換熱裝置的工藝設(shè)計(jì)課件

1、換熱裝置的工藝設(shè)計(jì)主 講：譚 志 偉 二零一六年秋1概述 換熱裝置是以傳遞熱量為主要功能的通用機(jī)械,通常稱為熱交換器,簡稱換熱器。換熱器在化工、石油、制冷、動力、食品等部門中均有廣泛的應(yīng)用。它們的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行對生產(chǎn)過程起著十分關(guān)鍵的作用。在化工廠的建設(shè)中,換熱器約占工程總投資的11%;通常,換熱器約占煉油及化工裝置設(shè)備總投資的40%。因此,換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理研究,在節(jié)省投資、降低能耗等方面將發(fā)揮日益重要的作用。(1)換熱裝置的分類 根據(jù)換熱的目的和工藝要求不同,換熱器的結(jié)構(gòu)型式必然是五花八門,其分類也是多種多樣。 按冷熱物料接觸方式可分為: 直接接觸式、蓄熱式和間壁式。

2、 按換熱器的使用功能又可分為: 加熱器、冷卻器、再沸器、冷凝器、蒸發(fā)器、空冷器、涼水塔、廢熱鍋爐等。 按換熱器換熱面緊湊程度又可分為: 緊湊式換熱器(換熱面積密度700m2/m3)和非緊湊式換熱器(換熱面積密度1.00.81.80.51.5530殼程流速/(m/s)0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215表3-4列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮?dú)錃獍踩魉?(m/s)1234管程,=0.60.8。正方形排列:2管程,=0.550.7;4管程,=0.450.65。殼體內(nèi)徑D的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。(2

3、)殼程折流擋板與分程隔板 列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通截面積大,當(dāng)殼程流體符合對流傳熱條件時,為增大殼程流體的流速,加強(qiáng)其湍動程度,提高殼程給熱系數(shù),需設(shè)置橫向折流擋板和縱向分程隔板。圖3-9常用折流板型式 殼程折流擋板折流擋板一般橫向設(shè)置,故又稱為橫向折流擋板。橫向折流擋板同時兼有支承傳熱管、抑制管束振動和管子彎曲的作用。 橫向折流擋板的型式有圓缺型(也稱弓型)、環(huán)盤型和孔流型等多種型式(見圖3-9)。a.圓缺型折流擋板又稱弓型折流板,應(yīng)用最多。折流板缺口位置有水平切口、垂直切口和轉(zhuǎn)角切口。水平切口宜用于單相流體。在殼程進(jìn)行冷凝時,采用垂直切口,有利于冷凝液的排放。對正方形排列的

4、管束,采用與水平成45的傾斜切口折流板,可使流體流過管束成錯列流動,有利于傳熱。如殼程允許壓降小時,可采用雙缺口折流板。如要求壓降特別低時,還可采用三缺口折流板和缺口不布置管子的型式。缺口的大小用切除高度與殼體內(nèi)徑的比值來表示,一般為20%25%。對于低壓氣體系統(tǒng),為減少壓降,缺口大小可達(dá)40%45%。折流板之間的間距比較理想的是使缺口的流通截面積和通過管束的錯流流動截面積大致相等,這樣可以減小壓降,并有利于傳熱。一般,折流板間距應(yīng)不小于殼體內(nèi)徑的1/5或50mm。由于折流板有支撐管子的作用,折流板間的最大間距,對于鋼管為171d0.74(d為管子外徑,單位為mm);對于銅、鋁及其合金管子為1

5、50d0.74。折流板上管孔與管子之間的間隙及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)合乎要求。間隙過大,泄漏嚴(yán)重,對傳熱不利,還易引起振動。間隙過小,安裝困難。b.環(huán)盤型折流板環(huán)盤型折流板壓降較小,但傳熱效果也差些,應(yīng)用較少。c.孔流型折流板流體穿過折流板孔和管子之間的縫隙流動,壓降大,僅適用于清潔流體,其應(yīng)用更少。 殼程分程隔板分程隔板一般縱向設(shè)置,故又稱為縱向分程隔板。分程隔板主要用于管程與殼程的分程,從而實(shí)現(xiàn)多管程和多殼程結(jié)構(gòu)。用于管程分程的隔板一般設(shè)置在換熱管束的前端管箱和后端結(jié)構(gòu)之中,將單管程結(jié)構(gòu)變成多管程結(jié)構(gòu)(見管程結(jié)構(gòu)及表3-7和圖3-8)。用于殼程分程的隔板尚需分隔前端管箱、換熱管束和后

