(完整版)换热器计算步骤...doc

1、第 2章工艺计算2.1 设计原始数据表 21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7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管侧28310/330水60000GB1502.2 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

2、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 1.151.25 倍（9）选取管长l 0（10）计算管数NT（11）校核管内流速，确定管程数（12）画出排管图，确定壳径Di 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。第2章工艺计算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、t295 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

3、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=420295（2-1 ）357.52管程流体的定性温度：T=310 330320 2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 22密度i- =709.7/m3定压比热容cpi =5.495kJ/ . K热导率i =0.5507W/m.粘度i =85.49Pa.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 23密度o=28.8/m3定压

4、比热容cpo=3.033kJ/ . K热导率o=0.0606W/m.粘度o=22.45Pa.s普朗特数Pr=1.1222.4 估算传热面积2.4.1 热流量根据公式（ 2-1）计算：QWcp t【化原4-31a】（2-2）将已知数据代入（2-1）得：QWCt =600005.495 103 (330-310)/3600=1831666.67W1p11式中：W1 工艺流体的流量， kg/h ；Cp1 工艺流体的定压比热容，kJ/ . K；t1 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：t1t2（2-3）t mt1lnt2按逆流计算将

5、已知数据代入（ 2-3）得：t mt1 t2420 330310 295t142041.86330lnln295t2310第2章工艺计算式中：tm 逆流的对数平均温差，；t1 热流体进出口温差，；t2 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K 值，假设 K =400 W/m2.K 则估算传热面积为 :SQ（化工原理 式 4-43）（2-4）K tm将已知数据代入（2-3）得： S Q 1831666.67 109.39 m 2 K t m 400 41.86式中： S估算的传热面积，m2 ；2

6、K 假设传热系数， W/m. ；tm 平均传热温差，。考虑的面积裕度，则所需传热面积为:S S 1.15 112.88 1.15 125.8m2（ 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QWcp t将已知数据代入（2-4 ）得：Q1831666.6717392 .68 kg/h（2-6）W2t23.033 ( 420 295)C p2式中 Q 热流量， W；.cp 2 定压比热容， kJ/ ；W2 热流体的质量流量，kg / h 。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 厚度外径

7、偏差壁厚偏差/ （mm mm）/mm碳钢GB816325 2.50.2012%10%根据红书 表 3-4 取管内流速 u i1m / s管程数和传热管数依红书 3-9 式nqv，可根据传热管内径和流速确定单管程传热管数24 d uqv16.67709.774.8 75（根）(2-7)ns20.02214 di ui4式中 qv 管程体积流量，m 3 s ；第2章工艺计算n 单程传热管数目；di 传热管内径， mm ；u 管内流体流速，m s 。按单管程计算 , 依红书 3-10, 所需的传热管长度为LAp125.821.3 m(2-8)do ns0.02575式中 L 按单程管计算的传热管长度

8、，mAp 传热面积， m2 ；do 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 l 6 m , 则该换热器的管程数为L21.34 （管程）(2-9)N pl3.566传热管总根数NTns N p 75 4300 （根）(2-10)式中，d0 管子外径， m ；NT 传热管总根数，根；d0 管子外径， m ；3. 换热器的实际传热面积，依据红书 3-12 ，A d0lN T3.14 0.0256 300 141.3 m2（2-11 ）式中， NT换热器的总传热管数；A 换热器的实际传热面积 。2.5.2 平均传热温差校正及壳程数选

9、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热流体的温差T1T2（ 2-12）Rt 2t1冷流体的温差冷流体的温差t2t1（ 2-13）PT1t1两流体最初温差将已知数据代入（ 2-12）和（ 2-13）得：T1T2420295Rt13300.75t2310t 2t1330310Pt14200.22T1310按单壳程，四管程结构，红书图 3-7 ，查得校正系数 1 ：图 2-2温差校正系数图t 0.96 ；平均传热温差按式（ 2-9）计算：t mt t塑（ 2-14）将已知数据代入（ 2-9）得：t mt t塑 0.96 4

