換熱器換熱面積選型計算方法.ppt

換熱器課程設(shè)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(shè)備，占有十分重要的地位。,1、熱力設(shè)計根據(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)行傳熱計算。計算出總傳熱系數(shù)、傳熱面積2、流動設(shè)計計算壓降，為換熱器的輔助設(shè)備提供選擇參數(shù)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸4、強(qiáng)度設(shè)計應(yīng)力計算?？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)按照國家壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(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(jī)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(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，再校核對流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)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(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,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(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計者來確定。,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，出口溫度需根據(jù)經(jīng)濟(jì)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(shè)計時冷卻水兩端溫度差可取為510。,1.管徑應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過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：25mm2.5mm、19mm2mm,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46，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(qiáng)度高；流體走短路機(jī)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(qiáng)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=（1.31.5）d0，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t6+d0焊接法取t=1.25d0。,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，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(fèi)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(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有：1、2、4和6程，多程時應(yīng)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(shí)際流體。,1.管程數(shù),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(qiáng)湍流強(qiáng)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（0.21）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.,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(yīng)圓整。,殼體標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入換熱器時對管束的沖擊，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。,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(jìn)、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(yàn)值可取為：,對液體u=1.52m/s；對蒸氣u=2050m/s；對氣體u=（0.150.2）p/(p為壓強(qiáng)，kPa；為氣體密度)。,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(qiáng)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(jìn)、出口之和。一般進(jìn)、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(qiáng)降，即,液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10100kPa，氣體為110kPa。,設(shè)計步驟,1、試算并初選設(shè)備規(guī)格,確定流體在換熱器中流動途徑。根據(jù)傳熱任務(wù)計算熱負(fù)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(yīng)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(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)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(qiáng)降,根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計算管程、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，重新計算壓強(qiáng)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(shè)值和計算值，若K/K=1.151.25，則初選的換熱器合適。否則需另設(shè)K值，重復(fù)以上計算步驟。,設(shè)計任務(wù)書,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,工藝設(shè)計計算,一、確定設(shè)計方案,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?？紤]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(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,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(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,四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸,1.管徑和管內(nèi)流速,選用252.5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(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)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=202=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=1.2525=31.2532mm,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：222=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=0.25300=75m取折流板間距h=0.3D，則h=0.3300=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(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,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(dāng)量直徑：,殼程流通截面積：,殼程流體流速：,雷諾數(shù)：,普蘭特準(zhǔn)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(zhǔn)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,計算傳熱面積為：,換熱器