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換熱器課程設(shè)計(jì)第三節(jié)換熱器計(jì)算方法換熱器課程設(shè)計(jì)第三節(jié)換熱器計(jì)算方法1換熱器:在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。
在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,且它們是上述行業(yè)的通用設(shè)備,占有十分重要的地位。換熱器:在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。21、熱力設(shè)計(jì)根據(jù)使用單位提出的基本要求,合理地選擇運(yùn)行參數(shù),并進(jìn)行傳熱計(jì)算。計(jì)算出總傳熱系數(shù)、傳熱面積2、流動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算壓降,為換熱器的輔助設(shè)備提供選擇參數(shù)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)傳熱面積的大小計(jì)算其主要零部件的尺寸4、強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力計(jì)算。考慮換熱器的受力情況,特別是在高溫高壓下?lián)Q熱器的受壓部件應(yīng)按照國(guó)家壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。1、熱力設(shè)計(jì)3管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管箱(封頭)殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)(包括管束等)單管程固定管板換熱器接管殼體管束管板封頭(端蓋、管箱)折流擋板管程殼程管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管箱(封頭)單管程固定管板換熱器接管殼體管束4①不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管內(nèi)-清洗比較方便②腐蝕性流體宜在管內(nèi)-避免殼體和管子同時(shí)腐蝕,便于清洗③壓強(qiáng)高的流體宜在管內(nèi)-免殼體受壓,節(jié)省殼程金屬消耗量④飽和蒸汽宜走管間-便于及時(shí)排除冷凝液⑤有毒流體宜走管內(nèi),使泄露機(jī)會(huì)較少⑥
被冷卻的流體宜走管間-可利用外殼向外的散熱作用⑦流量小或粘度大的液體,宜走管間-提高對(duì)流傳熱系數(shù)⑧若兩流體的溫差較大,對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管間-減少熱應(yīng)力一、流體流徑的選擇-冷、熱流體走管程或殼程上述各點(diǎn)若不能同時(shí)兼顧,應(yīng)視具體情況抓主要矛盾。先流體的壓強(qiáng)、防腐蝕和清洗等要求,再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降。①不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管內(nèi)-清洗比較方便一、流體流徑的5增加流速對(duì)流傳熱系數(shù)↑,污垢熱阻↓→總傳熱系數(shù)↑→傳熱面積↓流動(dòng)阻力↑和動(dòng)力消耗↑還需考慮結(jié)構(gòu)上:高流速→管子數(shù)目↓→較長(zhǎng)管子或增加程數(shù)管子太長(zhǎng)不易清洗,且管長(zhǎng)都有一定標(biāo)準(zhǔn);程數(shù)增加使平均溫度差下降二、流體流速的選擇一定傳熱面積增加流速二、流體流速的選擇一定傳熱面積6常用的流速范圍不同粘度液體的流速
流體種類
流速管程殼程一般流體0.5~30.2~1.5易結(jié)垢流體>1>0.5氣體5~303~15液體粘度最大流速>15000.61500~5000.75500~1001.1100~351.535~11.8<12.4常用的流速范圍不同粘度液體的流速流體種類流速管程殼程7三、流體兩端溫度的確定
若冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定,就不存在確定兩端溫度的問(wèn)題。若其中一個(gè)流體已知進(jìn)口溫度,則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來(lái)確定。例如:用冷水冷卻某熱流體,冷卻水進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件作出估計(jì),出口溫度需根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來(lái)決定。為節(jié)省水量,出口溫度提高,則傳熱面積要大些;為減少傳熱面積,出口溫度降低,則要增加水量。一般,設(shè)計(jì)時(shí)冷卻水兩端溫度差可取為5~10℃。三、流體兩端溫度的確定若冷、熱流體的溫度都由工藝條件81.管徑應(yīng)盡可能使流速高些,但一般不應(yīng)超過(guò)前面的流速范圍目前列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中管徑具有:Φ25mm×2.5mm、Φ19mm×2mm四、管子的規(guī)格和排列方法小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小,傳熱系數(shù)稍高,但容易結(jié)垢,不易清洗,用于較清潔的流體;大直徑管子用于粘性大或易結(jié)垢的流體。1.管徑四、管子的規(guī)格和排列方法小直徑管子單位傳熱面積的金屬92.管長(zhǎng)以清洗方便及合理使用管材為原則合理的換熱器管長(zhǎng):1.5m、2m、3m、6m等
管子長(zhǎng)度與公稱直徑之比,一般為4~6,對(duì)直徑小的換熱器可取大些。2.管長(zhǎng)合理的換熱器管長(zhǎng):1.5m、2m、3m、6m等103.管子排列方法正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形等管板強(qiáng)度高;流體走短路機(jī)會(huì)少,且擾動(dòng)較大,因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高;相同殼程內(nèi)排更多管子。便于清洗,適于殼程流體易結(jié)垢的場(chǎng)合;但對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角形的低。介于正三角形和正方形之間。3.管子排列方法正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形等114.管間距t
