热交换器的设计和选型

第七章.热交换器的设计和选型一.简介1.分类：间壁式换热器（管壳式、紧凑式）混合式换热器蓄热式换热器2.类型管壳式：套管式换热器蛇管式（盘管式）换热器：沉浸式、喷淋式列管式：固定管板（刚性结构、带膨胀节）、浮头式填料函、釜式、U型管式紧凑式：螺旋板式换热器板式换热器板翅式伞板式二.传热过程的基本方程式1.热负荷方程：)(12TTWCpQ（无相变化）WHTTWCpQ)(12（有相变化）2.传热基本方程式：在稳态下传热系数（K）随温度变化不大时mtKAQ3.传热面积：mtKQA4.有效平均温差：2121lntttttm式中21,tt—分别为换热器两端热、冷流体温差。当2121tt2时，可用算术平均值221tttm5.传热系数K2121111rrK三.管壳式换热器的设计和选择列管式换热器简介（1）固定管板式（2）浮头式（3）填料函式（4）U形管式传热面m2/m3结构可靠性传热面的调整热补偿清洗方便维修方便用脆性材料固定管板式40—164○XX△XXU型管式30—130○X○△X△浮头式35—150△X○○○△板式250—1500△○○○○X螺旋板100○X○XX△板翅式250—4370△X○XXX套管20○○△△○○沉浸盘管15○X○△○○喷淋式16△○○○○○2.换热器选型应考虑的因素（1）加热或冷却介质物性。（2）工艺所需温差、操作温度、压力。（3）价格。（4）要求达到交换的热负荷量。（5）对清洗、维修的要求（6）设备结构材料、尺寸和空间的限制。3.流体流动通道的选择（1）不洁净和易结垢的流体宜走管程。（2）有腐蚀性的流体应走管程。（3）压强高的流体应走管程。（4）饱和蒸汽宜做壳程。（5）被冷却的流体易走壳程。（6）流量小粘度大的流体一般走壳程为宜。4.流速的选择管壳式换热器内常用流速范围流速m/s流体种类管程壳程一般流体工艺物料0.5~30.2~1.5水1.5~2.5易结垢液体10.5气体5~303~155.加热剂和冷却剂的选用（1）常用的加热剂：饱和水蒸气烟道气（2）常用的冷却剂：水空气（冷风）冷冻剂6.确定设计方案的原则1）满足工艺和操作要求。2）保证生产安全。3）考虑综合利用。4）满足经济上的要求。7管壳式换热器设计考虑的因素（1）满足换热基本要求（2）终端温差（3）流速（4）压降（5）传热总系数（6）污垢系数（7）结构标准8.工艺设计计算过程（1）热负荷Q的计算。（2）热平衡计算，求G，确定冷却剂或加热剂的量。（3）确定mT，（先设为单程）（4）假设传热系数K，求传热面积A。（5）选型（查手册）或设计，确定管径、管数、管长、壳径、排管、折流板、板间距等和其他结构。（6）核算K，A。（7）流体力学计算P。（8）经济评价例某精馏塔浓缩甲醛水溶液，操作压力0.4MPa（绝），第一股进料F1=10500kg/h，甲醛浓度为28%，第二股进料F2=9500kg/h，甲醛浓度为8.0wt%，塔顶流出液浓度为37wt%，釜液浓度为0.2wt%，釜液采出量W1为10050kg/h，温度为140℃，为了回收釜液的热量，用釜液预热温度为30℃，浓度为8%的原料液。试选用一适当型号的换热器。F1=10500kg/hX1=28%t1=30℃F2=9500kg/hX2=8%t2W1=10050kg/hT1=140℃T2解1热负荷计算设釜液终温T2=90℃，釜夜含甲醛0.2%，因此物性可用水代之。Tm=(T1+T2)/2=(90+140)/2=115℃在平均温度Tm下水的比热Cp=4.24kJ/kg.℃Q=W1Cp(T1-T2)=10050×4.24×(140-90)×103/3600=5.92×105W2平均推动力计算：设原料F2终温为87℃tm=(87+30)/2=58.5℃在tm温度下甲醛Cp1=0.783KJ/kg.℃,水Cp2=4.18kJ/kg.℃Cpm=Cp1.x1+Cp2.x2=0.08×0.783+4.18×0.92=3.91kJ/kg.℃t2=t1+W1.Cp1(T1-T2)/(F2.Cpm)=30+10050×4.18×(140-90)/(9500×3.91)=86.5℃与假设基本符合，t2=86.5℃逆流平均推动力tm=〔(140-86.5)+(90-30)〕/2=56.8℃R=(T1-T2)/(t2-t1)=(140-90)/(86.5-30)=0.88P=(t2-t1)/(T1-t1)=(86.5-30)/(140-30)=0.51温差修正系数=0.825tm=0.825×56.8=46.8℃3初选换热器设K=700W/m2.KA=Q/Ktm=5.92×105/(700×46.8)=18.1m2初选G-400-20-25-4型换热器，管长3m，管径25×2，管子数N=86，折流板间距150，管层数Np=44校核传热系数（1）原料流量较小走管层，核算管层给热系数tm=(86.5+30)/2=58℃F2的平均物性Cp=3.91kJ/kg.℃=0.428cp=2.244kJ/(m.h.℃)管层流动面积A=/4d2N/Np=0.785×0.0212×86/4=0.00744m2Re=dG/=0.021×9500×103/(0.00744×0.428×3600)=1.74×104Pr=Cp./=3.6×3.91×0.428/2.244=2.68i=0.023/d.Re0.8Pr0.4=2622W/(m2.℃)(2)壳层。核算平均温度115℃时物性=947kg/m3Pr=1.54=0.243cp=68.5×10-2w/(m.k)管子正三角排列，管间距t=32mm，25%圆缺型挡板0202)423(4ddtdede=0.02m流通面积A=BD(1-d0/t)=0.15×0.4(1-25/32)=0.0131m21001753710243.0947225.002.0/0255.00131.094736001005031duRsmAwue)./(292095.054.11753702.0105.6836.0)(Pr36.023155.0214.03155.00CmwRdwe以外表面积计算传热系数，选取垢层系数为Ri和R0均为2×10-4m2.℃/w)./(9350002.00002.025292021262211112000cmwRRAAKiiiA计=Q/(k.tm)=5.92×105/(935×46.5)=14m2A/A计=20/14=1.4本章思考题1）管壳式换热器的设计计算中要考虑选择哪几种参数？如何选择？2）试述换热器的工艺计算过程（即设计步骤）