换热器的设计Word文档格式.docx
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2.3.4初选总传热系数5
2.3.5估算总传热面积5
2.4工艺结构尺寸6
2.4.1管径和管内流速6
2.4.2管程数和传热管数6
2.4.3平均传热温差校正及壳程数首先计算P和R参数:
6
2.4.4传热管排列和分程方法7
2.4.5壳体内径7
2.4.6折流板7
2.4.7其他附件7
2.4.8接管8
2.5换热器核算8
2.5.1传热能力核算8
2.5.3换热器内流体的流动阻力10
2.6换热器主要工艺结构参数和结果一览表11
1前言
1.1换热器简述
在工业生产中,为了工业流程的需要,往往需要进行各种不同方式的热量变换,如:
加热、冷却、蒸发和冷凝等,换热器就是用来实现上述热量交换与传递的设备。
通过各种设备,一边使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体,以满足生产工艺的需要。
一般换热器都用金属材料制成,其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器;
不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外,奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料;
铜、铝及其合金多用于制造低温换热器;
镍合金则用于高温条件下;
非金属材料除制作垫片零件外,有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器,如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。
1.2换热器分类
1.2.1按传热方式
换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。
混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器,又称接触式换热器。
由于两流体混合换热后必须及时分离,这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。
例如,化工厂和发电厂所用的凉水塔中,热水由上往下喷淋,而冷空气自下而上吸入,在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面,热水和冷空气相互接触进行换热,热水被冷却,冷空气被加热,然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。
蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面,从而进行热量交换的换热器,如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。
这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。
以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器,多用于空气分离装置中。
间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开,并通过间壁进行热量交换的换热器,因此又称表面式换热器,这类换热器应用最广。
1.2.2按换热器的结构分类
可分为:
浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。
1.2.3市场规模及前景
2016年换热器行业规模突破1000亿元,2020年实现由换热器生产大国迈入世界换热器强国的行列的奋斗目标,为加快振兴我国装备制造业做出贡献。
产品精度、性能、寿命和可靠性达到同期国外大公司同类产品水平,重大装备配套换热器实现国产化:
设计和制造技术达到同期圈外大公司水平,有一批核心技术的自主知识产权;
有3-5家拥有自主知识产权和世界知名品牌、国际竞争力较强的优势企业;
行业生产和销售总规模位居世界前列,有2-3家内资控股企业进入世界换热器销售额前10名;
行业生产集中度达到80以上。
这些都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。
未来,国内市场需求将呈现以下特点:
对产品质量水平提出了更高的要求,如环保、节能型产品将是今后发展的重点;
要求产品性价比提高;
对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈;
逐渐注意品牌产品的选用。
2管壳试换热器设计
某厂用地下水冷凝水蒸气,允许压强降不大于1.0MPa,每年按330天计,每天24h连续进行。
热水入口温度85℃、出口温度60℃,循环水入口温度25℃、出口温度50℃,处理能力为2.0×
105t/a
设备工艺设计计算如下
两流体均为无相变,本设计按非标准系列换热器的一般设计步骤进行设计。
2.1确定设计方案
2.1.1选定换热器类型
两流体温度变化情况:
热流体入口温度为85℃,出口温度为60℃;
冷却水入口温度为25℃,出口温度为50℃。
两流体的定性温度如下:
热流体的定性温度Tm=(85+60)/2=72.5℃
循环水的定性温度tm=(50+25)/2=37.5℃
两流体的温差Tm-tm=72.5-37.5=35℃(<
50℃)
由于两流体温差不大,且热流体污垢较少故可选用固定管壳式换热器。
2.1.2选定流体流动空间及流速
因循环冷却水较易结垢,为便于污垢清洗故选用地下水走管程,水蒸气走壳程。
同时选用25mm×
2.5mm的较高级冷拔碳钢管,管内流速取=1.10m/s。
2.2确定物性数据