管間距:兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確定需要考慮以下幾個(gè)因素:①管板強(qiáng)度;②清洗管子外表面時(shí)所需要的空隙;③換熱管在管板上的固定方法。通常,脹管法取t=(1.3~1.5)d0,且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm,即t≥6+d0
焊接法取t=1.25d0。4.管間距t管間距:兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確12五、管程和殼程數(shù)的確定
當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí),有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低,對(duì)流系數(shù)較小。為提高管內(nèi)流速,可采用多管程。
但管程數(shù)過(guò)多,管程流動(dòng)阻力加大,增加動(dòng)力費(fèi)用;多程會(huì)使平均溫度差下降;多程隔板使管板上可利用面積減少
標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有:1、2、4和6程,多程時(shí)應(yīng)使每程管子數(shù)大致相等。管程數(shù)m計(jì)算:u——管程內(nèi)流體的適宜流速;u’——管程內(nèi)流體的實(shí)際流體。1.管程數(shù)五、管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大13當(dāng)溫差校正系數(shù)低于0.8,可采用殼方多程。
如:在殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板,流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次,稱為兩殼程。
但由于隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難,故一般不采用殼方多程的換熱器,而是幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用2.殼程數(shù)當(dāng)溫差校正系數(shù)低于0.8,可采用殼方多程。如14六、折流擋板形式:作用:①提高殼程內(nèi)流體的流速;②加強(qiáng)湍流強(qiáng)度;③提高傳熱效率;④支撐換熱管。圓缺形圓盤形六、折流擋板形式:作用:①提高殼程內(nèi)流體的流速;圓缺形圓盤15
最常用的為圓缺形擋板,切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10%~40%,一般取20%~25%。
板間距過(guò)小,不便于制造和維修,阻力較大;板間距過(guò)大,流體難于垂直地流過(guò)管束,使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.2~1)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中,采用的h(mm)值為:
固定管板式:150,300,600;浮頭式:150,200,300,480和600.最常用的為圓缺形擋板,切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的116七、外殼直徑的確定要求:殼體內(nèi)徑等于或稍大于管板的直徑。單程管殼體內(nèi)徑:式中:
t—管心距,m;nc—橫過(guò)管束中心線的管數(shù);b’—管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離.七、外殼直徑的確定要求:殼體內(nèi)徑等于或稍大于管板的直徑。單程17——管板利用率多管程殼體內(nèi)徑:N——排列管子數(shù)目;t—管心距正三角形排列——2管程:0.7-0.85;
>4管程:0.6-0.8
正方形排列——2管程:0.55-0.7;>4管程:0.45-0.65——管板利用率多管程殼體內(nèi)徑:N——排列管子數(shù)目;t—管心18計(jì)算得到的殼內(nèi)徑應(yīng)圓整。殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體外徑/mm325400500600700800900100011001200最小壁厚/mm8101214計(jì)算得到的殼內(nèi)徑應(yīng)圓整。殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體外徑/mm3254019八、主要附件1.封頭方形:用于直徑小的殼體(<400mm);圓形:用于大直徑的殼體。2.緩沖擋板
為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊,可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板3.導(dǎo)流筒
殼程流體的進(jìn)、出口與管板間存在一段流體不能流動(dòng)的空間(死角),為了提高傳熱效果,常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒。八、主要附件1.封頭方形:用于直徑小的殼體(<400mm);204.放氣孔、排液孔
殼體上常安有放氣孔和排液孔,排出不冷凝氣體和冷凝液等。5.接管
換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算,即
Vs——流體的體積流量,u——流體在接管中的流速流速u的經(jīng)驗(yàn)值可取為:對(duì)液體u=1.5~2m/s;對(duì)蒸氣u=20~50m/s;對(duì)氣體u=(0.15~0.2)p/ρ(p為壓強(qiáng),kPa;ρ為氣體密度)。4.放氣孔、排液孔殼體上常安有放氣孔和排液孔,排出不冷21九、材料選用
材料應(yīng)根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。
目前常用的金屬材料有:碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等。非金屬材料有:石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。九、材料選用材料應(yīng)根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)22十、流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算1.管程流動(dòng)阻力
