换热器计算步骤精编.docx

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
7.22
420/295
蒸汽、水

III
GB150
管侧
28
310/330
水
60000

GB150
2.2 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
（10）计算管数
（11）校核管内流速，确定管程数
（12）画出排管图，确定壳径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。
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、t>295℃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=℃ （2-1）
管程流体的定性温度：
T=℃
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=5.495
kJ/㎏.K
热导率
λi=0.5507
W/m.℃
粘度
μi=85.49
μPa.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=3.033
kJ/㎏.K
热导率
λo=0.0606
W/m.℃
粘度
μo=22.45
μPa.s
普朗特数
Pr=1.122

2.4估算传热面积
2.4.1热流量
根据公式（2-1）计算：
【化原 4-31a】 （2-2）
将已知数据代入 （2-1）得：
=60000×5.495× (330-310)/3600=1831666.67W
式中： ——工艺流体的流量，kg/h；
——工艺流体的定压比热容，kJ/㎏.K；
——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：
（2-3）
按逆流计算将已知数据代入 （2-3）得：
℃
式中： ——逆流的对数平均温差，℃；
——热流体进出口温差，℃；
——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值，假设=400 W/m2.K则估算传热面积为:
（化工原理 式4-43） （2-4）
将已知数据代入 （2-3）得：
式中：——估算的传热面积，；
——假设传热系数，W/m2.℃；
——平均传热温差，℃。
考虑的面积裕度，则所需传热面积为:
（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
将已知数据代入 （2-4）得：
（2-6）
式中——热流量，W；
——定压比热容，kJ/㎏.℃；
——热流体的温差，℃；
——热流体的质量流量，。
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
/（mmmm）
外径偏差
/mm
壁厚偏差
碳钢
GB8163
252.5

