管壳式换热器的设计和选型.docx
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管壳式换热器的设计和选型
管壳式换热器的设计和选型
管壳式换热器是一种传统的标准换热设备,它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等优点,在许多工业部门中大量使用,尤其是在石油、化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中,管壳式换热器居主导地位。
为此,本节将对管壳式换热器的设计和选型予以讨论。
(一)管壳式换热器的型号与系列标准
鉴于管壳式换热器应用极广,为便于设计、制造、安装和使用,有关部门已制定了管壳式换热器系列标准。
1.管壳式换热器的基本参数和型号表示方法
(1)基本参数管壳式换热器的基本参数包括:
①公称换热面积 ;
②公称直径 ;
③公称压力 ;
④换热器管长度 ;
⑤换热管规格;
⑥管程数 。
(2)型号表示方法管壳式换热器的型号由五部分组成:
1──换热器代号
2──公称直径DN,mm;
3──管程数:
ⅠⅡⅣⅥ;
4──公称压力PN,MPa;
5──公称换热面积SN,m2。
例如 800mm、 0.6MPa的单管程、换热面积为110m2的固定管板式换热器的型号为:
G800I-0.6-110
G──固定管板式换热器的代号。
2.管壳式换热器的系列标准
固定管板式换热器及浮头式换热器的系列标准列于附录中,其它形式的管壳式换热器的系列标准可参考有关手册。
(二)管壳式换热器的设计与选型
换热器的设计是通过计算,确定经济合理的传热面积及换热器的其它有关尺寸,以完成生产中所要求的传热任务。
1.设计的基本原则
(1)流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体,此问题受多方面因素的制约,下面以固定管板式换热器为例,介绍一些选择的原则。
①不洁净和易结垢的流体宜走管程,因为管程清洗比较方便。
②腐蚀性的流体宜走管程,以免管子和壳体同时被腐蚀,且管程便于检修与更换。
③压力高的流体宜走管程,以免壳体受压,可节省壳体金属消耗量。
④被冷却的流体宜走壳程,可利用壳体对外的散热作用,增强冷却效果。
⑤饱和蒸汽宜走壳程,以便于及时排除冷凝液,且蒸汽较洁净,一般不需清洗。
⑥有毒易污染的流体宜走管程,以减少泄漏量。
⑦流量小或粘度大的流体宜走壳程,因流体在有折流挡板的壳程中流动,由于流速和流向的不断改变,在低Re(Re>100)下即可达到湍流,以提高传热系数。
⑧若两流体温差较大,宜使对流传热系数大的流体走壳程,因壁面温度与α大的流体接近,以减小管壁与壳壁的温差,减小温差应力。
以上讨论的原则并不是绝对的,对具体的流体来说,上述原则可能是相互矛盾的。
因此,在选择流体的流径时,必须根据具体的情况,抓住主要矛盾进行确定。
(2)流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。
增大流速,可加大对流传热系数,减少污垢的形成,使总传热系数增大;但同时使流动阻力加大,动力消耗增多;选择高流速,使管子的数目减小,对一定换热面积,不得不采用较长的管子或增加程数,管子太长不利于清洗,单程变为多程使平均传热温差下降。
因此,一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。
表4-14至表4-16列出了常用的流速范围,可供设计时参考。
选择流速时,应尽可能避免在层流下流动。
表4-14管壳式换热器中常用的流速范围
流体的种类
一般流体
易结垢液体
气体
流速,m/s
管程
0.5~3.0
>1.0
5.0~30
壳程
0.2~1.5
>0.5
3.0~15
表4-15管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速
液体粘度,mPa·s
>1500
1500~500
500~100
100~35
35~1
<1
最大流速,m/s
0.6
0.75
1.1
1.5
1.8
2.4
表4-16管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度
液体名称
乙醚、二硫化碳、苯
甲醇、乙醇、汽油
丙酮
安全允许速度,m/s
<1
<2~3
<10
(3)冷却介质(或加热介质)终温的选择在换热器的设计中,进、出换热器物料的温度一般是由工艺确定的,而冷却介质(或加热介质)的进口温度一般为已知,出口温度则由设计者确定。
如用冷却水冷却某种热流体,水的进口温度可根据当地气候条件作出估计,而出口温度需经过经济权衡确定。
为了节约用水,可使水的出口温度高些,但所需传热面积加大;反之,为减小传热面积,则可增加水量,降低出口温度。
一般来说,设计时冷却水的温度差可取5~10℃。
缺水地区可选用较大温差,水源丰富地区可选用较小的温差。
若用加热介质加热冷流体,可按同样的原则选择加热介质的出口温度。
(4)管子的规格和管间距
①管子规格管子规格的选择包括管径和管长。
目前试行的管壳式换热器系列只采用25×2.5mm及19×2mm两种管径规格的换热管。
对于洁净的流体,可选择小管径,对于易结垢或不洁净的流体,可选择大管径。
管长的选择以清理方便和合理使用管材为原则。
我国生产的标准钢管长度为6m,故系列标准中管长有1.5、2、3和6m四种。
此外管长 和壳径 的比例应适当,一般 为4~6。
②管间距管子的中心距t称为管间距,管间距小,有利于提高传热系数,且设备紧凑。
但由于制造上的限制,一般 , 为管的外径。
常用的 与 的对比关系见表4-17。
表4-17管壳式换热器 与 的关系
换热管外径,mm
1014192532384557
换热管中心距,mm
1419253240485772
(5)管程和壳程数的确定
①管程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时,就得排列较多的管子,为了提高流体在管内的流速,需将管束分程。