總阻力等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口之和。一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì),管程總阻力的計(jì)算式為:十、流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算1.管程流動(dòng)阻力總阻232.殼程流動(dòng)阻力用埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降,即2.殼程流動(dòng)阻力用埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降,即24液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10~100kPa,氣體為1~10kPa。液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10~100kPa,氣體為1~10k25設(shè)計(jì)步驟
1、試算并初選設(shè)備規(guī)格①確定流體在換熱器中流動(dòng)途徑。②根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。③確定流體在換熱器兩端的溫度,選擇列管換熱器的形式;計(jì)算定性溫度,并確定在定性溫度下的流體物性。④計(jì)算平均溫差,并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則,決定殼程數(shù)。⑤依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍,或按生產(chǎn)實(shí)際情況,選定總傳熱系數(shù)K值。⑥由傳熱速率方程,初步算出傳熱面積,并確定換熱器的基本尺寸。設(shè)計(jì)步驟1、試算并初選設(shè)備規(guī)格①確定流體在換熱器中流動(dòng)途262、計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降
根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格,計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。驗(yàn)算結(jié)果是否滿足工藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求,要調(diào)整流速,再確定管程數(shù)或折流板間距,或選擇另一規(guī)格的換熱器,重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求。3、核算總傳熱系數(shù)
計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù),確定污垢熱阻,再計(jì)算總傳熱系數(shù)K’,比較K的初設(shè)值和計(jì)算值,若K’/K=1.15~1.25,則初選的換熱器合適。否則需另設(shè)K值,重復(fù)以上計(jì)算步驟。2、計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格,計(jì)算管程、27設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)將6000kg/h的植物油從140℃冷卻到40℃,井水進(jìn)、出口溫度分別為20℃和40℃。要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于35kPa。
實(shí)例設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)將6000kg/h的植物油從140℃冷28工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一、確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型
兩流體的變化情況:熱流體進(jìn)口溫度140℃,出口溫度40℃;
冷流體進(jìn)口溫度20℃,出口溫度40℃。
考慮冷熱流體間溫差大于50℃,初步確定選用浮頭式換熱器。2.流程安排
與植物油相比,井水易于結(jié)垢,如果其流速太小,會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度使換熱器傳熱速率下降。植物油被冷卻,走殼程便于散熱。因此,冷卻水走管程,植物油走殼程。工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一、確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型2.流程安排29二、確定物性數(shù)據(jù)對(duì)于粘度低的流體,其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。所以,殼程流體的定性溫度為:管程流體的定性溫度為:定性溫度下,管程流體(井水)、殼程流體(植物油)有關(guān)物性參數(shù)由《主要物性參數(shù)表》得出。2.物性參數(shù)
1.定性溫度二、確定物性數(shù)據(jù)對(duì)于粘度低的流體,其定性溫度可取流體進(jìn)出30主要物性參數(shù)表介質(zhì)性質(zhì)密度kg/m3比熱kJ//(kg·℃)粘度Pa·s熱導(dǎo)率W/(m·℃)植物油熱流體9502.2610.742×10-30.172井水冷流體995.74.1740.801×10-3
0.618主要物性參數(shù)表性質(zhì)密度比熱粘度熱導(dǎo)率W/(m·℃)植物油熱流31三、估算傳熱面積1.熱流量2.平均傳熱溫差先按照逆流計(jì)算,得三、估算傳熱面積1.熱流量2.平均傳熱溫差先按照逆流計(jì)323.傳熱面積
由于殼程植物油的壓力較高,故可選取較大的K值。假設(shè)K=395W/(m2·℃)則估算的傳熱面積為:考慮到外界因素的影響,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取實(shí)際傳熱面積為估算值的1.15倍,則實(shí)際傳熱面積為:
4.井水用量3.傳熱面積由于殼程植物油的壓力較高,故可選取較大33四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸
1.管徑和管內(nèi)流速
選用Φ25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速u1=0.75m/s。
2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)