查化工原理附录,两流体在定性温度下的物性数据见下表。
物性
流体
定性温度
/℃
密度
/(kg/m3)
黏度
mPa•s
比热容
kJ/(kg•℃)
热导率
W/(m•℃)
水蒸气
72.5
977.8
0.4061
4.187
0.667
地下水
37.5
993.2
0.688
4.178
0.643
2.3估算传热面积
2.3.1计算热负荷
按管间水蒸气计算,即
2.3.2计算冷却水用量
忽略热损失,则水的用量为
2.3.3计算并流平均温差
并流温差℃
2.3.4初选总传热系数
查传热手册,参照总传热系数的大致范围,同时考虑到合成器压力较高,故可选用较大的传热系数,现假设1250。
2.3.5估算总传热面积
考虑10.5%的面积裕度=
2.4工艺结构尺寸
2.4.1管径和管内流速
前已选定,管径为25mm×
2.5mm,管内流速为=1.50m/s。
2.4.2管程数和传热管数
根据传热管内径和流速确定单程传热管数
按单管程计算所需换热管的长度L
按单管程设计,传热管过长,根据本题实际情况,取传热管长=4.5m,则该换热管的管程为
传热管的总根数
单壳程四管程属于1-2折流,现用1-2折流的公式计算温差校正系数和传热平均温度差。
由图得Ψ=0.9
2.4.4传热管排列和分程方法
采用组合排列,即每层内按正三角形排列,隔板两侧按正方形排列取管心距,则
t=1.25×
25≈32mm
隔板中心到其最近一排管中心的距离s:
按净空不小于6mm的原则确定,亦可按以下公式求取:
S=t/2+6mm
S=32/2+6=22mm
分程隔板两侧相邻管排之间的管心距
管中心距t与分成隔板槽两侧相邻管排中心距的计算结果,与表给出的数据完全一致,证明可用。
2.4.5壳体内径
采用两管程结构,取管板利用率=0.6,则壳体内径
圆整取D=400mm
2.4.6折流板
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为
取折流板间距为B=0.3D,则。
则折流板数
折流板圆缺水平面安装。
2.4.7其他附件
拉杆直径为mm,其数量不少于10跟。
壳程入口应设置防冲挡板。
2.4.8接管
2.4.8.1壳程流体进出口接管
取接管内液体流速为5m/s,则接管内径
d==
取标准管径为
2.4.8.2管程流体进出口接管
取接管内循环水的流速为1.5,则接管内径
d=
(取标准管径为75mm1.2mm)
其余接管略。
2.5换热器核算
2.5.1传热能力核算
2.5.1.1壳程对流给热系数对于圆缺型折流板,可采用克恩公式
当量直径由正三角形排列的得
壳程流通截面积
壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为
=2.55
2.5.1.2管程给热系数
管程流通截面积
管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为
故采用下式计算
2.5.1.3污垢热阻与管壁热阻
管外侧污垢热阻:
查污垢经验数据取
管内侧污垢热阻:
管壁的热导率:
碳钢的热导率
2.5.1.4总传热系数
K=1315W
2.5.1.5传热面积
理论传热面积
该换热器的实际换热面积
面积裕度为
换热器面积裕度合适,能够满足设计要求。
2.5.2核算壁温
因管壁很薄,且管壁热阻很小,故管壁壁温按下式计算:
取两侧污垢热阻为零计算壁温,得传热管平均壁温:
壳体平均壁温,近似取壳程流体的平均温度,即72.5
壳体平均壁温与传热管平均壁温之差:
72.5-58.43=14.07
2.5.3换热器内流体的流动阻力
2.5.3.1管程流动阻力
(Ft结垢校正系数,Np管程数,Ns壳程数)
取换热管壁粗糙度为0.01mm,则,而,查图得
流速,密度。
所以:
对的管子有Ft=1.4,Np=4,Ns=1
2.5.3.2壳程流动阻力
流体流经管束的阻力
式中F—管子排列方式对压力降的校正系数,正三角形排列F=0.5,正方形直列F=0.3,正方形错列F=0.4。
折流板间距B=0.12m,折流板数NB=37,
流体流经折流板缺口的阻力
经参考经验数据知该换热器的压降在合理的范围之内,故所设计的换热器合适。
2.6换热器主要工艺结构参数和结果一览表
参数
管程
壳程
流率/(kg/h)
25253.4
5252.5
温度(进/出)/℃
压力/MPa
0.1
0.15
物
性
参
数
定性温度/℃
密度/(kg/m³
)
比热容/[kJ/(kg•℃)]
黏度/mPa•s
热导率[W/(m•℃)]
普朗系数
4.47
2.55
设
备
结构参数
型式
固定管壳式
台数
1
壳体内径/mm
400
壳程数
管子规格
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
正三角形
管子数目/根
60
折流板数/块
37
传热面积/㎡
20.72
折流板距/mm
120
管程数
4
材质
碳钢
主要设计结果
壳数
流速/(m/s)
1.07
0.68
传热膜系数[W/(m•℃)]
5365.8
5066.5
污垢热阻/(m•℃/W)
0.000086
0.00017
阻力损失/MPa
0.0375
0.0236
热负荷/kW
732.7
传热温差/℃
32.96
传热系数/[W/(m•℃)]
1315
裕度/%
22.6%
参考文献
[1]张宏选,袁振伟.固定管板式换热器强度的优化设计.化工装备技术.2001,22
(2):
43-46
[2]李永生,张伟,钱玲.固定管板式换热器的最佳(轻化)设计.化工时刊.1996,10(6):
13-16
[3]袁振伟,李文华,王三保.固定管板式换热器设计优化方案—材料匹配.化工设计通讯.1998,24
(2):
36-39
[4]时黛,谢禹均,林国庆.固定管板式换热器与换热
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