换热器换热面积选型计算方法

换热器课程设计 第三节换热器计算方法 换热器 在不同温度的流体间传递热能的装置称为换热器 在化工 石油 动力 制冷 食品等行业中广泛使用各种换热器 且它们是上述行业的通用设备 占有十分重要的地位 1 热力设计根据使用单位提出的基本要求 合理地选择运行参数 并进行传热计算 计算出总传热系数 传热面积2 流动设计计算压降 为换热器的辅助设备提供选择参数3 结构设计根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸4 强度设计应力计算 考虑换热器的受力情况 特别是在高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容器的标准设计 管壳式换热器结构 管箱 封头 壳体内部结构 包括管束等 单管程固定管板换热器 接管 壳体 管束 管板 封头 端盖 管箱 折流挡板 管程 壳程 不洁净和易结垢的液体宜在管内 清洗比较方便 腐蚀性流体宜在管内 避免壳体和管子同时腐蚀 便于清洗 压强高的流体宜在管内 免壳体受压 节省壳程金属消耗量 饱和蒸汽宜走管间 便于及时排除冷凝液 有毒流体宜走管内 使泄露机会较少 被冷却的流体宜走管间 可利用外壳向外的散热作用 流量小或粘度大的液体 宜走管间 提高对流传热系数 若两流体的温差较大 对流传热系数较大者宜走管间 减少热应力 一 流体流径的选择 冷 热流体走管程或壳程 上述各点若不能同时兼顾 应视具体情况抓主要矛盾 先流体的压强 防腐蚀和清洗等要求 再校核对流传热系数和压强降 增加流速对流传热系数 污垢热阻 总传热系数 传热面积 流动阻力 和动力消耗 还需考虑结构上 高流速 管子数目 较长管子或增加程数管子太长不易清洗 且管长都有一定标准 程数增加使平均温度差下降 二 流体流速的选择 一定传热面积 常用的流速范围 不同粘度液体的流速 三 流体两端温度的确定 若冷 热流体的温度都由工艺条件所规定 就不存在确定两端温度的问题 若其中一个流体已知进口温度 则出口温度应由设计者来确定 例如 用冷水冷却某热流体 冷却水进口温度可根据当地气温条件作出估计 出口温度需根据经济衡算来决定 为节省水量 出口温度提高 则传热面积要大些 为减少传热面积 出口温度降低 则要增加水量 一般 设计时冷却水两端温度差可取为5 10 1 管径应尽可能使流速高些 但一般不应超过前面的流速范围目前列管式换热器系列标准中管径具有 25mm 2 5mm 19mm 2mm 四 管子的规格和排列方法 小直径管子单位传热面积的金属消耗量小 传热系数稍高 但容易结垢 不易清洗 用于较清洁的流体 大直径管子用于粘性大或易结垢的流体 2 管长以清洗方便及合理使用管材为原则 合理的换热器管长 1 5m 2m 3m 6m等 管子长度与公称直径之比 一般为4 6 对直径小的换热器可取大些 3 管子排列方法 正三角形 转角正三角形 正方形 转角正方形等 管板强度高 流体走短路机会少 且扰动较大 因而对流传热系数较高 相同壳程内排更多管子 便于清洗 适于壳程流体易结垢的场合 但对流传热系数较正三角形的低 介于正三角形和正方形之间 4 管间距t 管间距 两相邻换热管中心的距离 其值的确定需要考虑以下几个因素 管板强度 清洗管子外表面时所需要的空隙 换热管在管板上的固定方法 通常 胀管法取t 1 3 1 5 d0 且相邻两管外壁间距不应小于6mm 即t 6 d0焊接法取t 1 25d0 五 管程和壳程数的确定 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时 有时会使管内流速较低 对流系数较小 为提高管内流速 可采用多管程 但管程数过多 管程流动阻力加大 增加动力费用 多程会使平均温度差下降 多程隔板使管板上可利用面积减少 标准中管程数有 1 2 4和6程 多程时应使每程管子数大致相等 管程数m计算 u 管程内流体的适宜流速 u 管程内流体的实际流体 1 管程数 当温差校正系数低于0 8 可采用壳方多程 如 在壳体内安装一块与管束平行的隔板 流体在壳体内流经两次 称为两壳程 但由于隔板在制造 安装和检修等方面都有困难 故一般不采用壳方多程的换热器 而是几个换热器串联使用 2 壳程数 六 折流挡板 形式 作用 提高壳程内流体的流速 加强湍流强度 提高传热效率 支撑换热管 圆缺形 圆盘形 最常用的为圆缺形挡板 切去的弓形高度约为外壳内径的10 40 一般取20 25 板间距过小 不便于制造和维修 阻力较大 板间距过大 流体难于垂直地流过管束 使对流传热系数下降 两相邻挡板的距离 板间距 h为外壳内径D的 0 2 1 倍 系列标准中 采用的h mm 值为 固定管板式 150 300 600 浮头式 150 200 300 480和600 七 外壳直径的确定 要求 壳体内径等于或稍大于管板的直径 单程管壳体内径 式中 t 管心距 m nc 横过管束中心线的管数 b 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 管板利用率 多管程壳体内径 N 排列管子数目 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 计算得到的壳内径应圆整 壳体标准尺寸 八 主要附件 1 封头 方形 用于直径小的壳体 400mm 圆形 用于大直径的壳体 2 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击 可在进料管口装设缓冲挡板 3 导流筒 