依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù):四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.534
按單程管設(shè)計(jì),傳熱管過(guò)長(zhǎng),宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況,采用標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計(jì),現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)L=8m,則該換熱器的管程數(shù)為:傳熱管總根數(shù):n=20×2=40(根)按單程管計(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)度為:按單程管設(shè)計(jì),傳熱管過(guò)長(zhǎng),宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)353.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù):
按單殼程,雙管程結(jié)構(gòu),查圖得: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)殼程流體流量較大,故取單殼程合適。3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù):按單殼程36換熱器換熱面積選型計(jì)算方法課件374.傳熱管排列和分程方法采用正方形錯(cuò)列。取管心距t=1.25d0,則
t=1.25×25=31.25≈32mm
隔板中心到離其最近一排管中心距離:
S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為:22×2=44mm4.傳熱管排列和分程方法采用正方形錯(cuò)列。取管心距t=1.2385.殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu),取管板利用率η=0.85,則殼體內(nèi)徑為:圓整可取D=300mm6.折流板
采用弓形折流板,取弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為:H=0.25×300=75m
取折流板間距h=0.3D,則h=0.3×300=90mm故可取h=100mm折流板數(shù)目:5.殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu),取管板利用率η=0.85,則397.其他附件拉桿數(shù)量與直徑按表選取,本換熱器殼體內(nèi)徑為300mm,故:拉桿直徑為Ф12,拉桿數(shù)量不得少于4。8.接管殼程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)流體流速為u1=2m/s,則接管內(nèi)徑為管程流體進(jìn)出口接管:取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s,則接管內(nèi)徑為7.其他附件8.接管管程流體進(jìn)出口接管:40五、換熱器核算1.熱量衡算(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折流板,可采用凱恩公式計(jì)算:當(dāng)量直徑:殼程流通截面積:五、換熱器核算1.熱量衡算(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)圓缺形折41殼程流體流速:雷諾數(shù):
普蘭特準(zhǔn)數(shù):
粘度校正:殼程流體流速:雷諾數(shù):普蘭特準(zhǔn)數(shù):粘度校42(2)管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流體流通截面積:管程流體流速:雷諾數(shù):普蘭特準(zhǔn)數(shù):
(2)管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流體流通截面積:管程流體流速:雷43(3)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻:管外側(cè)污垢熱阻:(4)傳熱系數(shù)(3)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻:管外側(cè)污垢熱阻:(4)傳熱系數(shù)44(5)傳熱面積裕度計(jì)算傳熱面積為:換熱器的實(shí)際傳熱面積為:換熱器的面積裕度為:傳熱面積裕度合適(15%~20%),該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。(5)傳熱面積裕度計(jì)算傳熱面積為:換熱器的實(shí)際傳熱面積為452.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力(1)管程流體阻力
由Re=17943,傳熱管相對(duì)粗糙度為0.1/20=0.005,查莫狄圖,得λ=0.027W/(m·K),流速u=0.75m/s,ρ=995.71kg/,所以管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2.換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力(1)管程流體阻力由Re46(2)殼程阻力流體流經(jīng)管束的阻力:殼程流通面積:(2)殼程阻力流體流經(jīng)管束的阻力:殼程流通面積:47h=0.1m,D=0.3m殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。h=0.1m,D=0.3m殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。48結(jié)果匯總表結(jié)果匯總表49換熱器課程設(shè)計(jì)第三節(jié)換熱器計(jì)算方法換熱器課程設(shè)計(jì)第三節(jié)換熱器計(jì)算方法50換熱器:在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。
