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换热器课程设计换热器课程设计第三节第三节 换热器计算方法换热器计算方法第第1页页换热器：换热器：在不一样温度流体间传递热能装置称在不一样温度流体间传递热能装置称为换热器。为换热器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述行业通用设备，泛使用各种换热器，且它们是上述行业通用设备，占有十分主要地位。占有十分主要地位。第第2页页1、热力设计、热力设计 依据使用单位提出基本要求，合理地选择运行依据使用单位提出基本要求，合理地选择运行参数，并进行传热计算。参数，并进行传热计算。计算出总传热系数、传热面积计算出总传热系数、传热面积2、流动设计、流动设计 计算压降，为换热器辅助设备提供选择参数计算压降，为换热器辅助设备提供选择参数3、结构设计、结构设计 依据传热面积大小计算其主要零部件尺寸依据传热面积大小计算其主要零部件尺寸4、强度设计、强度设计 应力计算。考虑换热器受力情况，尤其是在高应力计算。考虑换热器受力情况，尤其是在高温高压下换热器受压部件应按照国家压力容器标温高压下换热器受压部件应按照国家压力容器标准设计。准设计。第第3页页管壳式换热器结构管壳式换热器结构管箱（封头）管箱（封头）壳体壳体内部结构（包含管束等）内部结构（包含管束等）单管程固定管板换热器单管程固定管板换热器接管接管接管接管壳体壳体壳体壳体管束管束管束管束管板管板管板管板封头（封头（封头（封头（端盖、管箱）端盖、管箱）端盖、管箱）端盖、管箱）折流挡板折流挡板折流挡板折流挡板管程管程壳程壳程第第4页页 不洁净和易结垢液体宜在管内不洁净和易结垢液体宜在管内-清洗比较方便清洗比较方便 腐蚀性流体宜在管腐蚀性流体宜在管内内-防止壳体和管子同时腐蚀，便于清防止壳体和管子同时腐蚀，便于清洗洗 压强高流体宜在管内压强高流体宜在管内-免壳体受压，节约壳程金属消耗量免壳体受压，节约壳程金属消耗量 饱和蒸汽宜走管间饱和蒸汽宜走管间-便于及时排除冷凝液便于及时排除冷凝液 有毒流体宜走管内，使泄露机会较少有毒流体宜走管内，使泄露机会较少 被冷却流体宜走管间被冷却流体宜走管间-可利用外壳向外散热作用可利用外壳向外散热作用 流量小或粘度大液体，宜走管间流量小或粘度大液体，宜走管间-提升对流传热系数提升对流传热系数 若两流体温差较大，对流传热系数较大者宜走管间若两流体温差较大，对流传热系数较大者宜走管间-降低降低热应力热应力一、流体流径选择一、流体流径选择-冷、热流体走管程或壳程冷、热流体走管程或壳程上述各点若不能同时兼顾，应视详细情况抓主要矛盾。上述各点若不能同时兼顾，应视详细情况抓主要矛盾。先流体压强、防腐蚀和清洗等要求，再校查对流传热系数和压强降。先流体压强、防腐蚀和清洗等要求，再校查对流传热系数和压强降。第第5页页增加流速增加流速对流传热系数对流传热系数，污垢热阻，污垢热阻总传热系数总传热系数 传热面积传热面积流动阻力流动阻力和动力消耗和动力消耗还需考虑结构上：还需考虑结构上：高流速高流速管子数目管子数目较长管子或增加程数较长管子或增加程数 管子太长不易清洗，且管长都有一定标准；管子太长不易清洗，且管长都有一定标准；程数增加使平均温度差下降程数增加使平均温度差下降二、流体流速选择二、流体流速选择一定传热面积一定传热面积第第6页页惯用流速范围惯用流速范围不一样粘度液体流速不一样粘度液体流速 流体种类流体种类 流速流速管程管程壳程壳程普通流体普通流体0.530.21.5易结垢流体易结垢流体10.5气体气体530315液体粘度液体粘度最大流速最大流速 1500 0.6 1500500 0.75 500100 1.1 10035 1.5 351 1.8 4管程：管程：0.6-0.8正方形排列正方形排列 2管程：管程：0.55-0.7;4管程：管程：0.45-0.65第第18页页计算得到壳内径应圆整。计算得到壳内径应圆整。壳体标准尺寸壳体标准尺寸壳体外径壳体外径/mm325400 500 600 700800 900 10001100 1200最小壁厚最小壁厚/mm8101214第第19页页八、主要附件八、主要附件1.封头封头方形：用于直径小壳体（方形：用于直径小壳体（400mm）；）；圆形：用于大直径壳体。圆形：用于大直径壳体。2.缓冲挡板缓冲挡板 为预防壳程流体进入换热器时对管束冲击，可在进料为预防壳程流体进入换热器时对管束冲击，可在进料管口装设缓冲挡板管口装设缓冲挡板3.导流筒导流筒 壳程流体进、出口与管板间存在一段流体不能流动空壳程流体进、出口与管板间存在一段流体不能流动空间（死角），为了提升传热效果，常在管束外增设导流筒。间（死角），为了提升传热效果，常在管束外增设导流筒。第第20页页4.放气孔、排液孔放气孔、排液孔 壳体上常安有放气孔和排液孔，排出不冷凝气体和冷凝壳体上常安有放气孔和排液孔，排出不冷凝气体和冷凝液等。液等。5.接管接管 换热器中流体进、出口接管直径按下式计算，即换热器中流体进、出口接管直径按下式计算，即 Vs流体体积流量，流体体积流量，u流体在接管中流速流体在接管中流速流速流速u经验值可取为：经验值可取为：对液体对液体 u=1.52m/s；对蒸气；对蒸气u=2050m/s；对气体对气体u=（0.150.2）p/(p为压强，为压强，kPa；为气体密度为气体密度)。