6、端結(jié)構(gòu),從而將單殼程結(jié)構(gòu)變成多殼程結(jié)構(gòu)。單殼程的換熱器僅需設(shè)置橫向折流擋板,多殼程換熱器不但需要設(shè)置橫向折流擋板,而且還需要設(shè)置縱向折流隔板將換熱器分為多殼程結(jié)構(gòu)。對于多殼程換熱器,設(shè)置縱向折流隔板的目的不僅在于提高殼程流體的流速,而且是為了實(shí)現(xiàn)多殼程結(jié)構(gòu),減小多管程結(jié)構(gòu)造成的溫差損失。實(shí)際生產(chǎn)過程中,如果沒有特別的要求,出于設(shè)計(jì)、制造、安裝、清洗和檢修的方便,對于多殼程換熱器,通常情況下不是采用單殼程換熱器隔板分程的方式,而是多臺單殼程換熱器的組合。(3)其他主要部件 緩沖板與導(dǎo)流筒在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板,或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動,還有使流體

7、沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒,不僅起防沖板的作用,還可改善兩端流體的分布,提高傳熱效率。 圖3-10所示為兩種進(jìn)口接管和防沖板的布置。圖3-10(a)是普通接管,進(jìn)口處抽出一些管子,以減少局部阻力,致使傳熱面積略有減少。圖3-10(b)是一擴(kuò)大型接管,防沖板放在擴(kuò)大部分,不影響管數(shù)。圖3-10進(jìn)口接管及防沖板布置圖3-11導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)示意圖 圖3-11為兩種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流筒,圖3-11(a)結(jié)構(gòu)較簡單,但要抽出一部分管子,圖3-11(b)是在殼體外焊有一段環(huán)狀夾套,在原殼體壁面上沿圓周開有方形或長方形孔,孔的總面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)口接管的截面積。(b)型結(jié)構(gòu)可作為氣體或蒸氣進(jìn)口的分布

8、器。導(dǎo)流筒不僅用于進(jìn)口,也可用于出口。大型換熱器在高流速下工作時,導(dǎo)流筒更顯示出其優(yōu)越性。 旁流擋板與假管當(dāng)管束與殼體之間的間隙較大時,會形成旁流,影響傳熱,其間應(yīng)設(shè)置旁流擋板,或稱密封條。當(dāng)管束中間由于管程分程隔板而引起較大的空隙時,可裝一些假管,以減少旁流。假管是一些不穿過管板的管子,它們的一端或兩端都是封閉的,沒有流體通過,不起換熱作用。3管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)步驟 拉桿和定距管折流板用拉桿和定距管連接在一起。拉桿的數(shù)量取決于殼體的直徑,從4根到10根,直徑1012mm。定距管直徑一般與換熱管相同。有時也可將折流板與拉桿焊在一起而不用定距管。 管殼式換熱器國家已有系列標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)中

9、應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,這樣可簡化設(shè)計(jì)和加工。但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化,當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時,仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求自行設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)系列的換熱器。此處將扼要介紹這兩者設(shè)計(jì)計(jì)算的基本步驟。(1)非標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的一般設(shè)計(jì)步驟 了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能。 由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小,并確定第二種換熱流體的用量。 決定流體通入的空間。 計(jì)算流體的定性溫度,以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 初算有效平均溫差。一般先按逆流計(jì)算,然后再校核。 選取管徑和管內(nèi)流速。 計(jì)算傳熱系數(shù)K值,包括管程對流傳熱系數(shù)i和殼程對流傳熱系數(shù)o的計(jì)算。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

10、程對流傳熱系數(shù),以計(jì)算K值,然后再作校核。 初估傳熱面積。考慮安全系數(shù)和初估性質(zhì),因而常取實(shí)際傳熱面積是計(jì)算值的1.151.25倍。 選擇管長L。 計(jì)算管數(shù)N。 校核管內(nèi)流速,確定管程數(shù)。 畫出排管圖,確定殼徑D和殼程擋板形式及數(shù)量等。 校核殼程對流傳熱系數(shù)。 校核有效平均溫差。 校核傳熱面積,應(yīng)有一定安全系數(shù),否則需重新設(shè)計(jì)。 計(jì)算流體流動阻力,如阻力超過允許范圍,需調(diào)整設(shè)計(jì),直至滿意為止。(2)標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的選型設(shè)計(jì)步驟與(1)中相同; 選取經(jīng)驗(yàn)的傳熱系數(shù)K值。 計(jì)算傳熱面積。 由標(biāo)準(zhǔn)系列選取換熱器的基本參數(shù)。 校核傳熱系數(shù),包括管程、殼程對流傳熱系數(shù)的計(jì)算。假如核算的K值與原選的經(jīng)驗(yàn)值

