1、換熱器課程設(shè)計(jì)第三節(jié) 換熱器計(jì)算方法換熱器：在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱(chēng)為換熱器。 在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述行業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。1、熱力設(shè)計(jì) 根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行傳熱計(jì)算。 計(jì)算出總傳熱系數(shù)、傳熱面積2、流動(dòng)設(shè)計(jì) 計(jì)算壓降，為換熱器的輔助設(shè)備提供選擇參數(shù)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)傳熱面積的大小計(jì)算其主要零部件的尺寸4、強(qiáng)度設(shè)計(jì) 應(yīng)力計(jì)算?？紤]換熱器的受力情況，特別是在高溫高壓下?lián)Q熱器的受壓部件應(yīng)按照國(guó)家壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管箱（封頭）殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括管束等）單管程固定管板換熱器接管殼

2、體管束管板封頭（ 端蓋、管箱）折流擋板管程殼程 不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管內(nèi)-清洗比較方便 腐蝕性流體宜在管內(nèi)-避免殼體和管子同時(shí)腐蝕，便于清洗 壓強(qiáng)高的流體宜在管內(nèi)-免殼體受壓，節(jié)省殼程金屬消耗量 飽和蒸汽宜走管間-便于及時(shí)排除冷凝液 有毒流體宜走管內(nèi)，使泄露機(jī)會(huì)較少 被冷卻的流體宜走管間-可利用外殼向外的散熱作用 流量小或粘度大的液體，宜走管間-提高對(duì)流傳熱系數(shù) 若兩流體的溫差較大，對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管間-減少熱應(yīng)力一、流體流徑的選擇-冷、熱流體走管程或殼程上述各點(diǎn)若不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況抓主要矛盾。先流體的壓強(qiáng)、防腐蝕和清洗等要求，再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降。增加流速對(duì)流傳熱系數(shù)

3、 ，污垢熱阻總傳熱系數(shù) 傳熱面積流動(dòng)阻力和動(dòng)力消耗還需考慮結(jié)構(gòu)上： 高流速管子數(shù)目較長(zhǎng)管子或增加程數(shù) 管子太長(zhǎng)不易清洗，且管長(zhǎng)都有一定標(biāo)準(zhǔn)；程數(shù)增加使平均溫度差下降二、流體流速的選擇一定傳熱面積常用的流速范圍不同粘度液體的流速 流體種類(lèi) 流速管程殼程一般流體0.530.21.5易結(jié)垢流體10.5氣體530315液體粘度最大流速 1500 0.6 1500500 0.75 500100 1.1 10035 1.5 351 1.8 4管程：0.6-0.8正方形排列 2管程：0.55-0.7 ; 4管程：0.45-0.65計(jì)算得到的殼內(nèi)徑應(yīng)圓整。殼體標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體外徑/mm325400 500 600

4、 700800 900 10001100 1200最小壁厚/mm8101214八、主要附件1.封頭方形：用于直徑小的殼體（400mm）；圓形：用于大直徑的殼體。2.緩沖擋板 為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板3.導(dǎo)流筒 殼程流體的進(jìn)、出口與管板間存在一段流體不能流動(dòng)的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒。4.放氣孔、排液孔 殼體上常安有放氣孔和排液孔，排出不冷凝氣體和冷凝液等。5.接管 換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算，即 Vs流體的體積流量，u流體在接管中的流速流速u(mài)的經(jīng)驗(yàn)值可取為：對(duì)液體 u =1.52m/s；對(duì)蒸氣u =2050m/s

5、 ；對(duì)氣體u =（0.150.2）p/ (p為壓強(qiáng)，kPa； 為氣體密度)。九、材料選用 材料應(yīng)根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。 目前常用的金屬材料有：碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等。 非金屬材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。十、流體流動(dòng)阻力（壓強(qiáng)降）的計(jì)算1.管程流動(dòng)阻力 總阻力等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口之和。一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)，管程總阻力的計(jì)算式為：2.殼程流動(dòng)阻力用埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)降，即液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為10100kPa，氣體為110kPa。設(shè)計(jì)步驟 1、試算并初選設(shè)備規(guī)格 確定流體在換熱器中流動(dòng)途徑。 根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。 確定流體在換熱器兩

