第2章工藝計算2.1設(shè)計原始數(shù)據(jù)表2—1名稱設(shè)計壓力設(shè)計溫度介質(zhì)流量容器類別設(shè)計規(guī)范單位Mpa℃/Kg/h//殼側(cè)7.22420/295蒸汽、水=3\*ROMANIIIGB150管側(cè)28310/330水60000GB1502.2管殼式換熱器傳熱設(shè)計基本步驟了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能由熱平衡計算的傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。（3）確定流體進入的空間（4）計算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（5）計算有效平均溫度差，一般先按逆流計算，然后再校核（6）選取管徑和管內(nèi)流速（7）計算傳熱系數(shù)，包括管程和殼程的對流傳熱系數(shù)，由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，一般先假定一個殼程傳熱系數(shù)，以計算K，然后再校核（8）初估傳熱面積，考慮安全因素和初估性質(zhì)，常采用實際傳熱面積為計算傳熱面積值的1.15~1.25倍（9）選取管長（10）計算管數(shù)（11）校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)（12）畫出排管圖，確定殼徑和殼程擋板形式及數(shù)量等（13）校核殼程對流傳熱系數(shù)（14）校核平均溫度差（15）校核傳熱面積（16）計算流體流動阻力。若阻力超過允許值，則需調(diào)整設(shè)計。2.3確定物性數(shù)據(jù)2.3.1定性溫度由《飽和水蒸氣表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃情況下為蒸汽，所以在不考慮開工溫度、壓力不穩(wěn)定的情況下，殼程物料應(yīng)為蒸汽，故殼程不存在相變。對于殼程不存在相變，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。其殼程混合氣體的平均溫度為：t=℃（2-1）管程流體的定性溫度：T=℃根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。2.3.2物性參數(shù)管程水在320℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：【參考物性數(shù)據(jù)無機表1.10.1】表2—2密度ρi-=709.7㎏/m3定壓比熱容cpi=5.495kJ/㎏.K熱導(dǎo)率λi=0.5507W/m.℃粘度μi=85.49μPa.s普朗特數(shù)Pr=0.853殼程蒸氣在357.5下的物性數(shù)據(jù)[1]：【鍋爐手冊飽和水蒸氣表】表2—3密度 ρo=28.8㎏/m3定壓比熱容cpo=3.033kJ/㎏.K熱導(dǎo)率λo=0.0606W/m.℃粘度μo=22.45μPa.s普朗特數(shù)Pr=1.1222.4估算傳熱面積2.4.1熱流量根據(jù)公式（2-1）計算：【化原4-31a】（2-2）將已知數(shù)據(jù)代入（2-1）得：=60000×5.495×(330-310)/3600=1831666.67W式中：——工藝流體的流量，kg/h；——工藝流體的定壓比熱容，kJ/㎏.K；——工藝流體的溫差，℃；Q——熱流量，W。2.4.2平均傳熱溫差根據(jù)化工原理4-45公式（2-2）計算：（2-3）按逆流計算將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得：℃式中：——逆流的對數(shù)平均溫差，℃；——熱流體進出口溫差，℃；——冷流體進出口溫差，℃；可按圖2-1中（b）所示進行計算。圖2-1列管式換熱器內(nèi)流型2.4.3傳熱面積根據(jù)所給條件選定一個較為適宜的值，假設(shè)=400W/m2.K則估算傳熱面積為:（化工原理式4-43）（2-4）將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得： 式中：——估算的傳熱面積，；——假設(shè)傳熱系數(shù)，W/m2.℃；——平均傳熱溫差，℃。考慮的面積裕度，則所需傳熱面積為:（2-5）2.4.4熱流體用量根據(jù)公式（2-4）計算：由化工原理熱平衡公式將已知數(shù)據(jù)代入（2-4）得：（2-6）式中——熱流量，W；——定壓比熱容，kJ/㎏.℃；——熱流體的溫差，℃；——熱流體的質(zhì)量流量，。