在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,且它們是上述行業(yè)的通用設(shè)備,占有十分重要的地位。換熱器:在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。511、熱力設(shè)計(jì)根據(jù)使用單位提出的基本要求,合理地選擇運(yùn)行參數(shù),并進(jìn)行傳熱計(jì)算。計(jì)算出總傳熱系數(shù)、傳熱面積2、流動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算壓降,為換熱器的輔助設(shè)備提供選擇參數(shù)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)傳熱面積的大小計(jì)算其主要零部件的尺寸4、強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力計(jì)算??紤]換熱器的受力情況,特別是在高溫高壓下?lián)Q熱器的受壓部件應(yīng)按照國(guó)家壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。1、熱力設(shè)計(jì)52管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管箱(封頭)殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)(包括管束等)單管程固定管板換熱器接管殼體管束管板封頭(端蓋、管箱)折流擋板管程殼程管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管箱(封頭)單管程固定管板換熱器接管殼體管束53①不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管內(nèi)-清洗比較方便②腐蝕性流體宜在管內(nèi)-避免殼體和管子同時(shí)腐蝕,便于清洗③壓強(qiáng)高的流體宜在管內(nèi)-免殼體受壓,節(jié)省殼程金屬消耗量④飽和蒸汽宜走管間-便于及時(shí)排除冷凝液⑤有毒流體宜走管內(nèi),使泄露機(jī)會(huì)較少⑥
被冷卻的流體宜走管間-可利用外殼向外的散熱作用⑦流量小或粘度大的液體,宜走管間-提高對(duì)流傳熱系數(shù)⑧若兩流體的溫差較大,對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管間-減少熱應(yīng)力一、流體流徑的選擇-冷、熱流體走管程或殼程上述各點(diǎn)若不能同時(shí)兼顧,應(yīng)視具體情況抓主要矛盾。先流體的壓強(qiáng)、防腐蝕和清洗等要求,再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降。①不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管內(nèi)-清洗比較方便一、流體流徑的54增加流速對(duì)流傳熱系數(shù)↑,污垢熱阻↓→總傳熱系數(shù)↑→傳熱面積↓流動(dòng)阻力↑和動(dòng)力消耗↑還需考慮結(jié)構(gòu)上:高流速→管子數(shù)目↓→較長(zhǎng)管子或增加程數(shù)管子太長(zhǎng)不易清洗,且管長(zhǎng)都有一定標(biāo)準(zhǔn);程數(shù)增加使平均溫度差下降二、流體流速的選擇一定傳熱面積增加流速二、流體流速的選擇一定傳熱面積55常用的流速范圍不同粘度液體的流速
流體種類
流速管程殼程一般流體0.5~30.2~1.5易結(jié)垢流體>1>0.5氣體5~303~15液體粘度最大流速>15000.61500~5000.75500~1001.1100~351.535~11.8<12.4常用的流速范圍不同粘度液體的流速流體種類流速管程殼程56三、流體兩端溫度的確定
若冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定,就不存在確定兩端溫度的問(wèn)題。若其中一個(gè)流體已知進(jìn)口溫度,則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來(lái)確定。例如:用冷水冷卻某熱流體,冷卻水進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件作出估計(jì),出口溫度需根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來(lái)決定。為節(jié)省水量,出口溫度提高,則傳熱面積要大些;為減少傳熱面積,出口溫度降低,則要增加水量。一般,設(shè)計(jì)時(shí)冷卻水兩端溫度差可取為5~10℃。三、流體兩端溫度的確定若冷、熱流體的溫度都由工藝條件571.管徑應(yīng)盡可能使流速高些,但一般不應(yīng)超過(guò)前面的流速范圍目前列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中管徑具有:Φ25mm×2.5mm、Φ19mm×2mm四、管子的規(guī)格和排列方法小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小,傳熱系數(shù)稍高,但容易結(jié)垢,不易清洗,用于較清潔的流體;大直徑管子用于粘性大或易結(jié)垢的流體。1.管徑四、管子的規(guī)格和排列方法小直徑管子單位傳熱面積的金屬582.管長(zhǎng)以清洗方便及合理使用管材為原則合理的換熱器管長(zhǎng):1.5m、2m、3m、6m等
管子長(zhǎng)度與公稱直徑之比,一般為4~6,對(duì)直徑小的換熱器可取大些。2.管長(zhǎng)合理的換熱器管長(zhǎng):1.5m、2m、3m、6m等593.管子排列方法正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形等管板強(qiáng)度高;流體走短路機(jī)會(huì)少,且擾動(dòng)較大,因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高;相同殼程內(nèi)排更多管子。便于清洗,適于殼程流體易結(jié)垢的場(chǎng)合;但對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角形的低。介于正三角形和正方形之間。3.管子排列方法正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形等604.管間距t
管間距:兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確定需要考慮以下幾個(gè)因素:①管板強(qiáng)度;②清洗管子外表面時(shí)所需要的空隙;③換熱管在管板上的固定方法。通常,脹管法取t=(1.3~1.5)d0,且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm,即t≥6+d0
焊接法取t=1.25d0。4.管間距t管間距:兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確61五、管程和殼程數(shù)的確定