10、1.86 40.2。C第2章工艺计算式中 ：tm 平均传热温差，；t 校正系数；t塑 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：t1.28d0（2-15）则管心距：t1.28d o1.282532mm根据标准选取为32mm ：隔板中心到离其最近一排管中心距t3222 mms6622（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

11、-3 组合排列法图 2-4 隔板形式和介质流通顺序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0.6 0.8，取0.7 ，则壳体内径为D1.05t N T1.05 32300695.5 (mm) .（2-17）0.7式中： D壳体内径 ,m;t 管中心距 ,m;NT 横过管束中心线的管数按卷制圆筒进级挡圆整，取为D=700mm。第2章工艺计算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

12、的 20%25%，取 25%，取则切去的圆缺高度为：h0.25700175mm（ 2-18 ）故可取 h 180mm取折流板间距 B0.3D ，则B 0.3 700210 (mm)（ 2-19 ）可取为 B=250mm。折流板数 N BN B传热管长-16000（块）（2-20 ）折流板间距-123250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 16 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

13、水蒸气流速为u14.42m/s ，则接管内径为4 V1417393）（0.219 ( )（2-21 ）D1360028.8mu14.42圆整后可取内径为D1 150mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速为u21m/s ，则接管内径为460000）4V 2（D23600709.70.173(m)u21圆整后取管内径为 D 2 =180mm。式中： D 接管内径， m ；u 流速， m/ s ；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2.6.1.1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 3-221o 0.360.553 ()0.14（2-2

14、2）1 RePrd ew当量直径，依式 红书3-32b 计算：322e4(2 t4 do)（ 2-23）ddo将已知数据代入（2-23）得 ：第2章工艺计算322322e4(2 t4 do )4(20.03240.025 )0.020 ( m)ddo0.025式中de 当量直径， m ；t 管心距， m ；d0 管外径， m 。壳程流通面积依 红书式 3-25 计算So BD (1do)tSo BD (1d o0.0252) s2BD (1d2)（ 2-24 ）t)0.25 0.7 (10.032)0.038(mt式中B 折流板间距， m ；D 壳体内径， m ；t 管心距， m ；do 管径

15、， m ；So 壳程流通面积， m2 。依据红书计算步骤 ，壳程流体流速及其雷诺数分别为1739328.8)Vo(36004.415 （ m/s ）（2-25 ）u o So0.038deu0.02 4.41528.8113275.72（2-26 ）Re o22.45 10 6普朗特数Pr1.122黏度校正() 0.141壳程表面传热系数1o 0.361 Re0.553 ( )0.14Prd e113276w1 682.5（ W/m 2）0.36 0.06060.551.122310.02式中u2 壳程流体流速， m / s ；2s2 壳程流通面积， m ；密度， kg / m3m 热流体的质

16、量流量， kg / h 。2.6.1.2 管内表面传热系数管程流体流通截面积SidiN T0.02275 0.0236 (m2 )4n4管程流体流速ui1 （m/s ）雷诺数Reii di ui709.70.0261 166031.1i85.4910普朗特数Pr0.853按化工原理式i0.23iRe0.8 Pr 0.4得dii 0.23i Re0.8 Pr 0.4di0.230.5507166031.10.80.8530.4562.5 （ W/m 2 ）0.02式中： Re 雷诺数；de 当量直径， m ；ui 管程流体流速，m/ s ；i 密度， kg / m3 ；i 粘度， Pa.s 。（

17、 2-27 ）（2-28 ）（2-29 ）（ 2-30 ）第2章工艺计算Pr 普朗特数；cpi 定压比热容， kJ/ . ；i 粘度， Pa.s ；i 热导率， W/m.。2.6.1.3 污垢热阻和管壁热阻污垢热阻和管壁热阻可取1 ：化工原理附录 20管外侧污垢热阻Ro0.8598104（ m2 /W）42管内侧污垢热阻Ro0.859810（ m /W）管壁热阻按 红书 式计算， 查表 1可得碳钢在该条件下的热导率为40W /(m.K ) ：Rwb（2-31）w将已知数据代入（ 2-31）得：b0.0022 10 4 ( m2 ? K / W)Rww40式中：Rw 管壁热阻，b 传热管壁厚，w