2.5工藝尺寸2.5.1管數(shù)和管長管徑和管內(nèi)流速根據(jù)紅書表3-2換熱管規(guī)格表2-4材料鋼管標(biāo)準外徑厚度/（mmmm）外徑偏差/mm壁厚偏差碳鋼GB8163252.5根據(jù)紅書表3-4取管內(nèi)流速⒉管程數(shù)和傳熱管數(shù)依紅書3-9式，可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)（根）(2-7)式中——管程體積流量，；——單程傳熱管數(shù)目；——傳熱管內(nèi)徑，；——管內(nèi)流體流速，。按單管程計算,依紅書3-10,所需的傳熱管長度為(2-8)式中L——按單程管計算的傳熱管長度，m——傳熱面積，；——換熱管外徑，m。按單管程設(shè)計，傳熱管過長，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)準設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長,則該換熱器的管程數(shù)為（管程）(2-9)傳熱管總根數(shù)（根）(2-10)式中，——管子外徑，；——傳熱管總根數(shù)，根；——管子外徑，；3.換熱器的實際傳熱面積，依據(jù)紅書3-12，（2-11）式中，2.5.2平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)選用多管程損失部分傳熱溫差，這種情況下平均傳熱溫差校正系數(shù)與流體進出口溫度有關(guān)，其中按紅書3-13a3-13b（2-12）（2-13）將已知數(shù)據(jù)代入（2-12）和（2-13）得：按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，紅書圖3-7，查得校正系數(shù)：圖2-2溫差校正系數(shù)圖；平均傳熱溫差按式（2-9）計算：（2-14）將已知數(shù)據(jù)代入（2-9）得：式中：——平均傳熱溫差，℃；——校正系數(shù)；——未經(jīng)校正的平均傳熱溫差，℃。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流量較大，故取單殼程合適。傳熱管排列方式：采用正三角形排列每程各有傳熱管75根，其前后官箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工設(shè)計3-14選取取管心距：（2-15）則管心距：根據(jù)標(biāo)準選取為32mm：隔板中心到離其最近一排管中心距（2-16）各程相鄰傳熱管的管心距為2s=44mm。每程各有傳熱管75根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按圖2-4選取。圖2-3組合排列法圖2-4隔板形式和介質(zhì)流通順序⒌殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式計算。正三角形排列，4管程，取管板利用率為，則殼體內(nèi)徑為.（2-17）式中：D——殼體內(nèi)徑,m;t——管中心距,m;——橫過管束中心線的管數(shù)按卷制圓筒進級擋圓整，取為D=700mm。2.5.3折流板管殼式換熱器殼程流體流通面積比管程流通截面積大，為增大殼程流體的流速，加強其湍動程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。單殼程的換熱器僅需要設(shè)置橫向折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%~25%，取25%，取則切去的圓缺高度為：mm（2-18）故可取180mm取折流板間距，則（2-19）可取為B=250mm。折流板數(shù)（2-20）折流板圓缺面水平裝配。化工設(shè)計圖3-15圖2-5弓性折流板（水平圓缺）2.5.4其它附件拉桿拉桿數(shù)量與直徑：由化工設(shè)計表4-7表4-8該換熱器殼體內(nèi)徑為700mm，故其拉桿直徑為φ16拉桿數(shù)量為6個。2.5.5接管依據(jù)化工原理式1-24，殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)水蒸氣流速為4.42m/s，則接管內(nèi)徑為（2-21）圓整后可取內(nèi)徑為150mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速為1m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后取管內(nèi)徑為=180mm。式中：——接管內(nèi)徑，；——流速，；V——熱、冷流體質(zhì)量流量，kg/s。2.6換熱器核算2.6.1熱流量核算殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算，見式紅書3-22（2-22）當(dāng)量直徑，依式紅書3-32b計算：（2-23）將已知數(shù)據(jù)代入（2-23）得：式中—當(dāng)量直徑，；—管心距，；—管外徑，。