换热器计算步骤

第2章工艺计算2.1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范单位Mpa℃/Kg/h//壳侧7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管侧28310/330水60000GB1502.2管壳式换热器传热设计基本步骤（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（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍（9）选取管长0l（10）计算管数TN（11）校核管内流速，确定管程数（12）画出排管图，确定壳径iD和壳程挡板形式及数量等（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。若阻力超过允许值，则需调整设计。第2章工艺计算2.3确定物性数据2.3.1定性温度由《饱和水蒸气表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t295℃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=420295357.52℃（2-1）管程流体的定性温度：T=3103303202℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。2.3.2物性参数管程水在320℃下的有关物性数据如下：【参考物性数据无机表1.10.1】表2—2密度ρi-=709.7㎏/m3定压比热容cpi=5.495kJ/㎏.K热导率λi=0.5507W/m.℃粘度μi=85.49μPa.s普朗特数Pr=0.853壳程蒸气在357.5下的物性数据[1]：【锅炉手册饱和水蒸气表】表2—3密度ρo=28.8㎏/m3定压比热容cpo=3.033kJ/㎏.K热导率λo=0.0606W/m.℃粘度μo=22.45μPa.s普朗特数Pr=1.1222.4估算传热面积2.4.1热流量根据公式（2-1）计算：pQWct【化原4-31a】（2-2）将已知数据代入（2-1）得：111pQWCt=60000×5.495×310(330-310)/3600=1831666.67W式中：1W——工艺流体的流量，kg/h；1pC——工艺流体的定压比热容，kJ/㎏.K；1t——工艺流体的温差，℃；Q——热流量，W。2.4.2平均传热温差根据化工原理4-45公式（2-2）计算：1212lnmttttt（2-3）按逆流计算将已知数据代入（2-3）得：121242033031029541.86420330lnln310295mttttt℃第2章工艺计算式中：mt——逆流的对数平均温差，℃；1t——热流体进出口温差，℃；2t——冷流体进出口温差，℃；可按图2-1中（b）所示进行计算。图2-1列管式换热器内流型2.4.3传热面积根据所给条件选定一个较为适宜的K值，假设K=400W/m2.K则估算传热面积为:mtKQS（化工原理式4-43）（2-4）将已知数据代入（2-3）得：2m39.10986.4140067.1831666tmKQS式中：S——估算的传热面积，2m；K——假设传热系数，W/m2.℃；mt——平均传热温差，℃。考虑的面积裕度，则所需传热面积为:28.12515.188.11215.1'mSS（2-5）2.4.4热流体用量根据公式（2-4）计算：由化工原理热平衡公式pQWct将已知数据代入（2-4）得：kg/h68.17392)295420(033.367.1831666222tCQWp（2-6）式中Q——热流量，W；2pc——定压比热容，kJ/㎏.℃；2t——热流体的温差，℃；2W——热流体的质量流量，kg/h。2.5工艺尺寸2.5.1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mm）外径偏差/mm壁厚偏差碳钢GB8163252.520.0%10%12根据红书表3-4取管内流速smi/1u⒉管程数和传热管数依红书3-9式undqv24，可根据传热管内径和流速确定单管程传热管数758.74102.047.70967.164n22udqiivs（根）(2-7)式中qv——管程体积流量，s3m；第2章工艺计算n——单程传热管数目；id——传热管内径，mm；u——管内流体流速，sm。按单管程计算,依红书3-10,所需的传热管长度为mndAsop3.2175025.08.125L(2-8)式中L——按单程管计算的传热管长度，mAp——传热面积，2m；do——换热管外径，m。按单管程设计，传热管过长，则应采用多管程，根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长ml6,则该换热器的管程数为456.363.21lLNp（管程）(2-9)传热管总根数300475NnNpsT（根）(2-10)式中，0d——管子外径，m；'TN——传热管总根数，根；0d——管子外径，m；3.换热器的实际传热面积，依据红书3-12，203.1413006025.014.3mlNdAT（2-11）式中，。