换热器的选型和设计.docx
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换热器的选型和设计
换热器的选型和设计指南
一、概述
1.选型原则
2.工艺参数的选取
3.计算方法
4.结构设计
二、分类及结构特点
1.按照换热器作用原理分类
1.1间壁式换热器(冷热流体不允许混合的场合各种管式和板式换热)
1.2直接接触式换热器(凉水塔、洗涤塔、文氏管、喷射冷凝器)
1.3蓄热式换热器
1.4中间载热体式换热器
2.按照换热器用途分类
2.1加热器
2.2预热器
2.3过热器
2.4蒸发器
2.5再沸器
2.6冷却器
2.7冷凝器
3.按换热器传热面形状和结构分类
3.1管式换热器
3.2板式换热器
3.3特殊形式换热器
4.按换热器所用材料分类
4.1金属材料换热器
4.2非金属材料换热器
如下表所示:
表1.1
官式
官冗式
固定管板式
冈『性结构:
用于管壳温差较小的情况(w50C)管间不
能清洗
带膨胀节:
有一定的温度补偿能力,壳程只能承受较低压力
浮头式
管内外均能承受高压,可用于高温高压场合,
U型管式
管内外均能承受高压,管内清洗及检修困难
填料函式
外填料函:
管间容易泄漏,不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较咼的场合
内填料函:
密封性能差,只能用于压差较小的场合
:
釜式:
壳体上都有个蒸发空间,用于蒸汽与液相分离:
套管式
双套管式
结构比较复杂,主要用于高温高压场合,或固定床反应器中
套管式
能逆流操作,用于传热面积较小的冷却器、冷凝器也预热器
螺旋盘
官式
浸没式
用于管内流体的冷却、冷凝,或者管外流体的加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
板式
板式
[拆洗方便,传热面能调整,主要用于粘性较大的液体间换热
螺旋板
可进行严格的逆流操作,有自洁作用,可回收低温热能
伞板式
:
伞形传热板结构紧凑,拆洗方便,通道较小,易堵,要求流体干净
板壳式
板束类似于管束,可抽出清洗检查,压力不能太高
扩展表面式
板翅式
1结构十分紧凑,传热效率高,流体阻力大
管翅式
:
适用于气体和液体之间传热,传热效率咼,用于化工、动力、空调
畜热式
回旋式
盘式
传热效率咼,用于咼温烟气冷却等
鼓式
用于空气预热器等
固定格室式
:
紧凑式
适用于低温到高温的各种条件
非紧凑式
可用于咼温及腐蚀性气体场合
三、选型需要考虑的因素
1.热负荷(显热+潜热的变化量)
2.流体流量的大小
3.流体的性质
4.流体在换热器中的温度及温度的变化
5.流体允许的压降
6.对清洗、维修的要求
7.设备结构的制造与材料
8•价格、使用安全性与寿命
9.技术经济指标的分析
3.1管壳式换热器的选型
3.1.1.适用范围
1压力:
允许压力从高真空~41.5MPa,Pmax=60MPa,F<5000m2
2温度:
-100C~1100°C(-270CWtmaxw1450)
3.1.2.容量大、结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强
3.1.3.U形管,适用于管、壳壁面温差较大,壳程易结垢管程清洁不易结垢及高温高压、腐蚀性强的场合,即高温高压腐蚀性强的介质走管内,密封易解决。
3.2其他特殊类型换热器表1.2
1.板式
~25atm
-40C~200C
Fw2000m2
2.空冷器
3.板翅式
~70atm
-150C~100C
Fw200m2
4.螺旋板式
~20atm
-80C~400C
Fw200m2
5.多官式
~300atm
-100C~600C
Fw50m2
6.折流杆式
~300atm
-100C~600C
Fw5000m2
7.蛇管式
~200atm
-260C~600C
Fw2000m2
8.热官式
~6atm
-40C~350C
Fw2000m2
9.单
管
式
套管式
~300atm
-100C~600C
Fw10m2
长号式
~300atm
0C~300C
Fw100m2
蛇管式
~300atm
-150C~100C
Fw10m2
10.翅
片式
空冷器
详见注释
板翅式
~70atm
-260C~100C铝
Fw1000m2
11.耐
腐蚀特
殊材料
石墨
~7atm
w160C
Fw700m2
聚四氟乙烯
~5atm
w150C
Fw80m2
玻璃
~9atm
w280C
Fw25m2
注:
对于大污垢系数、高粘度选1或2型换热器较好;对于大污垢系数、高粘度压降较大时选3较理想;对于10翅片式空冷器选择条件:
①水供应困难②水质不好,如结垢腐蚀③水热引起热污染,一般工艺出口温度较高〉65C(即〉大气环境温度15~20C),比列管式经济;工艺物料v50C用水冷。
3.3结构参数的选取
