa;4)可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合;5)可用于管程腐蝕場合.缺點(diǎn):1)浮頭端易發(fā)生內(nèi)漏；2)金屬材料耗

3、量大，成本高20%；3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。可用的場合：1）管殼程金屬溫差很大場合；2）殼程介質(zhì)易結(jié)垢要求經(jīng)常清洗的場合；U形管式換熱器U形換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖。這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與U形換熱管有溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn)：）管束可抽出來機(jī)械清洗；）殼體與管壁不受溫差限制；）可在高溫、高壓下工作，一般適用于T500，P 10MPa;4)可用于殼程結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合;5)可用于管程易腐蝕場合.缺點(diǎn):1)在管子的U型處易沖蝕，應(yīng)控制管內(nèi)流速;2)管程不適用于結(jié)垢較重的場合;可用的場合:1)管程走清潔流體;2)管程壓

4、力特別高;3)管殼程金屬溫差很大,固定管板換熱器連設(shè)置膨脹節(jié)都無法滿足要求的場合.2、流動(dòng)空間的選擇3、流速的確定4、流動(dòng)方式的選擇 除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動(dòng)。當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動(dòng)力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。 5、流體出口溫度的確定 若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，則不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中一流體僅已知進(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來確定。例如用冷水冷卻一熱流體，冷水

5、的進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件作出估計(jì)，而其出口溫度則可根據(jù)經(jīng)濟(jì)核算來確定：為了節(jié)省冷水量，可使出口溫度提高一些，但是傳熱面積就需要增加；為了減小傳熱面積，則需要增加冷水量。兩者是相互矛盾的。一般來說，水源豐富的地區(qū)選用較小的溫差，缺水地區(qū)選用較大的溫差。不過，工業(yè)冷卻用水的出口溫度一般不宜高于45，因?yàn)楣I(yè)用水中所含的部分鹽類（如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4等）的溶解度隨溫度升高而減小，如出口溫度過高，鹽類析出，將形成傳熱性能很差的污垢，而使傳熱過程惡化。如果是用加熱介質(zhì)加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質(zhì)的出口溫度。二、列管式換熱器的結(jié)構(gòu)1、管程結(jié)構(gòu)換熱管規(guī)格和排列的

6、選擇 換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些。但對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過多。目前我國試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用 和 兩種規(guī)格。 按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管子長度。實(shí)際所取管長應(yīng)根據(jù)出廠的鋼管長度合理截用。我國生產(chǎn)系列標(biāo)準(zhǔn)中管長有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時(shí)，管子的長度又應(yīng)與管徑相適應(yīng)，一般管長與管徑之比，即L/D約為46 管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍

7、動(dòng)程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對易結(jié)垢流體更為適用。 管板 固定管板式換熱器的兩端管板采用焊接方法與殼體連接固定。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來 。封頭和管箱封頭 用于直徑小的殼體。管箱 用于直徑大的殼體，也叫分配室。用以分配液體和起封頭的作用。壓力較低時(shí)可采用平蓋，壓力較高時(shí)則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。檢修時(shí)可拆下管箱對管子進(jìn)行清洗或更換。2、殼程結(jié)構(gòu) 換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確定殼體的內(nèi)徑。單管程殼

8、體 （管心距一般是管外徑的1.25倍）多管程折流擋板 安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束，使湍動(dòng)程度大為增加。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤形兩種，前者更為常用。切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的1040，一般取25，過高或過低都不利于傳熱 。圓缺形 .圓盤形 兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.21)倍。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。 我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有100mm

9、，150mm，200mm，300mm，450mm，600mm，700mm七種浮頭式有100mm，150mm，200mm，250mm，300mm，350mm，450mm（或480mm），600mm八種。 接管尺寸換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算Vs-流體的體積流量，m3/s；u -接管中流體的流速，m/s。 流速u的經(jīng)驗(yàn)值為:對液體：u=1.52 m/s；對蒸汽：u=2050 m/s；對氣體：u=(1520)p/；式中p為壓強(qiáng)，單位為atm ；為氣體密度，單位為kg/m3傳熱計(jì)算 給定的條件(1)熱流體的入口溫度T1、出口溫度T2；(2)冷流體的入口溫度t1 、出口溫度t2； 熱平衡方程

