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1、 第2章 工藝計(jì)算2.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)表21名稱設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度介質(zhì)流量容器類別設(shè)計(jì)規(guī)范單位Mpa/Kg/h/殼側(cè)7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管側(cè)28310/330水60000GB1502.2 管殼式換熱器傳熱設(shè)計(jì)基本步驟（1） 了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能（2） 由熱平衡計(jì)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(jìn)入的空間（4）計(jì)算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（5）計(jì)算有效平均溫度差，一般先按逆流計(jì)算，然后再校核（6）選取管徑和管內(nèi)流速（7）計(jì)算傳熱系數(shù)，包括管程和殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，由于殼程對(duì)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
2、定一個(gè)殼程傳熱系數(shù)，以計(jì)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(shí)際傳熱面積為計(jì)算傳熱面積值的1.151.25倍（9）選取管長(zhǎng) （10）計(jì)算管數(shù) （11）校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)（12）畫(huà)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(duì)流傳熱系數(shù)（14）校核平均溫度差（15）校核傳熱面積（16）計(jì)算流體流動(dòng)阻力。若阻力超過(guò)允許值，則需調(diào)整設(shè)計(jì)。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、t295情況下為蒸汽，所以在不考慮開(kāi)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(duì)于殼程不存在相變，其定性溫度
3、可取流體進(jìn)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(wú)機(jī) 表1.10.1】表22密度i-=709.7/m3定壓比熱容cpi=5.495kJ/.K熱導(dǎo)率i=0.5507W/m.粘度i=85.49Pa.s普朗特?cái)?shù)Pr=0.853殼程蒸氣在357.5下的物性數(shù)據(jù)1：【鍋爐手冊(cè) 飽和水蒸氣表】表23密度o=28.8/m3定壓比熱容cpo=3.033kJ/.K熱導(dǎo)率o=0.0606W/m.粘度o=22.45Pa.s普朗特?cái)?shù)Pr=1.
4、1222.4估算傳熱面積2.4.1熱流量根據(jù)公式（2-1）計(jì)算： 【化原 4-31a】 （2-2）將已知數(shù)據(jù)代入 （2-1）得：=600005.495 (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(jì)算： （2-3）按逆流計(jì)算將已知數(shù)據(jù)代入 （2-3）得：式中： 逆流的對(duì)數(shù)平均溫差，；熱流體進(jìn)出口溫差，；冷流體進(jìn)出口溫差，；可按圖2-1中（b）所示進(jìn)行計(jì)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(gè)較
5、為適宜的值，假設(shè)=400 W/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，?？紤]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(jì)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(zhǎng)1. 管徑和管內(nèi)流速 根據(jù)紅書(shū) 表3-2 換熱管規(guī)格表2-4材料鋼管標(biāo)準(zhǔn)外徑厚度/（mmmm）外徑偏差/mm壁厚偏差碳鋼GB8163
6、252.5根據(jù) 紅書(shū) 表3-4 取管內(nèi)流速 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依紅書(shū)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(jì)算,依紅書(shū)3-10,所需的傳熱管長(zhǎng)度為 (2-8)式中 L按單程管計(jì)算的傳熱管長(zhǎng)度，m 傳熱面積，； 換熱管外徑，m。按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng),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(shí)際傳熱面積，依據(jù)紅書(shū)
7、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(jìn)出口溫度有關(guān)，其中按紅書(shū)3-13a 3-13b （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(shū)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(jì)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(shí)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
8、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(jì) 3-14 選取取管心距： （2-15） 則管心距：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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)流通順序殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式計(jì)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(guò)管束中心線的管數(shù) 按卷制圓筒進(jìn)級(jí)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