殼程流通面積依紅書式3-25計算（2-24）式中—折流板間距，；—殼體內(nèi)徑，；—管心距，；—管徑，；—殼程流通面積，。依據(jù)紅書計算步驟，殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為（m/s）（2-25）（2-26）普朗特數(shù)黏度校正殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（2-27）式中—殼程流體流速，；—殼程流通面積，；—密度，—熱流體的質(zhì)量流量，。2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積（2-28）管程流體流速（m/s）雷諾數(shù)（2-29）普朗特數(shù)按化工原理式得（2-30）式中：——雷諾數(shù)；——當(dāng)量直徑，；——管程流體流速，；——密度，；——粘度，Pa.s?！绽侍財?shù)；——定壓比熱容，kJ/㎏.℃；——粘度，Pa.s；——熱導(dǎo)率，W/m.℃。污垢熱阻和管壁熱阻污垢熱阻和管壁熱阻可?。夯ぴ砀戒?0管外側(cè)污垢熱阻（·℃/W）管內(nèi)側(cè)污垢熱阻（·℃/W）管壁熱阻按紅書式計算，可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為：（2-31）將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得：式中：——管壁熱阻，；——傳熱管壁厚，；——管壁熱導(dǎo)率，W/m.℃。傳熱系數(shù)按紅書3-21計算：因為值更小，故按Ki計算（2-32）將已知數(shù)據(jù)代入（2-32）得：5傳熱面積裕度紅書3-35（2-33）該換熱器的實際換熱面積A（2-34）依紅書式3-36該換熱器的面積裕度為（2-35）該換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.6.2壁溫核算2.6.2.1溫差計算由于工作條件是高溫高壓，與四季氣溫相差特別大。因此進出口溫度可以取原操作溫度。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大會使傳熱管壁溫降低，降低了傳熱管和殼體之間的溫差。但操作初期時，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁壁溫差可能很大。計算中因按最不利的因素考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。由紅書3-42式計算：（2-36）液體的平均溫度按紅書3-44和3-45式計算有：（℃）（2-37）（W/·℃）（W/·℃）代入2-36式傳熱管平均壁溫（℃）（2-38）式中：——熱流體進口溫度，℃；——熱流體出口溫度，℃；——冷流體進口溫度，℃；——冷流體出口溫度，℃。殼體壁溫，可以近似取為殼程流體的平均溫度，即t=357.5℃。傳熱管壁溫和殼體壁溫之差為（℃）（2-39）該溫差較大，需設(shè)溫度補償器。由于水和水蒸氣不容易結(jié)垢，不需要經(jīng)常清洗，因此選用U型管換熱器較為適宜。2.6.2.2管程流體阻力依式（2-29）（2-36）其中式中：——管程數(shù)；——管程總阻力，；——管程結(jié)垢校正系數(shù)，對的管子，取1.5；（2-37）由Re=166031查化原表1-2傳熱管絕對對粗糙度傳熱管相對對粗糙度查化工原理圖1-27莫狄圖得，將已知數(shù)據(jù)代入（2-37）得：式中：——摩擦系數(shù)；——管長，；——傳熱管內(nèi)徑，；——冷流體密度，；——管內(nèi)流速，；——單程直管阻力，。局部阻力按式（2-37）計算，（2-38）將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得：式中：——局部阻力，；——局部阻力系數(shù)；——冷流體密度，；——管內(nèi)流速，；管程總阻力為：（2-39）管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2.6.2.3殼程阻力按式紅書式3-50~3-54計算：（2-40）其中，式中——殼程總阻力，；——流體流過管束的阻力，；——流體流過折流板缺口的阻力，；——殼程結(jié)垢校正系數(shù)；——殼程數(shù)；流體流經(jīng)管束的阻力按（2-41）計算（2-41）將已知數(shù)據(jù)代入（2-340）得：式中——流體流過管束的阻力，；——管子排列方式為正三角形，所以；——殼程流體的摩擦系數(shù)，；——橫過管束中心線的管子數(shù)；——折流擋板數(shù)；——熱流體密度，；——按殼程流通面積計算的流速；流體通過折流板缺口的阻力依式（2-34）計算：