换热器计算步骤

1、第2章工艺计算设计原始数据表2 1名称设计压力设计温度介质流量容器类别设计规X单位MpaC/Kg/h/壳侧420/295蒸汽、水IIIGB150管侧28310/330水60000GB150管壳式换热器传热设计根本步骤(1) 了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能(2) 由热平衡计算的传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。3确定流体进入的空间4计算流体的定性温度，确定流体的物性数据5计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核6选取管径和管内流速7计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、 管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K,然后再校核

2、9选取管长1010计算管数Nt11校核管内流速，确定管程数12画出排管图，确定壳径Di和壳程挡板形式与数量等13校核壳程对流传热系数14校核平均温度差15校核传热面积16计算流体流动阻力。假如阻力超过允许值，如此需调整设计确定物性数据定性温度由饱和水蒸气表可知，蒸汽和水在 p=7.22MPa t>295 C情况下为蒸汽，所以在不考 虑开工温度、压力不稳定的情况下，壳程物料应为蒸汽，故壳程不存在相变。对于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其壳程混合气体 的平均温度为：t= 420 295357.5 C2-12管程流体的定性温度：T=330320 C2根据定性温度，分别查

3、取壳程和管程流体的有关物性数据物性参数管程水在320C下的有关物性数据如下：【参考】表2 2密度p i-=kg /m3定压比热容Cpi =kJ/ kg.K热导率入i =W/m：C粘度卩i =1普朗特数壳程：【锅炉手册饱和水蒸气表】表2 一 3密度p o=kg /m3定压比热容Cpo=kJ/ kg.K热导率入o=W/m.C粘度卩0 =1普朗特数估算传热面积热流量2-2根据公式2-1计算：Q WCp t【化原4-31a】将数据代入2-1丨得：平均传热温差根据化工原理4-45公式2-2计算:tmt1 t22-3Qt1 =60000XX 103 (330-310)/3600=18W式中：w -工艺流体

4、的流量，kg/h ；Cp1工乙流体的疋压比热容，kJ/ kg K;t1-工艺流体的温差，C；Q热流量，W按逆流计算将数据代入2-3得:tmt1 t2Intlt2420 330310 29541.86 C ,420 330In310 295式中：tm 逆流的对数平均温差，C；ti 热流体进出口温差，c； t2 冷流体进出口温差，°C； 可按图2-1中b所示进展计算。图2-1列管式换热器内流型传热面积根据所给条件选定一个较为适宜的 K值，假设K =400 W/mK如此估算传热面积为QK tm化工原理式4-432-4将数据代入2-3得：S109.39 m2Q 1831666.67K tm

5、400 41.86式中：S估算的传热面积，m2 ；K假设传热系数，W/m. C；tm 平均传热温差，C。 考虑的面积裕度，如此所需传热面积为：S' S 1.15 112.88 1.15 125.8m22-5热流体用量根据公式2-4计算：由化工原理热平衡公式QCp t将数据代入2-4丨得:W2QC p2 t21831666673.033 (420 295)1739268kg/h 2-6式中Q热流量，WCp2定压比热容，kJ/ kC；t2 热流体的温差，C；W2 热流体的质量流量，kg/h工艺尺寸管数和管长1.管径和管内流速根据红书表3-2换热管规格表2-4材料钢管标准外径厚度/ mm m

6、m外径偏差/mm壁厚偏差碳钢GB8163250.2012%10%根据红书表3-4取管内流速Ui 1m/s2管程数和传热管数依红书3-9式 n L，可根据传热管内径和流速确定单管程传热管数24duqv24diUi16.67(2-7)709.774.8 75根 0.022 14式中qv 管程体积流量,n 单程传热管数目；di 传热管内径，mm ；u管内流体流速，ms按单管程计算,依红书3-10,所需的传热管长度为L -A-dom125.821.3 m0.025 75(2-8)式中L 按单程管计算的传热管长度，mAp 传热面积， m2 ；do 换热管外径，m。按单管程设计，传热管过长，如此应采用多管

7、程，根据本设计实际情况，采用非标 准设计，现取传热管长丨6m,如此该换热器的管程数为L 21 3N p - 3.56 4 管程(2-9)p l 6传热管总根数Nt ns Np 75 4 300根(2-10)式中，d。一一管子外径，m ;Nt传热管总根数，根；d。一一管子外径，m ;3.换热器的实际传热面积，依据 红书3-12，ad°INT 3.14 0.025 6 300 141.3 m 2-11式中 Nt换热器的总传热管数；式 ， A 换热器的实际传热面积。平均传热温差校正与壳程数选用多管程损失局部传热温差，这种情况下平均传热温差校正系数与流体进出口温度有关，其中 按红书3-13a