11、相差不大,就不再進(jìn)行校核;如果相差較大,則需重新假設(shè)K值并重復(fù)上述以下步驟。 校核有效平均溫差。 校核傳熱面積,使其有一定安全系數(shù),一般安全系數(shù)取1.11.25,否則需重行設(shè)計(jì)。 計(jì)算流體流動阻力,如超過允許范圍,需重選換熱器的基本參數(shù)再行計(jì)算。 從上述步驟來看,換熱器的傳熱設(shè)計(jì)是一個反復(fù)試算的過程,有時要反復(fù)試算23次。所以,換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)際上帶有試差的性質(zhì)。傳熱計(jì)算主要公式傳熱計(jì)算是以傳熱速率式(3-5)為核心展開的。 傳熱速率式: Q=KAtm (3-5) 式中,Q為傳熱速率,W;K為總傳熱系數(shù),W/(m2);A為總傳熱面積,m2;tm為總平均溫差, 。 通過冷熱流體的熱量衡算方程式計(jì)

12、算換熱器的傳熱速率(或熱負(fù)荷)Q。(1)傳熱速率(或熱負(fù)荷)Q 冷熱流體均無相變化,且忽略熱損失,則Q=mhCph(T1-T2)=mcCpc(t2-t1) (3-6) 流體有相變化,如飽和蒸汽冷凝,且冷凝液在飽和溫度下排出,則Q=mhr=mcCpc(t2-t1) (3-7)式中,m為流體的質(zhì)量流量,kg/h或kg/s;Cp為流體的平均定壓比熱容,kJ/(kg);r為冷凝潛熱或汽化潛熱;T、t分別為熱、冷流體的溫度, ;下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流體;下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。 (2)傳熱平均溫度差tm 恒溫傳熱時的平均溫度差 tm=T-t (3-8) 變溫傳熱時的平均溫度差簡單流

13、(逆流和并流):tm=tm= (3-9)式中,tm為傳熱平均溫度差, ;tm為逆流或并流傳熱時的對數(shù)平均溫度差, ;t1,t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差, 。圖3-12各種換熱器的平均溫度差校正系數(shù)復(fù)雜流(錯流和折流):tm=tm (3-10)式中,tm為按逆流計(jì)算的對數(shù)平均溫差, ;為溫差校正系數(shù),量綱為1,=f(P,R),P=R= (3-11)(3)溫差校正系數(shù)常根據(jù)P和R參數(shù),通過溫差校正系數(shù)圖查出(參考圖3-12),亦可按復(fù)雜流公式計(jì)算。該值實(shí)際上表示特定流動形式在給定工況下接近逆流的程度。在設(shè)計(jì)中,除非出于必須降低壁溫的目的,否則總要求0.8,如果達(dá)不到上述要求,則應(yīng)改用其他流

14、動形式。(4)總傳熱系數(shù)K(以外表面積為基準(zhǔn))=+Rso+Rsi+(3-12)式中,K為總傳熱系數(shù),W/(m2);i、o分別為傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對流傳熱系數(shù),W/(m2);Rsi、Rso分別為傳熱管內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻,m2/W;di、do、dm分別為傳熱管內(nèi)徑、外徑及對數(shù)平均直徑,m;為傳熱管壁熱導(dǎo)率,W/(m);b為傳熱管壁厚,m。(5)傳熱膜系數(shù)(或給熱系數(shù))不同流動狀態(tài)下,傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式不同,具體型式見表3-9。圖3-13殼程給熱系數(shù)與折流板圓缺的關(guān)系值得說明的是: 殼程當(dāng)量直徑殼程當(dāng)量直徑與換熱管的排列方式有關(guān):正方形排列de=(3-13)正三角形排列de=(3-14)符號