第第21页页九、材料选取九、材料选取 材料应依据操作压力、温度及流体腐蚀性等来选取。材料应依据操作压力、温度及流体腐蚀性等来选取。当前惯用金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和当前惯用金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等。铝等。非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。第第22页页十、流体流动阻力（压强降）计算十、流体流动阻力（压强降）计算1.管程流动阻力管程流动阻力 总阻力等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口之和。总阻力等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口之和。普通进、出口阻力可忽略不计，管程总阻力计算式为：普通进、出口阻力可忽略不计，管程总阻力计算式为：第第23页页2.壳程流动阻力壳程流动阻力用埃索法计算壳程压强降，即用埃索法计算壳程压强降，即第第24页页液体流经换热器压强降为液体流经换热器压强降为液体流经换热器压强降为液体流经换热器压强降为10100kPa10100kPa，气体为，气体为，气体为，气体为110kPa110kPa。第第25页页设计步骤设计步骤 1、试算并初选设备规格、试算并初选设备规格 确定流体在换热器中流动路径。确定流体在换热器中流动路径。依据传热任务计算热负荷依据传热任务计算热负荷Q。确定流体在换热器两端温度，选择列管换热器形式；确定流体在换热器两端温度，选择列管换热器形式；计算定性温度，并确定在定性温度下流体物性。计算定性温度，并确定在定性温度下流体物性。计算平均温差，并依据温度差校正系数不应小于计算平均温差，并依据温度差校正系数不应小于0.8标标准，决定壳程数。准，决定壳程数。依据总传热系数经验值范围，或按生产实际情况，选依据总传热系数经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数定总传热系数K值。值。由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器基本尺寸。基本尺寸。第第26页页2、计算管程、壳程压强降、计算管程、壳程压强降 依据初定设备规格，计算管程、壳程流体流速和压强降。依据初定设备规格，计算管程、壳程流体流速和压强降。验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要求，要调验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格换整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格换热器，重新计算压强降直至满足要求。热器，重新计算压强降直至满足要求。3、核实总传热系数、核实总传热系数 计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算总传热系数总传热系数K，比较，比较K初设值和计算值，若初设值和计算值，若K/K=1.151.25，则初选换热器适当。不然需另设，则初选换热器适当。不然需另设K值，值，重复以上计算步骤。重复以上计算步骤。第第27页页设计任务书设计任务书 将将6000kg/h植物油从植物油从140冷却到冷却到40，井水，井水进进、出口温度分出口温度分别为别为20和和40。要求。要求换热换热器管程和壳程器管程和壳程压压强强降均小于降均小于35kPa。实例实例第第28页页工艺设计计算工艺设计计算一、确定一、确定设计设计方案方案1选择换热选择换热器器类类型型 两流体改两流体改变变情况：情况：热热流体流体进进口温度口温度140，出口温度，出口温度40；冷流体冷流体进进口温度口温度20，出口温度，出口温度40。考考虑虑冷冷热热流体流体间间温差大于温差大于50，初步确定，初步确定选选取浮取浮头头式式换热换热器。器。2流程安排流程安排 与植物油相比，井水易于与植物油相比，井水易于结结垢，假如其流速太小，会加垢，假如其流速太小，会加紧紧污污垢增加速度使垢增加速度使换热换热器器传热传热速率下降。植物油被冷却，走壳速率下降。植物油被冷却，走壳程便于散程便于散热热。所以，冷却水走管程，植物油走壳程。所以，冷却水走管程，植物油走壳程。第第29页页二、确定物性数据二、确定物性数据 对对于粘度低流体，其定性温度可取流体于粘度低流体，其定性温度可取流体进进出口温度平均出口温度平均值值。所以，所以，壳程流体定性温度为：壳程流体定性温度为：管程流体定性温度为：管程流体定性温度为：定性温度下，管程流体定性温度下，管程流体(井水井水)、壳程流体（植物油）相关物、壳程流体（植物油）相关物性参数由性参数由主要物性参数表主要物性参数表得出。得出。2物性参数物性参数 1定性温度定性温度第第30页页主要物性参数表主要物性参数表介介质质性性质质密度密度kg/m3比比热热kJ/(kg)粘度粘度Pas热导热导率率W/(m)植物油植物油热热流体流体9502.2610.742 10-30.172井水井水冷流体冷流体995.74.1740.801 10-3 0.618第第31页页三、估算传热面积三、估算传热面积1.热流量热流量 2.