8、 3-13b热流体的温差 飞T2 212冷流体的温差t2 t1-冷流体的温差t2 t1 213两流体最初温差£ t1将数据代入2-12和2-13得:TtiP t2 tiT1t142295 0.75330310330 310420 3100.22按单壳程，四管程结构,红书图3-7，查得校正系数:方 M1P99 O8 7 6 t o o c 以场嚓ana榊喀0 ft I 0.20.40,50.60,70.8平均传热温差图2-2温差校正系数图t 0.96;按式2-9计算：tmt塑2-14将数据代入2-9得:tmt t塑 0.96 41.86 40.2°C式中：tm 平均传热温差，

9、C；t 校正系数；t塑一一未经校正的平均传热温差，c。由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流量较大，故取单壳程适宜。传热管排列方式：采用正三角形排列每程各有传热管 75根，其前后官箱中隔板设置和介质的流通顺序按化工设计3-14 选取取管心距：t 1.28d02-15如此管心距：t 1.28 do 1.28 25 32mm根据标准选取为32mm隔板中心到离其最近一排管中心距t32s 66 22mm22 2-16各程相邻传热管的管心距为2s=44mm每程各有传热管75根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按图2-4选取图2-3组合排列法I /哺返画T取丄卜I图2-4隔板形式和介质流通顺

10、序5壳体内径4管程，取管板利用率为2-17采用多管程结构，壳体内径可按式计算。正三角形排列,0.6 0.8, 取 0.7，如此壳体内径为式中：D壳体内径,m;t管中心距,m;N T横过管束中心线的管数按卷制圆筒进级挡圆整，取为 D=700mm折流板管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加 强其湍动程度，提高其外表传热系数，需设置折流板。单壳程的换热器仅需要设置横向 折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%25%取25%取如此切去的圆缺高度为：h 0.25 700 175 mm故可取h 180mm取折流板间距B °.3D，如此B 0.

11、3 700210(mm)2-182-19可取为B=250mmNB传热管长6000-1折流板间距25023（块）2-20折流板数NB折流板圆缺面水平装配。化工设计图3-15图2-5弓性折流板水平圆缺其它附件拉杆拉杆数量与直径：由化工设计表4-7表4-8该换热器壳体内径为700mm故其拉杆 直径为© 16拉杆数量为6个。接收依据化工原理 式1-24,壳程流体进出口接收：取接收内水蒸气流速为w /s，如此接收内径为4 17393 (3600 28.8)0.219 (m) 2-21 4.42圆整后可取内径为D1150mm管程流体进出口接收：取接收内液体流速为 少1m/s，如此接收内径为D2代

12、圆整后取管内径为D2=180mm|46000°(3600 7097)10.173(m)式中：D接收内径，m ;u流速，m/s ；V热、冷流体质量流量，kg/s换热器核算热流量核算壳程外表传热系数壳程外表传热系数用克恩法计算，见式红书3-2210.55 /30 142-220.36Re Pr(一)0.14dew当量直径，依式 红书3-32b计算:de3 24(R2；do)2-23do将数据代入2-23得：de3 224(R 訶)do4（今。宓240.025)0.0250.020 (m)式中 de 当量直径，m ；t 管心距，m ；do 管外径，m 。壳程流通面积依红书式3-25计算So

13、 BD(1 牛)依据红书计算步骤，壳程流体流速与其雷诺数分别为17393U 血 （3600_28.8）4.415 :m/so So0.038RedeU0.02 4.415 28.822.45 10113275.722-252-26So bd（1 牛）0.25 0.7 (1 0.025) 0.038(m2) S2 BD(10.032式中 B折流板间距，m ；D 壳体内径，m ;t 管心距，m ；do 管径，m；So 壳程流通面积，2 m 。色）2-24 t普朗特数pr 1.122黏度校正(产141壳程外表传热系数0.361 Rede0.55 J3)。"w0.06060 55 O.23R

14、e0.8 Pr0.43/2、0.36113276 1.122 0.23 0.5507 166031.10'8 0.8530.4562.5(W/m2 C) 1 682.5 (W/mdi C)0.022-27式中 U2 壳程流体流速，m/s ;2S2 壳程流通面积，m ；密度kg / m3m 热流体的质量流量，kg/h。管内外表传热系数管程流体流通截面积Nt22S di T 0.0275 0.0236 (m )2-284n 4管程流体流速Ui 1 m/s雷诺数Re叠j，7097 0.026 1 166031.12-29i i 85.49 10普朗特数Pr 0.853按化工原理 式0.23