但是程数过多,导致管程流动阻力加大,动力能耗增大,同时多程会使平均温差下降,设计时应权衡考虑。
管壳式换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。
采用多程时,通常应使每程的管子数相等。
管程数 可按下式计算,即
(4-114)
式中
──管程内流体的适宜速度,m/s;
──管程内流体的实际速度,m/s。
②壳程数的确定当温度差校正系数 时,应采用壳方多程。
壳方多程可通过安装与管束平行的隔板来实现。
流体在壳内流经的次数称壳程数。
但由于壳程隔板在制造、安装和检修方面都很困难,故一般不宜采用。
常用的方法是将几个换热器串联使用,以代替壳方多程。
(6)折流档板的选用安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧,提高壳程流体的对流传热系数。
折流挡板有弓形、圆盘形、分流形等形式,其中以弓形挡板应用最多。
挡板的形状和间距对壳程流体的流动和传热有重要的影响。
弓形挡板的弓形缺口过大或过小都不利于传热,还往往会增加流动阻力。
通常切去的弓形高度为外壳内径的10~40%,常用的为20%和25%两种。
挡板应按等间距布置,挡板最小间距应不小于壳体内径的1/5,且不小于50mm;最大间距不应大于壳体内径。
系列标准中采用的板间距为:
固定管板式有150、300和600mm三种;浮头式有150、200、300、480<和600mm五种。
板间距过小,不便于制造和检修,阻力也较大;板间距过大,流体难于垂直流过管束,使对流传热系数下降。
挡板弓形缺口及板间距对流体流动的影响如图片4-54所示。
为了使所有的折流挡板能固定在一定的位置上,通常采用拉杆和定距管结构。
【图片4-54】挡板缺口高度及板间距的影响。
【播放动画4-3】挡板缺口高度及板间距的影响。
应予指出,换热器的折流构件除通用的折流档板外,还有其它一些型式,如近年来开发出的折流盘等,详细介绍见有关专业书籍。
(7)外壳直径的确定换热器壳体的直径可采用作图法确定,即根据计算出的实际管数、管长、管中心距及管子的排列方式等,通过作图得出管板直径,换热器壳体的内径应等于或稍大于管板的直径。
但当管数较多又需要反复计算时,用作图法就太麻烦。
一般在初步设计中,可参考壳体系列标准或通过估算初选外壳直径,待全部设计完成后,再用作图法画出管子的排列图。
为使管子排列均匀,防止流体走“短路”,可以适当地增加一些管子或安排一些拉杆。
初步设计可用下式估算外壳直径:
(4-115)
式中
──壳体直径,m;
──管中心距,m;
──位于管束中心线上的管数;
──管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离,一般取,m。
值可由下面公式估算:
管子按正三角形排列
(4-116)
管子按正方形排列
(4-117)
式中n为换热器的总管数。
应予指出,按上述方法计算出壳内径后应圆整,壳体标准常用的有159、273、400、500、600、800、1000、1100、1200 等。
(8)流体通过换热器的流动阻力(压降)计算流体流经管壳式换热器的阻力,应按管程和壳程分别计算。
①管程流动阻力计算对于多管程换热器,其总阻力 为各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。
相比之下,进、出口阻力较小,一般可忽略不计。
因此,管程总阻力的计算公式为
(4-118)
式中
──因直管摩擦阻力引起的压降,Pa;
──因回弯阻力引起的压降,Pa;
──管程结垢校正系数,无因次,对mm的管子,对mm的管子;
──串联的壳程数;
──管程数。
式4-118中的直管阻力可按一般摩擦阻力公式计算;回弯阻力由下面经验公式估算,即
(4-119)
②壳程流动阻力的计算用于计算壳程流动阻力的公式很多,由于壳程流体的流动状况较为复杂,用不同的公式计算结果差别很大。
下面介绍比较通用的埃索计算公式。
(4-120)
其中
(4-121)
(4-122)
式中
──流体横过管束的压降,Pa;
──流体通过折流挡板缺口的压降,Pa;
──壳程结垢校正系数,无因次,对于液体,对气体或蒸汽;
──管子排列方式对压降的校正系数,对正三角形排列,对转角正方形排列,对正方形排列;
──壳程流体的摩擦系数,当时,,其中;
──折流挡板数;
──折流挡板间距,m;
──按壳程流通截面积计算的流速,m/s,而。
2.设计与选型的具体步骤
管壳式换热器的设计计算步骤如下:
(1)估算传热面积,初选换热器型号
①根据换热任务,计算传热量。
②确定流体在换热器中的流动途径。
③确定流体在换热器中两端的温度,计算定性温度,确定在定性温度下的流体物性。
④计算平均温度差,并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则,确定壳程数或调整加热介质或冷却介质的终温。
⑤根据两流体的温差和设计要求,确定换热器的型式。
⑥依据换热流体的性质及设计经验,选取总传热系数值 。
⑦依据总传热速率方程,初步算出传热面积 ,并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择设备规格。
(2)计算管、壳程压降根据初选的设备规格,计算管、壳程的流速和压降,检查计算结果是否合理或满足工艺要求。
若压降不符合要求,要调整流速,再确定管程和折流挡板间距,或选择其它型号的换热器,重新计算压降直至满足要求为止。
(3)核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数,确定污垢热阻 和 ,再计算总传热系数 ,然后与 值比较,若 ,则初选的换热器合适,否则需另选 值,重复上述计算步骤。
应予指出,上述计算步骤为一般原则,设计时需视具体情况而定。
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