换热器的实际传热面积换热器的总传热管数；ANT2.5.2平均传热温差校正及壳程数选用多管程损失部分传热温差，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3-13a3-13b1221TTRtt热流体的温差冷流体的温差（2-12）2111ttPTt冷流体的温差两流体最初温差（2-13）将已知数据代入（2-12）和（2-13）得：12214202950.75330310TTRtt21113303100.22420310ttPTt按单壳程，四管程结构，红书图3-7，查得校正系数[1]：图2-2温差校正系数图0.96t；平均传热温差按式（2-9）计算：mttt塑（2-14）将已知数据代入（2-9）得：0.9641.8640.2mtttC。塑第2章工艺计算式中：mt——平均传热温差，℃；t——校正系数；t塑——未经校正的平均传热温差，℃。由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流量较大，故取单壳程合适。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：01.28td（2-15）则管心距：mm322528.1d28.1ot根据标准选取为32mm：隔板中心到离其最近一排管中心距mmts22623262（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组合排列法图2-4隔板形式和介质流通顺序⒌壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按式计算。正三角形排列，4管程，取管板利用率为0.70.8~.60，取，则壳体内径为)mm(5.6957.03003205.105.1NTtD.（2-17）式中：D——壳体内径,m;t——管中心距,m;NT——横过管束中心线的管数按卷制圆筒进级挡圆整，取为D=700mm。第2章工艺计算2.5.3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，提高其表面传热系数，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%，取则切去的圆缺高度为：0.25700175hmm（2-18）故可取h180mm取折流板间距DB3.0，则)(2107003.0mmB（2-19）可取为B=250mm。折流板数NB（块）折流板间距传热管长231-25060001-NB（2-20）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）2.5.4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φ16拉杆数量为6个。2.5.5接管依据化工原理式1-24，壳程流体进出口接管：取接管内水蒸气流速为u14.42m/s，则接管内径为)(219.042.48.283600173934V4D111mu）（（2-21）圆整后可取内径为D1150mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速为u21m/s，则接管内径为)(173.017.7093600600004V4D222mu）（圆整后取管内径为D2=180mm。式中：D——接管内径，m；u——流速，/ms；V——热、冷流体质量流量，kg/s。2.6换热器核算2.6.1热流量核算2.6.1.1壳程表面传热系数壳程表面传热系数用克恩法计算，见式红书3-2214.0)(Pr31Re55.0136.0owde（2-22）当量直径，依式红书3-32b计算：ddtooe)423(4d22（2-23）将已知数据代入（2-23）得：第2章工艺计算)(020.0025.0)025.04032.023(4)423(4d2222mddtooe式中ed—当量直径，m；t—管心距，m；0d—管外径，m。壳程流通面积依红书式3-25计算)1(StBDdoo)(038.0)032.0025.01(7.025.0)1(2mtBDdSoo22(1)dsBDt（2-24）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，2m。依据红书计算步骤，壳程流体流速及其雷诺数分别为415.4038.0)8.283600(17393SuooVo（m/s）（2-25）72.1132751045.228.28415.402.0udRe6eo（2-26）普朗特数122.1Pr黏度校正1)(14.0壳程表面传热系数℃）（23155.01oW/m5.6821122.111327602.00606.036.014.0)(Pr31Re55.036.0wed（2-27）式中2u—壳程流体流速，/ms；2s—壳程流通面积，2m；—密度，3/kgmm—热流体的质量流量，/kgh。2.6.1.2管内表面传热系数管程流体流通截面积)(0236.07502.04nd422imNTiS（2-28）管程流体流速1ui（m/s）雷诺数1.1660311049.85102.07.709R6iiiiiude（2-29）普朗特数853.0rP按化工原理式4.08.0PrRe23.0diii得℃）（24.08.04.08.0W/m5.562853.01.16603102.05507.023.0PrRe23.0diii（2-30）式中：Re——雷诺数；ed——当量直径，m；iu——管程流体流速，/ms；i——密度，3/kgm；i——粘度，Pa.s。第2章工艺计算Pr——普朗特数；pic——定压比热容，kJ/㎏.℃；i——粘度，Pa.s；i——热导率，W/m.℃。2.6.1.3污垢热阻和管壁热阻污垢热阻和管壁热阻可取[1]：化工原理附录20管外侧污垢热阻4108598.0Ro（2m·℃/W）管内侧污垢热阻4108598.0Ro（2m·℃/W）管壁热阻按红书式计算，[1]查表可得碳钢