10、式是反映換熱器內(nèi)冷流體的吸熱量與熱流體的放熱量之間的關(guān)系式。由于換熱器的熱散失系數(shù)通常接近1，計(jì)算時(shí)不計(jì)算散熱損失，則冷流體吸收熱量與熱流體放出熱量相等 。三、列管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算1、傳熱系數(shù)K 傳熱系數(shù)K是表示換熱設(shè)備性能的極為重要的參數(shù)，是進(jìn)行傳熱計(jì)算的依據(jù)。K的大小取決于流體的物性、傳熱過程的操作條件及換熱器的類型等，K值通?？梢杂蓪?shí)驗(yàn)測定，或取生產(chǎn)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以通過分析計(jì)算求得 。列管式換熱器中K值大致范圍熱流體冷流體傳熱系數(shù)K/(WmK-1) 水輕油重油氣體水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝低沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝高沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝 水水水水水氣體水水水沸騰輕油沸騰

11、重油沸騰8501700340910602801728014204250303004551140601702000425045510201404252、平均溫度差 并流：逆流： 并流： 3、對流傳熱系數(shù)（無相變）對流傳熱系數(shù)（相變）4、污垢熱阻 換熱器的傳熱表面在經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，壁面往往積一層污垢，對傳熱形成附加的熱阻，稱為污垢熱阻，這層污垢熱阻在計(jì)算傳熱系數(shù)K時(shí)一般不容忽視。由于污垢層的厚度及其熱導(dǎo)率不易估計(jì)，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定污垢熱阻。若管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻分別用Rdi和Rd0表示，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則 污垢熱阻Rd的大致范圍污垢熱阻Rd ii 流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算 換熱器

12、管程及殼程的流動(dòng)阻力，常常控制在一定允許范圍內(nèi)。若計(jì)算結(jié)果超過允許值時(shí)，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格大換熱器。按一般經(jīng)驗(yàn)，對于液體?？刂圃?04105Pa范圍內(nèi)，對于氣體則以103104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表 換熱器操作壓力P(Pa)允許壓降P105 (表壓)0.1P0.5P5104 Pa(1) 管程流體阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對于多程換熱器，其總阻力 pt等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)，故管程總阻力的計(jì)算式為 每程直管阻力；每程回彎阻力式中 Pi、Pr-分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降

13、，N/m2Ft-結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對于252.5mm的管子，取為1.4， 對于192mm的管子，取為1.5；Np-管程數(shù)； Ns-串聯(lián)的殼程數(shù)。(2) 殼程流體阻力 現(xiàn)已提出的殼程流體阻力的計(jì)算公式雖然較多，但是由于流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，使所得的結(jié)果相差很多。下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)的公式 殼程總阻力損失， 流過管束的阻力損失， 流過折流板缺口的阻力損失， Fs-殼程阻力結(jié)垢校正系數(shù)，對液體可取Fs=1.15， 對氣體或可凝蒸汽取Fs=1.0； Ns-殼程數(shù)； 管束阻力損失 折流板缺口阻力損失 NB 折流板數(shù)目； NTc橫過管束中心的管子數(shù) 對于三角形排列的管束， 對于正方形排列的管束