15、ePr0.4得di2-30式中：Re雷诺数;deUii-当量直径，m ；管程流体流速，m/s ；密度 kg /m3 ；i 粘度，Pa.sPr 普朗特数；Cpi 定压比热容，kJ/ kg. C；i 粘度，Pa.s ;i热导率，W/m/Co污垢热阻和管壁热阻污垢热阻和管壁热阻可取：化工原理附录20管外侧污垢热阻R。0.8598 10 4 m2 C /W管内侧污垢热阻Ro 0.8598 10 4 m2 C /W管壁热阻按红书式计算，查表 可得碳钢在该条件下的热导率为 40W /(m.K):2-31将数据代入2-31得:0.002402 10 4(m2?K/W)式中：Rw管壁热阻，mlK/W ； b

16、传热管壁厚，m;w 管壁热导率，W/m.Co传热系数Kc按红书3-21计算：因为i值更小，故按Ki计算Kc2-32diRodiRwdi rd0dmRiod。将数据代入2-32得:Kcy 0.02(628.5 0.0250.8598 10 4 0.020.0252 10 4 0.02020.8598 10 41562.5346.1 W/m2 K传热面积裕度红书3-35AcQKc tm1831666.67346.1 41.862126.42(m )2-33该换热器的实际换热面积 AA dNT 3.14 0.025 6 300 141.3(m2)2-34依红书式3-36该换热器的面积裕度为H A A

17、c 100% 141.3 12642 100% 11.79% 2-35AC126.42该换热器的面积裕度适宜，该换热器能够完成生产任务壁温核算温差计算由于工作条件是高温高压，与四季气温相差特别大。因此进出口温度可以取原操作 温度。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温降低，降低了传热管和壳体 之间的温差。但操作初期时，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁壁温差可能很大。计算 中因按最不利的因素考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。由红书3-42式计算:1 1tw2-36T m(RJ tm(Rh)ch1 1 RcRhch液体的平均温度按红书3-44 和3-45式tm 0.4t20.6t

18、1计算有:tm °.4 330 0.6 310 318 C2-372he h。6826W/mC hi 5625W/m2 C 代入2-36式传热管平均壁温357.53182-3868265625336.8C1 1682.6562.5式中：热流体进口温度，C；T2 热流体出口温度，C； t1 冷流体进口温度，C； t2 冷流体出口温度，C。传热管壁温和壳体壁温之差为t 357.5 336.820.7C2-39该温差较大，需设温度补偿器。由于水和水蒸气不容易结垢，不需要经常清洗，因 此选用U型管换热器较为适宜。管程流体阻力依式:2-29Pi（口P2）NpFt2-36其中Np 4 Ft1.5

19、式中：Np 管程数；Pi 管程总阻力，Pa .7Ft 管程结垢校正系数，对25 2.5mm的管子，取1.5 ；lu2pii2-37i di 2由Re=166031 查化原表1-2传热管绝对对粗糙度0.02传热管相对对粗糙度晋 0.001查化工原理 图1-27莫狄 一Re图得匚0.0213709.7 kg/m , u 1m/s，将数据代入2-37得:Pi式中:Pr 局部阻力，Pa ；62709.7 10.021 -2235.5Pa0.022式中:i摩擦系数；l-管长，m ;di _传热管内径，m ；-冷流体密度，kg/m3 ；u管内流速，m/s ；Pi-一单程直管阻力，Pa。局部阻力按式2-37

20、计算，Pr22-382将数据代入2-31丨得：2 2u- 709.7 1“pr31596.8 Pa2 2局部阻力系数;冷流体密度，kg/m'；u 管内流速，m/s ;管程总阻力为：Pt (2235.5 1596.8) 2 4 1.5 45987.6Pa 2-39管程流体阻力在允许X围之内。2.6.壳程阻力按式红书 式3-50 3-54计算：Po ( p'P2)FsNs 2-40其中2 1， Fs 1式中 Po 壳程总阻力，Pa ；p1 流体流过管束的阻力，Pa ；P2流体流过折流板缺口的阻力，Pa ；Fs 壳程结垢校正系数；2 壳程数；流体流经管束的阻力按2-41计算2 p1 Ff°n c(Nb 1)宁2-41将数据代入2-340得:po 0.5 0.352 19.05补28.8102“51 |丿2i. i i i u ra式中P1流体流过管束的阻力，Pa ；f-管子排列方式为正三角形，所以F 0.5 ；f。-壳程流体的摩擦系数，f 5.0Re。0.2285 166031.1 02280.352