18、 管壁热导率，m2 .K / W ；m ；W/m.。2.6.1.4 传热系数 K c按红书 3-21 计算：因为i 值 更小，故按Ki 计算K C1（ 2-32 ）diR0 diRw di1o d0d0dmRii将已知数据代入（ 2-32）得：K C10.8598 10 4 0.022 1040.0210.024(0.0250.0250.020.8598 10)628.5562.5346.1W / m2 K2.6.1.5 传热面积裕度红书 3-35Q1831666.672（ 2-33 ）ACK Ct m346.1 41.86126.42( m )该换热器的实际换热面积AAdo lNT3.14

19、0.025 6300 141.3 (m2 )（2-34）依红书 式 3-36该换热器的面积裕度为HAAC100%141.3 126.42100% 11.79%（2-35 ）AC126.42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：T

20、 m ( 1Rc ) tm ( 1Rh)twch（2-36 ）11RcRhch液体的平均温度按红书 3-44和 3-45 式tm0.4t 2 0.6 t1第2章工艺计算计算有：0.4 330 0.6 310 318 （）（2-37 ）tmhcho682.6（W/2）mhhhi562.5（W/m2）代入 2-36 式 传热管平均壁温T mtm357.5318Twhchh682.6562.5336.8（）（2-38 ）1111hchh682.6562.5式中：T1热流体进口温度，；T2 热流体出口温度，； tt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

21、t 357.5 336.8 20.7 （）（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）pi ( p1p2 )N p Ft（ 2-36）其中 Np 4Ft 1.5式中 ：N p 管程数；pi 管程总阻力， Pa ；Ft 管程结垢校正系数，对252.5mm 的管子，取 1.5 ；pilu2（ 2-37）i d2i由 Re=166031查化原表 1-2传热管绝对对粗糙度0.02传热管相对对粗糙度0.020.00120查化工原理 图 1-27莫狄 Re 图得i0.021709.7 kg

22、 / m3 ， u 1m / s，将已知数据代入（ 2-37）得：pilu2i d2i6709.7120.02122235.5Pa0.02式中：i 摩擦系数；l 管长， m ；di 传热管内径，m ；3u 管内流速， m / s ；pi 单程直管阻力，Pa 。局部阻力按式（ 2-37）计算，pru2（ 2-38）2将已知数据代入（ 2-31）得：pru23709.7121596.8Pa22式中：pr 局部阻力， Pa ；局部阻力系数；3第2章工艺计算u 管内流速， m / s ；管程总阻力为：pt (2235.5 1596.8) 2 4 1.5 45987.6Pa（2-39 ）管程流体阻力在允

23、许范围之内。2.6.2.3 壳程阻力按式红书 式 3-50 3-54 计算：po( p1p2 ) FsNs（ 2-40）其中N s1，Fs1式中po 壳程总阻力， Pa ； p1 流体流过管束的阻力， Pa ； p2 流体流过折流板缺口的阻力， FNs 壳程数；Pa ；流体流经管束的阻力按（2-41）计算p1Ff 0nc (N B 1)u02（ 2-41）2将已知数据代入（ 2-340）得：po0.5 0.352 19.05 ( 23 1)28.8 1021.11 105 Pa2式中p1 流体流过管束的阻力，Pa ；F 管子排列方式为正三角形，所以F0.5；f0 壳程流体的摩擦系数，f o5.0 Reo0.2285166031.10.2280.352 ；nC0.50.5；nc 横过管束中心线的管子数1.1NT 1.130019.05NB 折流挡板数 N B 23 ；热流体密度， kg / m3 ；u0 按壳程流通面积计算的流速u o4.415m / s ；流体通过折流板缺口的阻力依式（ 2-34