壳程流体的进 出口与管板间存在一段流体不能流动的空间 死角 为了提高传热效果 常在管束外增设导流筒 4 放气孔 排液孔 壳体上常安有放气孔和排液孔 排出不冷凝气体和冷凝液等 5 接管 换热器中流体进 出口的接管直径按下式计算 即 Vs 流体的体积流量 u 流体在接管中的流速 流速u的经验值可取为 对液体u 1 5 2m s 对蒸气u 20 50m s 对气体u 0 15 0 2 p p为压强 kPa 为气体密度 九 材料选用 材料应根据操作压力 温度及流体的腐蚀性等来选用 目前常用的金属材料有 碳钢 不锈钢 低合金钢 铜和铝等 非金属材料有 石墨 聚四氟乙烯和玻璃等 十 流体流动阻力 压强降 的计算 1 管程流动阻力 总阻力等于各程直管阻力 回弯阻力及进 出口之和 一般进 出口阻力可忽略不计 管程总阻力的计算式为 2 壳程流动阻力 用埃索法计算壳程压强降 即 液体流经换热器的压强降为10 100kPa 气体为1 10kPa 设计步骤 1 试算并初选设备规格 确定流体在换热器中流动途径 根据传热任务计算热负荷Q 确定流体在换热器两端的温度 选择列管换热器的形式 计算定性温度 并确定在定性温度下的流体物性 计算平均温差 并根据温度差校正系数不应小于0 8的原则 决定壳程数 依据总传热系数的经验值范围 或按生产实际情况 选定总传热系数K值 由传热速率方程 初步算出传热面积 并确定换热器的基本尺寸 2 计算管程 壳程压强降 根据初定的设备规格 计算管程 壳程流体的流速和压强降 验算结果是否满足工艺要求 若压强降不符合要求 要调整流速 再确定管程数或折流板间距 或选择另一规格的换热器 重新计算压强降直至满足要求 3 核算总传热系数 计算管程 壳程对流传热系数 确定污垢热阻 再计算总传热系数K 比较K的初设值和计算值 若K K 1 15 1 25 则初选的换热器合适 否则需另设K值 重复以上计算步骤 设计任务书 将6000kg h的植物油从140 冷却到40 井水进 出口温度分别为20 和40 要求换热器的管程和壳程压强降均不大于35kPa 实例 工艺设计计算 一 确定设计方案 1 选择换热器的类型两流体的变化情况 热流体进口温度140 出口温度40 冷流体进口温度20 出口温度40 考虑冷热流体间温差大于50 初步确定选用浮头式换热器 2 流程安排与植物油相比 井水易于结垢 如果其流速太小 会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降 植物油被冷却 走壳程便于散热 因此 冷却水走管程 植物油走壳程 二 确定物性数据 对于粘度低的流体 其定性温度可取流体进出口温度的平均值 所以 壳程流体的定性温度为 管程流体的定性温度为 定性温度下 管程流体 井水 壳程流体 植物油 有关物性参数由 主要物性参数表 得出 2 物性参数 1 定性温度 主要物性参数表 三 估算传热面积 1 热流量 2 平均传热温差先按照逆流计算 得 3 传热面积 由于壳程植物油的压力较高 故可选取较大的K值 假设K 395W m2 则估算的传热面积为 考虑到外界因素的影响 根据经验取实际传热面积为估算值的1 15倍 则实际传热面积为 4 井水用量 四 工艺结构尺寸 1 管径和管内流速 选用 25 2 5较高级冷拔传热管 碳钢 取管内流速u1 0 75m s 2 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管设计 传热管过长 宜采用多管程结构 根据本设计实际情况 采用标准管设计 现取传热管长L 8m 则该换热器的管程数为 传热管总根数 n 20 2 40 根 按单程管计算 所需的传热管长度为 3 平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数 按单壳程 双管程结构 查图得 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0 8 同时壳程流体流量较大 故取单壳程合适 4 传热管排列和分程方法 采用正方形错列 取管心距t 1 25d0 则t 1 25 25 31 25 32mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离 S t 2 6 32 2 6 22mm各程相邻管的管心距为 22 2 44mm 5 壳体内径 采用多管程结构 取管板利用率 0 85 则壳体内径为 圆整可取D 300mm 6 折流板 采用弓形折流板 取弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25 则切去的圆缺高度为 H 0 25 300 75m取折流板间距h 0 3D 则h 0 3 300 90mm故可取h 100mm 折流板数目 7 其他附件拉杆数量与直径按表选取 本换热器壳体内径为300mm 故 拉杆直径为 12 拉杆数量不得少于4 8 接管壳程流体进出口接管 取接管内流体流速为u1 2m s 则接管内径为 管程流体进出口接管 取接管内液体流速u2 2 5m s 则接管内径为 五 换热器核算 1 热量衡算 1 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板 可采用凯恩公式计算 当量直径 壳程流通截面积 壳程流体流速 雷诺数 普兰特准数 粘度校正 2 管程对流传热系数 管程流体流通截面积 管程流体流速 雷诺数 普兰特准数 3 污垢热阻 管内侧污垢热阻 管外侧污垢热阻 4 传热系数 5 传热面积裕度