換熱器換熱面積選型計算方法.ppt

換熱器課程設計 第三節(jié)換熱器計算方法 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)的通用設備 占有十分重要的地位 1 熱力設計根據(jù)使用單位提出的基本要求 合理地選擇運行參數(shù) 并進行傳熱計算 計算出總傳熱系數(shù) 傳熱面積2 流動設計計算壓降 為換熱器的輔助設備提供選擇參數(shù)3 結(jié)構(gòu)設計根據(jù)傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸4 強度設計應力計算 考慮換熱器的受力情況 特別是在高溫高壓下?lián)Q熱器的受壓部件應按照國家壓力容器的標準設計 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 不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管內(nèi) 清洗比較方便 腐蝕性流體宜在管內(nèi) 避免殼體和管子同時腐蝕 便于清洗 壓強高的流體宜在管內(nèi) 免殼體受壓 節(jié)省殼程金屬消耗量 飽和蒸汽宜走管間 便于及時排除冷凝液 有毒流體宜走管內(nèi) 使泄露機會較少 被冷卻的流體宜走管間 可利用外殼向外的散熱作用 流量小或粘度大的液體 宜走管間 提高對流傳熱系數(shù) 若兩流體的溫差較大 對流傳熱系數(shù)較大者宜走管間 減少熱應力 一 流體流徑的選擇 冷 熱流體走管程或殼程 上述各點若不能同時兼顧 應視具體情況抓主要矛盾 先流體的壓強 防腐蝕和清洗等要求 再校核對流傳熱系數(shù)和壓強降 增加流速對流傳熱系數(shù) 污垢熱阻 總傳熱系數(shù) 傳熱面積 流動阻力 和動力消耗 還需考慮結(jié)構(gòu)上 高流速 管子數(shù)目 較長管子或增加程數(shù)管子太長不易清洗 且管長都有一定標準 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 常用的流速范圍 不同粘度液體的流速 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題 若其中一個流體已知進口溫度 則出口溫度應由設計者來確定 例如 用冷水冷卻某熱流體 冷卻水進口溫度可根據(jù)當?shù)貧鉁貤l件作出估計 出口溫度需根據(jù)經(jīng)濟衡算來決定 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 設計時冷卻水兩端溫度差可取為5 10 1 管徑應盡可能使流速高些 但一般不應超過前面的流速范圍目前列管式換熱器系列標準中管徑具有 25mm 2 5mm 19mm 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 2 管長以清洗方便及合理使用管材為原則 合理的換熱器管長 1 5m 2m 3m 6m等 管子長度與公稱直徑之比 一般為4 6 對直徑小的換熱器可取大些 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 管板強度高 流體走短路機會少 且擾動較大 因而對流傳熱系數(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)垢的場合 但對流傳熱系數(shù)較正三角形的低 介于正三角形和正方形之間 4 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因素 管板強度 清洗管子外表面時所需要的空隙 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小于6mm 即t 6 d0焊接法取t 1 25d0 五 管程和殼程數(shù)的確定 當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時 有時會使管內(nèi)流速較低 對流系數(shù)較小 為提高管內(nèi)流速 可采用多管程 但管程數(shù)過多 管程流動阻力加大 增加動力費用 多程會使平均溫度差下降 多程隔板使管板上可利用面積減少 標準中管程數(shù)有 1 2 4和6程 多程時應使每程管子數(shù)大致相等 管程數(shù)m計算 u 管程內(nèi)流體的適宜流速 u 管程內(nèi)流體的實際流體 1 管程數(shù) 當溫差校正系數(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 而是幾個換熱器串聯(lián)使用 2 殼程數(shù) 六 折流擋板 形式 作用 提高殼程內(nèi)流體的流速 加強湍流強度 提高傳熱效率 支撐換熱管 圓缺形 圓盤形 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 板間距過小 不便于制造和維修 阻力較大 板間距過大 流體難于垂直地流過管束 使對流傳熱系數(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 系列標準中 采用的h mm 值為 固定管板式 150 300 600 浮頭式 150 200 300 480和600 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 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 計算得到的殼內(nèi)徑應圓整 殼體標準尺寸 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 為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊 可在進料管口裝設緩沖擋板 3 導流筒 殼程流體的進 