15、意義同前。a.殼程流體無相變傳熱對于裝有弓形折流板的管殼式換熱器,殼程給熱系數(shù)的計(jì)算有貝爾(Bell)法、克恩(Ken)法、多諾霍(Donohue)法。其中貝爾法精度較高,但計(jì)算過程很麻煩。目前設(shè)計(jì)人員較為常用的是克恩法和多諾霍法。其中克恩法最為簡單便利,即表3-8中的式。但該式只適用于Reo=2(103106),弓形折流板圓缺高度為直徑的25%的情況。若折流板割去的圓缺高度不是25%,而為其他值時,則可用圖3-13先求出傳熱jH因子,再用式(3-15)求給熱系數(shù): 殼程給熱系數(shù)o=jHPr1/3(3-15)b.殼程為飽和蒸汽冷凝工業(yè)上冷凝器以采用水平管束和豎直管束居多,且管表面液膜多為層流。

16、在這種情況下一般實(shí)測的傳熱膜系數(shù)多大于努塞爾特理論公式的計(jì)算值。德沃爾(Devore)基于努塞爾的理論公式和實(shí)測值,提出層流時的冷凝傳熱膜系數(shù)計(jì)算式如下:(a)水平管束外冷凝蒸汽在水平管外冷凝,其冷凝液膜的流動一般為層流(Re2100)或(3-16)式中,*為量綱為1的冷凝傳熱膜系數(shù);o為管外冷凝傳熱膜系數(shù),W/(m2)。Re=M= (3-17)式中,m為冷凝液量,kg/s;L為傳熱管長,m;ns為當(dāng)量管數(shù),與傳熱管布置方式及總管數(shù)有關(guān),可用下式求得:ns=(3-18)式中,NT為傳熱管的總根數(shù)。(b)豎直管束外冷凝與單根豎直管外冷凝相同。(3-19)Re=M= (3-20) (3-21)對于

17、底部已達(dá)湍流狀態(tài)的豎壁冷凝換熱,其沿整個壁面的平均傳熱膜系數(shù)可由下式求取:=+(3-22)式中,為層流段的平均傳熱膜系數(shù);為湍流段的平均傳熱膜系數(shù);xc為由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界高度;L為豎壁總高度;為沿整個豎壁的平均傳熱膜系數(shù)。式(3-16)和式(3-19)僅適用于液膜沿管壁呈層流流動,即要求Re=4M/500);nc為橫過管束中心線的管數(shù),可按式(3-2)及式(3-3)計(jì)算;B為折流板間距,m;D為殼體直徑,m;NB為折流板數(shù)目;uo為按殼程最大流通截面積SoSo=B(D-ncdo)計(jì)算的流速,m/s。管壁與殼壁溫度的核算 有些情況下,傳熱膜系數(shù)與壁溫有關(guān),這種情況下,計(jì)算傳熱膜系數(shù)需先假設(shè)

18、壁溫,待求得傳熱膜系數(shù)后,再核算壁溫。另外,計(jì)算溫差應(yīng)力,檢驗(yàn)所選換熱器的型式是否合適,是否需要加設(shè)溫度補(bǔ)償裝置等均需核算壁溫。(1)傳熱管壁溫度 傳熱管壁兩側(cè)的壁面溫度以熱流體走殼程,冷流體走管程為例,對于定態(tài)傳熱過程,若忽略傳熱管間壁兩側(cè)污垢熱阻,則Q=hAh(Tm-Tw)=cAc(tw-tm)=oAo(Tm-Tw)=iAi(tw-tm)(3-27)式中,Q為換熱器熱負(fù)荷,W;Tm為熱流體的平均溫度, ;Tw為熱流體側(cè)的管壁平均溫度, ;tm為冷流體的平均溫度, ;tw為冷流體側(cè)的管壁平均溫度, ;h為熱流體側(cè)的傳熱膜系數(shù),W/(m2);c為冷流體側(cè)的傳熱膜系數(shù),W/(m2);Ah為熱流體側(cè)的傳熱面積,m2;Ac為冷流體側(cè)的傳熱面積,m2。其余符號意義同前。將式(3-19)整理得:Tw=Tm-Q/hAh, tw=tm+Q/cAc(3-28)考慮兩側(cè)污垢熱阻,則(3-29)式中,Rh、Rc分別為熱流體和冷流體側(cè)的污垢熱阻,(m2)/W。其余符