列管式换热器选型设计计算

作者:万搏体育发布日期:2021-01-22 01:31

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  第一部分 第一部分 列管式换热器选型设计计算 一. 列管式换热器设计过程中的常见问题 换热器设计的优劣最终要以是否适用、经济、安全、负荷弹性大、操作可靠、检修 清洗方便等为考察原则。 当这些原则相互矛盾时, 应在首先满足基本要求的情况下再考 虑一般原则。 1. 流体流动空间的选择原则 (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内,因为管内清洗比较方便。 (2) 腐蚀性的流体宜走管内, 以免壳体和管子同时受腐蚀, 而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内,以免壳体受压,可节省壳体金属消耗量。 (4) 饱和蒸气宜走管间,以便于及时排出冷凝液,且蒸气较洁净,它对清洗无要求。 (5) 有毒流体宜走管内,使泄漏机会较少。 (6) 被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果。 (7) 粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时, 由 于流速和流向的不断改变,在低 Re(Re100)下即可达到湍流,可以提高对 流传热系数。 (8) 对于刚性结构的换热器,若两流体的温度差较大,对流传热系数较大者宜走管间, 因壁面温度与α大的流体温度相近,可以减少热应力。 在选择流体流径时,上述各点常不能同时兼顾,应视具体情况抓住主要矛盾。 2.流体流速的选择 0.8 根据管内湍流时对流传热系数 αi∝u ,流速增大,则αi 增大,同时污垢热阻 Rsi 减小,利于传热,从而可减少传热面积,节约设备费用;但同时又使压降增大,加大了 动力消耗,提高了操作费用。可见应全面分析权衡比较适宜的流速。 (1) 所选流速要尽量使流体湍流,有利传热。 (2) 所选流速应使管长或程数恰当。管子过长,不便于清洗管内污垢;而管子过短, 管程数增加,使结构复杂化,传热温差减少,均会降低传热效果。 (3) 粘度大的流体,流速应小些,可按滞流处理。 (4) 高密度流体(液体) ,阻力消耗与传热速率相比一般较小,可适当提高流速。 在我们教材及换热器设计手册中均给了出一些经验数据,以供参考。 3.管子规格及排列情况 (1)管径选择:国内换热器系列标准件中管子规格为Φ25×2.5mm、Φ19×2mm,在再沸器 中可采用Φ38×3mm。 (2) 管长:以清洗方便和合理使用管材为原则,系列标准件中采用 1.5m,2m,3 m 和 6m 四种。 (3) 管子排列方法 管子在管板上的排列方法有三种:正三角形,正方形直列和正方形错列(见化工 原理下册,天大版,P256,图 4-25) 。 正三角形排列使用最普遍,在同一管板面积上可以排列较多传热管,管外流体搅动 较大,对流传热系数较高,但相应阻力也较大,管间不易清洗;正方形直列便于清洗 管外表面,但传热系数较小;正方形错列介于上述两者之间,对流传热系数高于正方 形直列。 (4)管中心距 t 管子与管板采用胀管法连接 t=(1.3-1.5)do, 管子与管板采用焊管法连接 t=1.25do,相 邻两管外壁间距不应小于 6mm。 4.折流挡板 前面已述常用的有圆缺形和盘环形挡板 (见化工原理下册, 天大版, P257, 4-27) 图 , 而又以缺口面积为壳体内截面积 25%的圆缺形折板用的最广泛。 折流挡板间距 h:h=0.2~1D(壳内径) ,系列标准件中采用的板间距为:固定管板式 有 150、300、600mm 三种,浮头式有 150、200、300、480 和 600mm 五种。 5.流体流动阻力 一般分管程、壳程两部分。一般对液体,流经换热器压降 104-105Pa,对气体,压 3 4 降为 10 -10 Pa。 二.选型设计计算步骤 1.试算并初选设备规格 (1)确定流体在换热器中的流动途径:管程及壳程。 (2)根据传热任务计算热负荷 Q:Q=WhCph(T1-T2)=WcCPC(t2-t1)或 Q=Wr (3)确定载热体种类,进、出口温度,根据热量衡算式计算载热体用量 (4)计算冷、热流体的定性温度,并确定定性温度下流体的物性(可列表表示) :ρ、 μ、CP、λ、 r 等。 (5)初算平均温度差(T-t)m,并根据温度校正系数(φΔt)不应小于 0.8 的原则,决定壳程 数 ?t1 ? ?t 2 (T-t)m 逆= ln ?t1 / ?t 2 , φ△t=f(P,R) (6)根据实际操作情况,初选总传热系数 K 值。 Q (7)根据传热速率方程,初算传热面积 S 需,S 需= K (T ? t ) m ,按系列标准选择设备规 格,并列出所选设备的基本参数(壳径、公称压强、公称面积、管程数、管子规格、管长、 管子数、管子排列方法、管心距、折流挡板形式、折流板数以及折流板间距等) 2.校核 (1)总传热系数 K: λ A. 管程αi:无相变时αi=0.023 d i Re0.8Prn B. 壳程αo:无相变 1) 不装折流挡板时: 以当量直径 de 代替管内径 di,注意 de 为流动当量直径 2)装折流挡板:若为 25%圆缺形挡板 ? 0.14 Nu=0.36Re0.55Pr1/3 ( ? ω ) ? λ deu 0 ρ CP ? 或αo=0.36 de ( ? )0.55( λ )1/3( ? ω )0.14 应用范围: a)定性温度:除 ? ω 取壁温外,其他均取流体进、出温度的算术平均值。 b) Re=2×103~1×106 c) 当量直径 de: 4(t 2 ? 若管子为正方形排列,则 de= π 4 πd 0 d0 ) 2 4( 若管子为正三角形排列,则 de= 式中,t——相邻两管中心距,m;do—— 管外径,m d) uo=v/Ao,Ao=HD(1-do/t) 式中,Ao 为流体流过管间最大截面积,m2; ,H 为折板间距,m ;D 为换热器外壳内 径,m。 0.14 e) (μ/μω) 近似值:对气体,可取 1.0,对液体被加热时,取 1.05,对液体被冷却时, 3 2 π 2 t ? d0 ) 2 4 πd 0 取 0.95。 3) 壳程为蒸汽冷凝时(有相变) ,则管间不能装折流挡板,其对流传热系数 α0 按蒸汽冷 凝传热系数关联式计算。 a) 确定管程,壳程污垢热阻 Rsi 及 Rso 1 d0 d bd 0 1 + R Si 0 + + R SO + d i λd m α0 b) Ko 核= α i d i (2)平均温度差: 根据所选换热器结构,计算温差校正系数φΔt (T-t)m=(T-t)m 逆φΔt (3)传热面积 S 校 Q ? S 校= K O 校 ( T ? t ) m (4)比较与 S 校和 S 设备 若 S 设备/S 校=1.10~1.15,则初选换热合适。否则需要另设 K 值,重复以上计算。 3.流体力学计算:包括管程和壳程 (1)管程流体阻力∑ΔPi: ∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FTNSNP l ρ ui 2 λ 式中,ΔP1---直管阻力的压强降,Pa, ΔP1= di 2 , Pa ρu 2 ρu i 2 ξ i =3 2 2 ,Pa ΔP2---回弯管的压强降,Pa,ΔP2 = Ft-结垢校正系数,Φ25×2.5mm ,Ft=1.4,Φ19×2mm,Ft=1.5 NP,NS-管程数,壳程数(或串联换热器个数) (2) 壳程流体阻力∑ΔPO / / ①无相变时,∑ΔPO=(ΔP1 +ΔP2 )FS·NS 式中,FS---壳程压降结垢校正因数,液体:FS=1.15;气体:FS=1.0 NS---壳程数 / ΔP1 ---流体横过管束的压降,Pa, ρu 0 2 ΔP1 =F·f0nc(NB+1) 2 , Pa 式中,F---管子排列对压降校正因数,正三角形排列:F=0.5;正方形错列:F=0.4; 正方形直列:F=0.3 f0---壳程流体磨擦系数,Re0500: / f 0 = 5.0 Re ?0.228 nc---横过管束中心线的管子数,正三角形排列:nc=1.1 n ;正方形排列 nc=1.19 n ;n 为总管数. NB---折流挡板数 / ΔP2 ---流体通过折流挡板缺口处压降,Pa, 2 h ρu 0 / ΔP2 = NB(3.5 - D ) 2 2 V 式中,H——折流挡板间距,m,u0——流速,m/s;u0= A ; 其中,A---壳程流道面积,m ,A=h(D - ncd0) D---壳内径,m;d0---管外径,m ②有相变,如蒸汽冷凝时,为复杂的两相流,其阻力可以不作计算。 2


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