根据 红书 表3-4 取管内流速
⒉管程数和传热管数
依红书3-9式 ，可根据传热管内径和流速确定单管程传热管数
（根） (2-7)
式中——管程体积流量， ；
——单程传热管数目；
——传热管内径，；
——管内流体流速，。
按单管程计算,依红书3-10,所需的传热管长度为
(2-8)
式中 L——按单程管计算的传热管长度，m
——传热面积，；
——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,则该换热器的管程数为
（管程） (2-9)
传热管总根数 （根） (2-10)
式中， ——管子外径，；
——传热管总根数，根；
——管子外径，；
3.换热器的实际传热面积，依据红书3-12，
（2-11）
式中，
2.5.2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3-13a 3-13b
（2-12）
（2-13）
将已知数据代入（2-12）和（2-13）得：
按单壳程，四管程结构，红书图3-7，查得校正系数：
图2-2 温差校正系数图
；
平均传热温差 按式（2-9）计算：
（2-14）
将已知数据代入（2-9）得：
式中 ：——平均传热温差，℃；
——校正系数；
——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：
（2-15）
则管心距：
根据标准选取为 32mm：
隔板中心到离其最近一排管中心距
（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，则壳体内径为
. （2-17）
式中：D——壳体内径,m;
t——管中心距,m;
——横过管束中心线的管数
按卷制圆筒进级挡圆整，取为D=700mm。
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：
mm （2-18）
故可取180mm
取折流板间距，则
（2-19）
可取为B=250mm。
折流板数
（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4.42m/s，则接管内径为
（2-21）
圆整后可取内径为150mm。
管程流体进出口接管：取接管内液体流速为1m/s，则接管内径为
圆整后取管内径为=180mm。
式中：——接管内径，；
——流速，；
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
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3-22
（2-22）
当量直径，依式红书 3-32b计算：
（2-23）
将已知数据代入 （2-23）得 ：
式中 —当量直径，；
—管心距，；
—管外径，。
壳程流通面积依红书式3-25计算
（2-24）
式中 —折流板间距，；
—壳体内径，；
—管心距，；
—管径，；
—壳程流通面积，。
依据红书计算步骤，壳程流体流速及其雷诺数 分别为
（m/s） （2-25）
（2-26）
普朗特数
黏度校正
壳程表面传热系数
（2-27）
式中 —壳程流体流速，；
—壳程流通面积，；
—密度，
—热流体的质量流量，。
2 管内表面传热系数
管程流体流通截面积
（2-28）
管程流体流速
（m/s）
雷诺数 （2-29）
普朗特数
按化工原理 式 得
（2-30）
式中：——雷诺数；
——当量直径，；
——管程流体流速，；
——密度，；
——粘度，Pa.s。
——普朗特数；
——定压比热容，kJ/㎏.℃；
——粘度，Pa.s；
——热导率，W/m.℃。
污垢热阻和管壁热阻
污垢热阻和管壁热阻可取：化工原理附录20
管外侧污垢热阻 （·℃/W）
管内侧污垢热阻 （·℃/W）
管壁热阻按红书 式计算，
可得碳钢在该条件下的热导率为：
（2-31）
将已知数据代入 （2-31）得：
式中： ——管壁热阻，；
——传热管壁厚，；
——管壁热导率，W/m.℃。
传热系数
按红书3-21计算：
因为值更小，故按Ki计算
（2-32）
将已知数据代入（2-32）得：
5传热面积裕度 红书3-35
（2-33）
该换热器的实际换热面积A
（2-34）
依红书 式3-36 该换热器的面积裕度为
（2-35）
该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
2.6.2壁温核算
2.6.2.1 温差计算
由于工作条件是高温高压，与四季气温相差特别大。因此进出口温度可以取原操作温度。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温降低，降低了传热管和壳体之间的温差。但操作初期时，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁壁温差可能很大。计算中因按最不利的因素考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。
由 红书3-42式计算：
（2-36）
液体的平均温度 按红书 3-44 和3-45式
计算有：
（℃） （2-37）
（W/·℃）
（W/·℃）
代入2-36式 传热管平均壁温
（℃） （2-38）
式中： ——热流体进口温度，℃；
——热流体出口温度，℃；
——冷流体进口温度，℃；
——冷流体出口温度，℃。
壳体壁温，可以近似取为壳程流体的平均温度，即t=357.5℃。
传热管壁温和壳体壁温之差为
（℃） （2-39）
该温差较大，需设温度补偿器。由于水和水蒸气不容易结垢，不需要经常清洗，因此选用U型管换热器较为适宜。
2.6.2.2 管程流体阻力 依式（2-29）
（2-36）
其中
式中 ：
——管程数；
——管程总阻力，；
——管程结垢校正系数，对的管子，取1.5；
（2-37）
由Re=166031 查化原表1-2
传热管绝对对粗糙度
传热管相对对粗糙度
查化工原理 图1-27 莫狄 图
得
，将已知数据代入（2-37）得：
式中： ——摩擦系数；
——管长，；
——传热管内径，；
——冷流体密度，；
——管内流速，；
——单程直管阻力，。
局部阻力按式（2-37）计算，
（2-38）
将已知数据代入（2-31）得：
式中： ——局部阻力，；
——局部阻力系数；
——冷流体密度，；
——管内流速，；
管程总阻力为：
（2-39）
管程流体阻力在允许范围之内。
2.6.2.3壳程阻力
按式红书 式 3-50 ~ 3-54计算：
（2-40）
其中 ，
式中 ——壳程总阻力，；
——流体流过管束的阻力，；
——流体流过折流板缺口的阻力，；
——壳程结垢校正系数；
——壳程数；
流体流经管束的阻力按（2-41）计算
（2-41）
将已知数据代入（2-340）得：
式中 ——流体流过管束的阻力，；
——管子排列方式为正三角形，所以；
——壳程流体的摩擦系数，；
——横过管束中心线的管子数 ；
——折流挡板数；
——热流体密度，；
——按壳程流通面积计算的流速 ；
流体通过折流板缺口的阻力 依式（2-34）计算：
（2-34）
，
将已知数据代入（2-35）得：
式中 ——折流板板数；
——折流板间距，；
——壳体内径，；
——热流体密度，；
——壳程流体流速，；
——流体流过折流板缺口的阻力，；
总阻力：
由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。
2.7 换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器主要结构尺寸和计算结果见表2-5。
参数
管程
壳程
流量/（kg/h）
600000
17393
进/出口温度/℃
310/330
420/295
压力/MPa
28
7.22
物性
定性温度/℃
320
357.5
密度/㎏/m3
709.7
28.8
定压比热容/[kJ/(㎏/℃)]
5.495
3.033
黏度/pa·s

导热率/[W/m·℃]
0.5507
0.0606
普朗特数
0.853
1.122
设备结构参数
形式
U型管
台数
1
壳体内径/mm
700
壳程数
1
管径/mm
Φ252.5
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列

管数目/根
300
折流板个数/个
23
传热面积/m2
126.4
折流板间距/mm
210
管程数
4
材质
碳素钢
主要设计结果
管程
壳程
流速/(m/s)
1
4.42
表面传热系数/[W/(m2·℃)]
562.5
682.6
污垢热阻/(m2·℃/W)

阻力/MPa
111.2 KPa
92.3 KPa
热流量/kW
1831.67
传热温差/℃
22.7
传热系数/[W/(m2·℃)]
346.1
裕度/%
11.79

表2-5 换热器主要结构尺寸和计算结果