331.两端封头(TEMA型号代码符合)
SplitFlow
DoubleSphtFlow
TEMA壳体换热器类型
3.32管、壳程数
流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。
单壳程单管程换热器称1-1型换热器,两壳程四管程换热器称为2-4型换热器,如下图所示:
2-4型换热器
为提高管内流体速度:
在两端封头设置适当隔板为提高管外流体速度:
在壳体内安装纵向隔板使流体多次通过壳体空间各类换热器管程数限制表1.3
换热器类型
管程数限制
U型管式
任意偶数,分程隔板只装在换热器前端
固定管板式
任意数,前、后两端均有分程隔板
拔出封头式
任意偶数,对于单程管,必须在浮头端加密封节;一般不用于单管程换热器
带外密封套环的浮头式
单管程或双管程,因为尾部没有分程隔板
带双开卡环的浮头式
任意偶数,单管程时浮头端要加装密封节
带填料函的浮头式
任意数
壳内径
最大管程数
V250
4
250~510
6
510~760
8
760~1020
10
1270
12
333.总传热系数
1有相变
2无相变
常用换热器的总传热系数(W/m2*C)表1.4
流股A
流股B管壳式
板式
螺旋板
其他型式
水
冷却水
814.1
4652
1744.5
选板式换热器较理想
烃类
1cp
冷却水
581.5
1744.5
1163
考虑板式换热器或空冷器
烃类
5<卩<10cp
冷却水
290.75
1163
697.8
气体(1bar)
冷却水
81.41
232.6
93
a.若选用低翅片管,总传热系数可增大两倍以上。
U=174.45(1bar)
b.折流杆式换热器的压力损失小,另外,X型壳体和螺旋板式的压力损失也小
c•为防止管子振动破坏,可选用折流杆式换热器、管窗内部排的管壳式换热器d•如果气侧设计压力低于4.9bar(g),考虑用咼翅片管e.空冷式和管壳式换热器的总传热系数相当
气体(5bar)
冷却水
174.45
232.6
232.6
气体(10bar)
冷却水
302.38
232.6
348.9
气体(20bar)
冷却水
383.8
烃类
5<卩<10cp
烃类
5<<10cp
174.45
697.8
465.2
若在管壳式换热器中流动为层流,则使用板式换热器较
为合理
气体(1bar)
气体(1bar)
46.52
a.热管型换热器的总传热系
数462.5(4.9bar)
b•低压降型式的换热器:
折流杆式、X型壳体这两种型式的总传热系数相近
c•紧凑式换热器:
板翅式换热器(铝材或不锈钢)
d•高温工况:
板翅式(不锈钢)蛇管式换热器(总传热系数和管式换热器相近
气体(5bar)
气体(5bar)
116.3
气体(10bar)
气体(10bar)
209.34
气体(20bar)
气体(20bar)
290.75
气体(1bar)
烃类i=10cp
69.78
81.41
对高粘度流体可选用螺旋式
换热器
气体(5bar)
烃类i=5cp
151.2
174.45
气体(20bar)
烃类1<1
383.8
蒸汽
冷却水
1046.7
1744.5
选错流型式的螺旋板换热器
蒸汽
烃类
814.1
1395.6
选错流型式的螺旋板换热器
3.34合理压降
管壳式换热器、空冷器和套管式换热器表1.5
物流
压降值
气体和蒸汽(高压)
35-70Kpa
气体和蒸汽(低压)
15-35Kpa
气体和蒸汽(常压)
3.5-14Kpa
蒸汽(真空)
v3.5Kpa
蒸汽(真空冷凝塔)
0.4-1.6Kpa
液体
70-170Kpa
F型壳体,壳侧压降
35-70Kpa
板翅式换热器
物流
压降值
气体和蒸汽
5-20Kpa
液体
20-55Kpa
3.3.5冷介质温度
1冷却水温度w60C,高于工艺物流冰点5C
2温差:
高温端厶t>20T
低温端△t>5C
3工艺冷热流体换热时,低温端厶t>20°C。
3.3.6.加热
被加热介质若有冷凝液,水合物,其出口温度必须高于露点或冰点5-10C。
3.3.7.接管位置
1被加热、蒸发:
从下向上
2被冷凝:
从上向下被冷却介质视接管经济
3.3.8.结构参数
1换热管直径小紧凑,但压降增大,①19~25,汽液相时①32,直接加热时①76。
2换热管长度通常用6米
3无相变换热器时,对于大面积换热可选用8~9米
4增加管束长度一是传热系数增加,二是在相同传热面积时,可减少管程,三是单位面积传热面比较低。
但长管束一方面增加承重钢平台材料,另一方面增加占地及检修面积。
5翅片管:
当光管的管外总阻力与管内阻力之比》3时,要采用外翅片管,例如用蒸汽加热的再沸器,预热器,水冷器,及处理有机流体的冷凝器中。
6当传热壁面两侧热膜系数都很小时,宜用两面带翅的。
㈠折流板
型式:
1圆缺型、环盘型(压降小)、孔流型(压降大,但适用于清洁流体)
2其中圆缺型又分单圆,双圆缺、三圆缺。
折流板圆缺位置:
1无相变的对流传热,水平放置则壳体流体与管束不平行流动,也减少了壳程底部液体沉积。
2有悬浮物或结垢严重的流体使用的卧式换热器中,用圆缺板垂直型。
折流板圆缺高度:
1单圆缺型折流板的开口高度为直径的10~45%
2双圆缺型折流板的开口高度为直径的15~25%,两者一般取20~30%。
折流板间距:
壳体直径的30~50%,最小折流板间距为壳体直径的1/5,并〉50m/m,亦最大折流板间距为壳体直径的1/2,并wTEMA规定的最大无支撑直管跨距的0.8倍。
㈡折流杆
避免大圆缺小间距和小圆缺大间距。
B取值0.9~0.92。
㈢防旁流设施
1密圭寸条
2盲管
3缓冲挡板
3.4管壳式换热器的设计要点
3.4.1.选型(见3.1)
3.4.2.计算换热面积,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,确定在定性温度下流体物性
4计算平均温度差,并根据温度差校正系数不小于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K(选)
7依据总传热速率方程,初步算出传热面积S,并确定换热器的基本尺寸或按照系列标准选择设备规格
3.4.3.计算管壳压降
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
3.4.4.核算总传热系数
计算管、壳对流传热系数,确定污垢热阻Rsi和Rso,再计算总传热系数K(计算)然后与K(选)比较,若K计/K选=1.15~1.25则初选的换热器合适。
3.4.5.计算要点说明
3.4.5.1冷热流体的热平衡方程式:
Qreq二WCpTh。
厂WCpJold
10%的余地
换热器计算时还要加5%的散热,换热器面积还要有传热速率方程式:
Qact式中:
hi、ho管内管外两流体的传热膜系数
hiho
RfRw
Rf两流体的污垢热阻Rw金属壁面热阻
3.4.5.2计算类型
1物性数据:
冷热流体的进出口温度,定性温度下的密度,比热容,粘度,导热系数,表面张力
2工艺数据:
冷热流体的流量,进出口温度,进口压力,允许压降,及污垢系数
3结构数据:
使其结构最优,尺寸最小
4壳体形式:
管程数,管子类型,管长,管子排列,壳内径
5折流挡板型式:
冷热流体流动通道方式计算前先确定下列基本参数
1管长(3、5、6、7.2、9)
2管间距(1.25-1.5管外径)
3流向角管子排列角(30°,45°,60°,90°)
4换热管外径及管壁厚(19、25)校核计算项目:
1管程数
2壳内径/管数
3折流板间距/折流板数型式
4管长/管间距
5流向角
6管内径/壁厚最终计算
1总体设计尺寸
2热阻大小
3设计余量:
水流速>1.5m/s时,不必余量太大,否则流速降低,换热系数下降
4压降的利用和分布---要增加在提高K上
压降来源:
㈠进出口管口处,不宜消耗在此,控制占总压降的30%以下。
㈡横向管束错流,有利于传热㈢防冲板、分布器流速,在压降允许范围内,尽量提高,因为提高流速以获得较大的K和较小的污垢热阻。
5有效平均温差
3.4.6调整设计方案㈠传热系数为控制因素时:
提高壳侧传热系数的方法
1使用低翅片(提高流动状态)
2减少换热管外径和管间距(提高壳侧流速)
3提高壳侧流体速度(减少折流板间距)
4选用F型G型(壳侧多分流)提高管侧给热系数
1减少管外径
2增加管长
3变换流动分布
㈡压力降成为控制因素时:
降低壳侧压力降
①使用双圆缺折流板或管窗内部排管
②选用J型壳体,无隔板分流
3增加管间距
4改变流向角45°/90°
降低管侧压力降
①增大管径
②减少管长
㈢温度推动力为限制因素时
①选用纯逆流型
②增加壳程数
3减少管侧流体量
㈣减少振动---降低扰动频率或增加自然频率
①减小管子跨距长度
②减小壳侧流体速度
3改变折流板型式
4降低壳体流速
5增加折流板厚度
6将板与折流板孔之间的间距调到最小
7折流板材料不应比管子硬
8使用壁厚管并使管子紧固
9采用解滞隔板
10堵塞所有旁路流和流程分隔滞流
㈤冷热流体通道的选择
1不洁净和结垢的液体宜走管程,因管内清洗方便
2腐蚀性流体宜走管程,避免管束和壳体同时受到腐蚀
3压强高的流体宜走管内,以免壳体承受压力
4饱和蒸汽宜走壳程,因饱和蒸汽比较干净,给热系数与流速无关且冷凝液易排出
5被冷却的流体宜走壳程,便于散热
6若两流体温差较大,对于刚性结构的换热器,宜将给热系数大的流体通入壳程,以减少热应力
7流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜,因在壳程Re>100即可达到湍流,但不是绝对的,如果流体流动阻力损失允许,将这种流体通入管内,并采用多管程结构,反而能得到更高的给热系数。
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