當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí),有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低,對(duì)流系數(shù)較小。為提高管內(nèi)流速,可采用多管程。
但管程數(shù)過(guò)多,管程流動(dòng)阻力加大,增加動(dòng)力費(fèi)用;多程會(huì)使平均溫度差下降;多程隔板使管板上可利用面積減少
標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有:1、2、4和6程,多程時(shí)應(yīng)使每程管子數(shù)大致相等。管程數(shù)m計(jì)算:u——管程內(nèi)流體的適宜流速;u’——管程內(nèi)流體的實(shí)際流體。1.管程數(shù)五、管程和殼程數(shù)的確定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大62當(dāng)溫差校正系數(shù)低于0.8,可采用殼方多程。
如:在殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板,流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次,稱為兩殼程。
但由于隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難,故一般不采用殼方多程的換熱器,而是幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用2.殼程數(shù)當(dāng)溫差校正系數(shù)低于0.8,可采用殼方多程。如63六、折流擋板形式:作用:①提高殼程內(nèi)流體的流速;②加強(qiáng)湍流強(qiáng)度;③提高傳熱效率;④支撐換熱管。圓缺形圓盤形六、折流擋板形式:作用:①提高殼程內(nèi)流體的流速;圓缺形圓盤64
最常用的為圓缺形擋板,切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10%~40%,一般取20%~25%。
板間距過(guò)小,不便于制造和維修,阻力較大;板間距過(guò)大,流體難于垂直地流過(guò)管束,使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.2~1)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中,采用的h(mm)值為:
固定管板式:150,300,600;浮頭式:150,200,300,480和600.最常用的為圓缺形擋板,切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的165七、外殼直徑的確定要求:殼體內(nèi)徑等于或稍大于管板的直徑。單程管殼體內(nèi)徑:式中:
t—管心距,m;nc—橫過(guò)管束中心線的管數(shù);b’—管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離.七、外殼直徑的確定要求:殼體內(nèi)徑等于或稍大于管板的直徑。單程66——管板利用率多管程殼體內(nèi)徑:N——排列管子數(shù)目;t—管心距正三角形排列——2管程:0.7-0.85;
>4管程:0.6-0.8
正方形排列——2管程:0.55-0.7;>4管程:0.45-0.65——管板利用率多管程殼體內(nèi)徑:N——排列管子數(shù)目;t—管心67計(jì)算得到的殼內(nèi)徑應(yīng)圓整。殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體外徑/mm325400500600700800900100011001200最小壁厚/mm8101214計(jì)算得到的殼內(nèi)徑應(yīng)圓整。殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體外徑/mm3254068八、主要附件1.封頭方形:用于直徑小的殼體(<400mm);圓形:用于大直徑的殼體。2.緩沖擋板
為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊,可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板3.導(dǎo)流筒
殼程流體的進(jìn)、出口與管板間存在一段流體不能流動(dòng)的空間(死角),為了提高傳熱效果,常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒。八、主要附件1.封頭方形:用于直徑小的殼體(<400mm);694.放氣孔、排液孔
殼體上常安有放氣孔和排液孔,排出不冷凝氣體和冷凝液等。5.接管
換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算,即
Vs——流體的體積流量,u——流體在接管中的流速流速u的經(jīng)驗(yàn)值可取為:對(duì)液體u=1.5~2m/s;對(duì)蒸氣u=20~50m/s;對(duì)氣體u=(0.15~0.2)p/ρ(p為壓強(qiáng),kPa;ρ為氣體密度)。4.放氣孔、排液孔殼體上常安有放氣孔和排液孔,排出不冷70九、材料選用
材料應(yīng)根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。
目前常用的金屬材料有:碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等。非金屬材料有:石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。九、材料選用材料應(yīng)根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)71十、流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算1.管程流動(dòng)阻力
總阻力等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口之和。一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì),管程總阻力的計(jì)算式為:十、流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算1.管程流動(dòng)阻力總阻722.殼程流動(dòng)阻力用埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降,即2.殼程流動(dòng)阻力用埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降,即73液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10~100kPa,氣體為1~10kPa。液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10~100kPa,氣體為1~10k74設(shè)計(jì)步驟