9、管程流通截面積大，為增大殼程流體的流速，加強(qiáng)其湍動(dòng)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(jì) 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(jì)表4-7 表4-8 該換熱器殼體內(nèi)徑為700mm，故其拉桿直徑為16拉桿數(shù)量為6個(gè)。 2.5.5接管依據(jù)化工原理 式1-24 ，殼程流體進(jìn)出口
10、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(jìn)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2.6.1.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算，見(jiàn)式 紅書(shū)3-22 （2-22） 當(dāng)量直徑，依式紅書(shū) 3-32b計(jì)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(shū)式3-25計(jì)算 （2-24） 式中 折流板間距，； 殼體內(nèi)徑，； 管
11、心距，； 管徑，； 殼程流通面積，。依據(jù)紅書(shū)計(jì)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?cái)?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，。2.6.1.2 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?cái)?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。 普朗特?cái)?shù)； 定壓比熱容，kJ/.； 粘度，Pa.s； 熱導(dǎo)率，W/m.。2.6.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻 污垢熱阻和管壁熱阻可取：化
12、工原理附錄20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(shū) 式計(jì)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.。2.6.1.4傳熱系數(shù) 按紅書(shū)3-21計(jì)算：因?yàn)橹蹈?，故按Ki計(jì)算 （2-32） 將已知數(shù)據(jù)代入（2-32）得： 2.6.1.5傳熱面積裕度 紅書(shū)3-35 （2-33）該換熱器的實(shí)際換熱面積A （2-34）依紅書(shū) 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(jì)算由于工作條件是高溫高壓
13、，與四季氣溫相差特別大。因此進(jìn)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(huì)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(shí)，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁壁溫差可能很大。計(jì)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(jì)算傳熱管壁溫。由 紅書(shū)3-42式計(jì)算： （2-36）液體的平均溫度 按紅書(shū) 3-44 和3-45式 計(jì)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(jìn)口溫度，； 熱流體出口溫度，； 冷流體進(jìn)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
14、溫和殼體壁溫之差為 （） （2-39）該溫差較大，需設(shè)溫度補(bǔ)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(duì)的管子，取1.5； （2-37）由Re=166031 查化原表1-2 傳熱管絕對(duì)對(duì)粗糙度 傳熱管相對(duì)對(duì)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(zhǎng)，； 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(jì)算， （2-38）將已知數(shù)據(jù)代入（2-3
15、1）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(shū) 式 3-50 3-54計(jì)算： （2-40）其中 ， 式中 殼程總阻力，； 流體流過(guò)管束的阻力，； 流體流過(guò)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(jì)算 （2-41）將已知數(shù)據(jù)代入（2-340）得：式中 流體流過(guò)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(guò)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(jì)算的流速 ； 流體通過(guò)折流板缺口的
16、阻力 依式（2-34）計(jì)算： （2-34） ，將已知數(shù)據(jù)代入（2-35）得：式中 折流板板數(shù)； 折流板間距，； 殼體內(nèi)徑，； 熱流體密度，； 殼程流體流速，； 流體流過(guò)折流板缺口的阻力，；總阻力：由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。2.7 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-5。參數(shù)管程殼程 流量/（kg/h）60000017393 進(jìn)/出口溫度/310/330420/295 壓力/MPa287.22物性 定性溫度/320357.5 密度/m3709.728.8定壓比熱容/kJ/(/)5.4953.033 黏度/pas 導(dǎo)熱率/W/m0.55070.0606 普朗特?cái)?shù)0.8531.122 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 形式U型管臺(tái)數(shù)1 殼體內(nèi)徑/mm700殼程數(shù)1 管徑/mm252.5管心距/mm32 管長(zhǎng)/mm6000管子排列 管數(shù)目/根300折流板個(gè)數(shù)/個(gè)23 傳熱面積/m2126.4折流板間距/mm210 管程數(shù)4材質(zhì)碳素鋼 主要設(shè)計(jì)結(jié)果管程殼程 流速/(m/s)14.42 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(m2)562.5682.6 污垢熱阻/(m2/W) 阻力/MPa111.2 KPa92.3 KPa 熱流量/kW1831.67 傳熱溫差/22.7 傳熱系數(shù)/W/(m2)346.1 裕度/%11.79 表2-5 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果
換熱器計(jì)算步驟