平均传热温差平均传热温差 先按照逆流计算，得先按照逆流计算，得第第32页页3.传热面积传热面积 因因为为壳程植物油壳程植物油压压力力较较高，故可高，故可选选取取较较大大K值值。假。假设设K=395W/(m2)则则估算估算传热传热面面积为积为：考考虑虑到外界原因影响，依据到外界原因影响，依据经验经验取取实际传热实际传热面面积为积为估算估算值值1.15倍，倍，则实际传热则实际传热面面积为积为：4.井水用量井水用量第第33页页四、工艺结构尺寸四、工艺结构尺寸 1.管径和管内流速管径和管内流速 选选取取252.5较较高高级级冷拔冷拔传热传热管（碳管（碳钢钢），取管内流速），取管内流速u1=0.75m/s。2.管程数和管程数和传热传热管数管数 依据依据传热传热管内径和流速确定管内径和流速确定单单程程传热传热管数：管数：第第34页页 按单程管设计，传热管过长，宜采取多管程结构。依据本按单程管设计，传热管过长，宜采取多管程结构。依据本设计实际情况，采取标准管设计，现取传热管长设计实际情况，采取标准管设计，现取传热管长L=8m，则该，则该换热器管程数为：换热器管程数为：传热管总根数：传热管总根数：n=202=40（根）（根）按单程管计算，所需传热管长度为：按单程管计算，所需传热管长度为：第第35页页3.平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数：平均温差校正系数：按单壳程，双管程结构，查图得：按单壳程，双管程结构，查图得：平均平均传热传热温差温差 因为平均传热温差校正系数大于因为平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，同时壳程流体流量较大，故取单壳程适当。故取单壳程适当。第第36页页第第37页页4.传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法 采取正方形采取正方形错错列。取管心距列。取管心距t=1.25d0，则则 t=1.2525=31.2532mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离：隔板中心到离其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相各程相邻邻管管心距管管心距为为：222=44mm第第38页页5.壳体内径壳体内径 采取多管程采取多管程结结构，取管板利用率构，取管板利用率=0.85，则则壳体内径壳体内径为为：圆整可取圆整可取D=300mm6.折流板折流板 采取弓形折流板采取弓形折流板,取弓形之流板圆缺高度为壳体内径取弓形之流板圆缺高度为壳体内径25%，则切去圆缺高度为：，则切去圆缺高度为：H=0.25300=75m 取折流板间距取折流板间距h=0.3D，则，则 h=0.3300=90mm 故可取故可取h=100mm 折流板数目：折流板数目：第第39页页7.其它附件其它附件 拉杆数量与直径按表拉杆数量与直径按表选选取，本取，本换热换热器壳体内径器壳体内径为为300mm，故：拉杆直径故：拉杆直径为为12，拉杆数量不得少于，拉杆数量不得少于4。8.接管接管壳程流体壳程流体进进出口接管：出口接管：取接管内流体流速取接管内流体流速为为u1=2m/s，则则接管内径接管内径为为管程流体管程流体进进出口接管：出口接管：取接管内液体流速取接管内液体流速u2=2.5m/s，则则接管内径接管内径为为第第40页页五、换热器核实五、换热器核实1.热量衡算热量衡算（1）壳程对流传热系数）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采取凯恩公式计算：对圆缺形折流板，可采取凯恩公式计算：当量直径：当量直径：壳程流通截面积：壳程流通截面积：第第41页页壳程流体流速：壳程流体流速：雷诺数：雷诺数：普兰特准数：普兰特准数：粘度校正：粘度校正：第第42页页（2 2）管程对流传热系数）管程对流传热系数管程流体流通截面积：管程流体流通截面积：管程流体流速：管程流体流速：雷雷诺诺数：数：普普兰兰特准数：特准数：第第43页页（3）污垢热阻）污垢热阻管内管内侧污侧污垢垢热热阻：阻：管外管外侧污侧污垢垢热热阻：阻：（4）传热系数）传热系数 第第44页页（5）传热面积裕度）传热面积裕度 计计算算传热传热面面积为积为：换热换热器器实际传热实际传热面面积为积为：换热换热器面器面积积裕度裕度为为：传热传热面面积积裕度适当（裕度适当（15%20%），），该换热该换热器能器能够够完成生完成生产产任任务务。第第45页页2.换热器内流体流动阻力换热器内流体流动阻力（1）管程流体阻力）管程流体阻力 由由Re=17943，传热管相对粗糙度为，传热管相对粗糙度为0.1/20=0.005，查莫狄，查莫狄图，得图，得=0.027W/(mK),流速流速u=0.75m/s,=995.71kg/，所以，所以管程流体阻力在允许范围之内。管程流体阻力在允许范围之内。第第46页页（2）壳程壳程阻力阻力流体流经管束阻力：流体流经管束阻力：壳程流通面积：壳程流通面积：第第47页页h=0.1m,D=0.3m壳程流体阻力在允许范围之内。壳程流体阻力在允许范围之内。第第48页页结果汇总表结果汇总表 第第49页页
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