1、試算并初選設(shè)備規(guī)格①確定流體在換熱器中流動(dòng)途徑。②根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。③確定流體在換熱器兩端的溫度,選擇列管換熱器的形式;計(jì)算定性溫度,并確定在定性溫度下的流體物性。④計(jì)算平均溫差,并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則,決定殼程數(shù)。⑤依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍,或按生產(chǎn)實(shí)際情況,選定總傳熱系數(shù)K值。⑥由傳熱速率方程,初步算出傳熱面積,并確定換熱器的基本尺寸。設(shè)計(jì)步驟1、試算并初選設(shè)備規(guī)格①確定流體在換熱器中流動(dòng)途752、計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降
根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格,計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。驗(yàn)算結(jié)果是否滿足工藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求,要調(diào)整流速,再確定管程數(shù)或折流板間距,或選擇另一規(guī)格的換熱器,重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求。3、核算總傳熱系數(shù)
計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù),確定污垢熱阻,再計(jì)算總傳熱系數(shù)K’,比較K的初設(shè)值和計(jì)算值,若K’/K=1.15~1.25,則初選的換熱器合適。否則需另設(shè)K值,重復(fù)以上計(jì)算步驟。2、計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格,計(jì)算管程、76設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)將6000kg/h的植物油從140℃冷卻到40℃,井水進(jìn)、出口溫度分別為20℃和40℃。要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于35kPa。
實(shí)例設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)將6000kg/h的植物油從140℃冷77工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一、確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型
兩流體的變化情況:熱流體進(jìn)口溫度140℃,出口溫度40℃;
冷流體進(jìn)口溫度20℃,出口溫度40℃。
考慮冷熱流體間溫差大于50℃,初步確定選用浮頭式換熱器。2.流程安排
與植物油相比,井水易于結(jié)垢,如果其流速太小,會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度使換熱器傳熱速率下降。植物油被冷卻,走殼程便于散熱。因此,冷卻水走管程,植物油走殼程。工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一、確定設(shè)計(jì)方案1.選擇換熱器的類型2.流程安排78二、確定物性數(shù)據(jù)對(duì)于粘度低的流體,其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。所以,殼程流體的定性溫度為:管程流體的定性溫度為:定性溫度下,管程流體(井水)、殼程流體(植物油)有關(guān)物性參數(shù)由《主要物性參數(shù)表》得出。2.物性參數(shù)
1.定性溫度二、確定物性數(shù)據(jù)對(duì)于粘度低的流體,其定性溫度可取流體進(jìn)出79主要物性參數(shù)表介質(zhì)性質(zhì)密度kg/m3比熱kJ//(kg·℃)粘度Pa·s熱導(dǎo)率W/(m·℃)植物油熱流體9502.2610.742×10-30.172井水冷流體995.74.1740.801×10-3
0.618主要物性參數(shù)表性質(zhì)密度比熱粘度熱導(dǎo)率W/(m·℃)植物油熱流80三、估算傳熱面積1.熱流量2.平均傳熱溫差先按照逆流計(jì)算,得三、估算傳熱面積1.熱流量2.平均傳熱溫差先按照逆流計(jì)813.傳熱面積
由于殼程植物油的壓力較高,故可選取較大的K值。假設(shè)K=395W/(m2·℃)則估算的傳熱面積為:考慮到外界因素的影響,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取實(shí)際傳熱面積為估算值的1.15倍,則實(shí)際傳熱面積為:
4.井水用量3.傳熱面積由于殼程植物油的壓力較高,故可選取較大82四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸
1.管徑和管內(nèi)流速
選用Φ25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速u1=0.75m/s。
2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)
依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù):四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用Φ25×2.583
按單程管設(shè)計(jì),傳熱管過(guò)長(zhǎng),宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況,采用標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計(jì),現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)L=8m,則該換熱器的管程數(shù)為:傳熱管總根數(shù):n=20×2=40(根)按單程管計(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)
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