14、， 為每一殼程的管子總數(shù)； B - 折流板間距，m；D - 殼程直徑，m；U0 - 按殼程流通截面積或按其截面積 計(jì)算所得的殼程流速，m/s；F - 管子排列形式對壓降的校正系數(shù)，對三角形排列F=0.5， 對正方形排列F=0.3，對正方形斜轉(zhuǎn)45，F(xiàn)=0.4； f0 - 殼程流體摩擦系數(shù)iii 列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟總結(jié) 設(shè)有流量為mh的熱流體，需從溫度T1冷卻至T2，可用的冷卻介質(zhì)入口溫度t1，出口溫度選定為t2。由此已知條件可算出換熱器的熱流量Q和逆流操作的平均推動(dòng)力。根據(jù)傳熱速率基本方程 當(dāng)Q和tm已知時(shí)，要求取傳熱面積A必須知K，則是由傳熱面積A的大小和換熱器結(jié)構(gòu)決定的?？?/p>

15、見，在冷、熱流體的流量及進(jìn)、出口溫度皆已知的條件下，選用或設(shè)計(jì)換熱器必須通過試差計(jì)算，按以下步驟進(jìn)行。 1、初選換熱器的規(guī)格尺寸 初步選定換熱器的流動(dòng)方式，保證溫差修正系數(shù)大于0.8，否則應(yīng)改變流動(dòng)方式，重新計(jì)算。 計(jì)算熱流量Q及平均傳熱溫差tm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù)K估，初估傳熱面積A估。 選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長度及排列 2、核算總傳熱系數(shù) 分別計(jì)算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K計(jì)，并與估算時(shí)所取用的傳熱系數(shù)K估進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算 3、計(jì)算傳熱面積并求裕度 根據(jù)計(jì)算的K計(jì)值、熱流量Q及平均溫度差tm，由總傳熱速

16、率方程計(jì)算傳熱面積A0，一般應(yīng)使所選用或設(shè)計(jì)的實(shí)際傳熱面積AP大于A0。裕度的計(jì)算式為： 4、計(jì)算管、殼程阻力 在選擇管程流體與殼程流體以及初步確定了換熱器主要尺寸的基礎(chǔ)上，就可以計(jì)算管、殼程流速和阻力，看是否合理。或者先選定流速以確定管程數(shù)NP和折流板間距B再計(jì)算壓力降是否合理。這時(shí)NP與B是可以調(diào)整的參數(shù)，如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進(jìn)行計(jì)算，直到合理為止。 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件處理能力：10萬噸/年煤油設(shè)備形式：列管式換熱器操作條件煤油：入口溫度140，出口溫度40冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30，出口溫度40允許壓強(qiáng)降：不大于100kPa煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度825kg/m3，黏

17、度7.1510-4Pa.s，比熱容2.22kJ/(kg.)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m.)每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行 換熱器設(shè)計(jì) 一、確定設(shè)計(jì)方案 選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況，熱流體進(jìn)口溫度140oC，出口溫度40oC；冷流體進(jìn)口溫度30oC，出口溫度40oC。該換熱器用自來水冷卻煤油，考慮到清洗等各種因素，初步確定為固定管板式的列管式換熱器。流動(dòng)空間及流速的確定 由于冷卻水容易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)使水走管程，煤油走殼程。從熱交換角度，煤油走殼程可以與空氣進(jìn)行熱交換，增大傳熱強(qiáng)度。選用252.5 mm的10號碳鋼管。 二、確定物性數(shù)據(jù)殼程煤油的定性溫度為T1=140C，T2

18、=40C，T=(140+40)/2=90(C) 煤油90C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度 o=800 kg/m3 定壓比熱容 Co=2.22 kJ/（kgk）導(dǎo)熱系數(shù) o=0.140 W/(mk)粘度 o=7.1510-4 Ns/m 管程水的定性溫度為t1=30C，t2=40C t=(30+40)/2=35(C) 水35C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度 i =994 kg/m3 定壓比熱容 C i =4.174 kJ/（kgk）導(dǎo)熱系數(shù) i =0.626 W/(mk)粘度 i =7.2510-4 Ns/m2 三、計(jì)算總傳熱系數(shù) 1.熱流量 q0=10104103/(33024)=12626.26(kg/