6、端的溫度，選擇列管換熱器的形式；計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下的流體物性。 計(jì)算平均溫差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選定總傳熱系數(shù)K值。 由傳熱速率方程，初步算出傳熱面積，并確定換熱器的基本尺寸。2、計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。驗(yàn)算結(jié)果是否滿(mǎn)足工藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿(mǎn)足要求。3、核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K，比較K的初設(shè)值和計(jì)算值，若K

7、/K=1.151.25，則初選的換熱器合適。否則需另設(shè)K值，重復(fù)以上計(jì)算步驟。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 將6000kg/h的植物油從140冷卻到40，井水進(jìn)、出口溫度分別為20和40。要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于35kPa。 實(shí)例工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一、確定設(shè)計(jì)方案1選擇換熱器的類(lèi)型 兩流體的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140，出口溫度40； 冷流體進(jìn)口溫度20，出口溫度40。 考慮冷熱流體間溫差大于50，初步確定選用浮頭式換熱器。2流程安排 與植物油相比，井水易于結(jié)垢，如果其流速太小，會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度使換熱器傳熱速率下降。植物油被冷卻，走殼程便于散熱。因此，冷卻水走管程，植物油走殼程。二、確定物性數(shù)據(jù) 對(duì)于

8、粘度低的流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。所以，殼程流體的定性溫度為： 管程流體的定性溫度為： 定性溫度下，管程流體(井水)、殼程流體（植物油）有關(guān)物性參數(shù)由主要物性參數(shù)表得出。2物性參數(shù) 1定性溫度主要物性參數(shù)表介質(zhì)性質(zhì)密度kg/m3比熱kJ/(kg)粘度Pas熱導(dǎo)率W/(m)植物油熱流體9502.2610.742 10-30.172井水冷流體995.74.1740.801 10-3 0.618三、估算傳熱面積1.熱流量 2.平均傳熱溫差 先按照逆流計(jì)算，得3.傳熱面積 由于殼程植物油的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=395W/ (m2)則估算的傳熱面積為： 考慮到外界因素的

9、影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取實(shí)際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實(shí)際傳熱面積為： 4.井水用量四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1.管徑和管內(nèi)流速 選用252.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u(mài)1=0.75m/s。 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)： 按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)L=8m，則該換熱器的管程數(shù)為： 傳熱管總根數(shù)：n=202=40（根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為： 3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)： 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖得： 平均傳熱溫差 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流

10、量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法 采用正方形錯(cuò)列。取管心距t=1.25d0，則 t=1.2525=31.2532mm 隔板中心到離其最近一排管中心距離： S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為：222=44mm5.殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.85，則殼體內(nèi)徑為：圓整可取D=300mm6.折流板 采用弓形折流板,取弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：H=0.25300=75m 取折流板間距h=0.3D，則 h=0.3300=90mm 故可取h=100mm 折流板數(shù)目：7.其他附件 拉桿數(shù)量與直徑按表選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為

11、300mm，故：拉桿直徑為12，拉桿數(shù)量不得少于4。8.接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為u1=2m/s，則接管內(nèi)徑為管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u(mài)2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為五、換熱器核算1.熱量衡算（1）殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)圓缺形折流板，可采用凱恩公式計(jì)算：當(dāng)量直徑： 殼程流通截面積： 殼程流體流速： 雷諾數(shù)： 普蘭特準(zhǔn)數(shù)： 粘度校正： （2）管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流體流通截面積： 管程流體流速：雷諾數(shù)：普蘭特準(zhǔn)數(shù)： （3）污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：管外側(cè)污垢熱阻：（4）傳熱系數(shù) （5）傳熱面積裕度 計(jì)算傳熱面積為：換熱器的實(shí)際傳熱面積為：換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適（15%20%），該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)