出口與管板間存在一段流體不能流動的空間 死角 為了提高傳熱效果 常在管束外增設導流筒 4 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 出口的接管直徑按下式計算 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)驗值可取為 對液體u 1 5 2m s 對蒸氣u 20 50m s 對氣體u 0 15 0 2 p p為壓強 kPa 為氣體密度 九 材料選用 材料應根據(jù)操作壓力 溫度及流體的腐蝕性等來選用 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 十 流體流動阻力 壓強降 的計算 1 管程流動阻力 總阻力等于各程直管阻力 回彎阻力及進 出口之和 一般進 出口阻力可忽略不計 管程總阻力的計算式為 2 殼程流動阻力 用埃索法計算殼程壓強降 即 液體流經(jīng)換熱器的壓強降為10 100kPa 氣體為1 10kPa 設計步驟 1 試算并初選設備規(guī)格 確定流體在換熱器中流動途徑 根據(jù)傳熱任務計算熱負荷Q 確定流體在換熱器兩端的溫度 選擇列管換熱器的形式 計算定性溫度 并確定在定性溫度下的流體物性 計算平均溫差 并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應小于0 8的原則 決定殼程數(shù) 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍 或按生產(chǎn)實際情況 選定總傳熱系數(shù)K值 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 2 計算管程 殼程壓強降 根據(jù)初定的設備規(guī)格 計算管程 殼程流體的流速和壓強降 驗算結(jié)果是否滿足工藝要求 若壓強降不符合要求 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 重新計算壓強降直至滿足要求 3 核算總傳熱系數(shù) 計算管程 殼程對流傳熱系數(shù) 確定污垢熱阻 再計算總傳熱系數(shù)K 比較K的初設值和計算值 若K K 1 15 1 25 則初選的換熱器合適 否則需另設K值 重復以上計算步驟 設計任務書 將6000kg h的植物油從140 冷卻到40 井水進 出口溫度分別為20 和40 要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于35kPa 實例 工藝設計計算 一 確定設計方案 1 選擇換熱器的類型兩流體的變化情況 熱流體進口溫度140 出口溫度40 冷流體進口溫度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 會加快污垢增長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 二 確定物性數(shù)據(jù) 對于粘度低的流體 其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值 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 主要物性參數(shù)表 三 估算傳熱面積 1 熱流量 2 平均傳熱溫差先按照逆流計算 得 3 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)驗取實際傳熱面積為估算值的1 15倍 則實際傳熱面積為 4 井水用量 四 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1 管徑和管內(nèi)流速 選用 25 2 5較高級冷拔傳熱管 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) 按單程管設計 傳熱管過長 宜采用多管程結(jié)構(gòu) 根據(jù)本設計實際情況 采用標準管設計 現(xiàn)取傳熱管長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 按單程管計算 所需的傳熱管長度為 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 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 同時殼程流體流量較大 故取單殼程合適 4 傳熱管排列和分程方法 采用正方形錯列 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 44mm 5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu) 取管板利用率 0 85 則殼體內(nèi)徑為 圓整可取D 300mm 6 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 7 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 12 拉桿數(shù)量不得少于4 8 接管殼程流體進出口接管 取接管內(nèi)流體流速為u1 2m s 則接管內(nèi)徑為 管程流體進出口接管 取接管內(nèi)液體流速u2 2 5m s 則接管內(nèi)徑為 五 換熱器核算 1 熱量衡算 1 殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板 可采用凱恩公式計算 當量直徑 殼程流通截面積 殼程流體流速 雷諾數(shù) 普蘭特準數(shù) 粘度校正 2 管程對流傳熱系數(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) 5 傳熱面積裕度