19、h) Q0= m0Coto=12626.262.22(140-40) =2.8106 kJ/h=778.62(kw) 2.平均傳熱溫差 tm=(t1-t2 )/ln(t1/t2) =(140-40 )-(40-30 )/ln(140-40 )/(40-30 ) =39(C)其中t1=T1-t2，t2=T2-t1。qi =Q0/(C iti)=2.8106/4.174(40-30)=67154.6kg/h=18.65kg/s 3. 水用量tm=(t1-t2 )/ln(t1/t2) =(140-40 )-(40-30 )/ln(140-40 )/(40-30 ) =39(oC)其中t1=T1-t2

20、，t2=T2-t1。傳熱平均溫差校正系數(shù)按單殼程四管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表，但R=10的點(diǎn)在圖中難以讀出，因而相應(yīng)以1/R代替R，PR代替P，查同一線圖，=0.82，四、傳熱面積初值計(jì)算 取總傳熱系數(shù)K=500W/(m2 C)取 規(guī)格的管子， 一根管子面積 管子數(shù) 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為 取260根 方案一管子中心距 取t=32mm 選用一殼程四管程三角形管束排列方式，L=3m， 采用多管程結(jié)構(gòu)，取板的利用率=0.6,則殼體的內(nèi)徑為圓整可取700mm。中心一行管束 采用圓缺形折流板，取折流板圓缺高度為為殼體內(nèi)徑地25%，則缺去的圓缺高度為h=0.25700=175mm，故可

21、取h=170mm。 取折流板間距 B=0.3D，則 B=0.3700=210mm，可取B為200mm 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=3000/200-1=14塊折流板圓缺面水平裝配。折流板數(shù)的計(jì)算管內(nèi)給熱系數(shù) 管截面積 管內(nèi)流速 普朗特?cái)?shù) 管側(cè)傳熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用克恩公式當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普朗特準(zhǔn)數(shù)為粘度校正傳熱核算取水的污垢熱阻為Rsi=3.4410-4 m2K/W取煤油的污垢熱阻為Rso=1.7210-4 m2K/W管壁導(dǎo)熱系數(shù)為=45 W/(mK) 比假定K值相差較遠(yuǎn)，重新設(shè)計(jì) 取總傳熱系數(shù)K=500W/(m2

22、C)取 規(guī)格的管子， 一根管子面積 管子數(shù) 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為 取128根 方案二管子中心距 取t=32mm 選用一殼程4管程三角形管束排列方式，L=4.5m， 采用多管程結(jié)構(gòu)，取板的利用率=0.6,則殼體的內(nèi)徑為圓整可取500mm。中心一行管束 采用圓缺形折流板，取折流板圓缺高度為為殼體內(nèi)徑地25%，則缺去的圓缺高度為h=0.25500=125mm，故可取h=120mm。 取折流板間距 B=0.3D，則 B=0.3500=150mm，可取B為150mm 折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=4500/150-1=19塊折流板圓缺面水平裝配。折流板數(shù)的計(jì)算管內(nèi)給熱系數(shù) 管截面積 管內(nèi)流速 普朗特?cái)?shù) 管側(cè)傳熱系數(shù) 對于圓缺形折流板，可采用克恩公式當(dāng)量直徑，由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普朗特準(zhǔn)數(shù)為粘度校正傳熱核算取水的污垢熱阻為Rsi=3.4410-4 m2K/W取煤油的污垢熱阻為Rso=1.7210-4 m2K/W管壁導(dǎo)熱系數(shù)為=45 W/(mK) 比假定K值相近，試差結(jié)束 裕度計(jì)算 所需換熱面積 實(shí)際換熱器面積 面積裕度 傳熱面積裕度不合適，該換熱器不能夠生產(chǎn)任務(wù)。 取總傳熱系數(shù)K=500W/(m2 C)取 規(guī)格的管子， 一根管子面積 管子數(shù) 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為 取128根 方案三管子中心距 取t=32mm 選用一殼程