常压空气加热装置的改进方案设计书

1、目录摘要 1关键词 1Abstract 1Key words 11引言 21.1加热器在工业中的应用 21.2新型高效换热器 21.3空气换热器的应用 32换热管为光滑管的设计 42.1 设计方案的选择 42.2确定物理性质数据 42.3 传热面积的初定 42.4主要工艺尺寸确定 52.5计算压强降 82.6总传热系数的校核 92.7核算壁温及冷凝液流型 113 换热器机械结构设计 123.1换热管与管板连接 123.2管板与壳体及管箱连接 133.3结构设计 133.4总结 134换热器的改进设计 134.1概述 134.2类型和分类 134.3设计类型选择 144.4总传热系数K）的计算

2、154.5设计类型的重新选择 184.6总传热系数K）的重新计算 185结论 225.1翅片管换热管与光滑管换热器的比较 225.2传热量增加的百分率 225.3总结 225.4关于翅片管换热器的设计讨论 23参考文献 23致谢 24常压空气加热装置的改进设计化学工程与工艺专业学生刘霞指导教师陈艳丽摘要：换热器是实现物料之间热量传递的设备，翅片管式换热器是一种新型高效换热器。翅片管与光滑管相比，能有效增加传热面积和增大传热系数，并且比较容易制造并保证操作的稳定性。本文对 常压空气加热装置进行设计，由于冷空气的导热系数小、密度低，空气对管壁的对流传热系数较小， 我们选用水蒸气作为加热介质，先后采

3、用光滑管和翅片管进行换热器的设计计算，比较后得出如下 结论：翅片管换热器比光滑管换热器具有更大的优越性，在传热系数一定的情况下，结构更加紧凑， 所占面积也就更小，达到节能减排的效果。关键词：换热器；高效能换热器；光滑管；翅片管；空气。Design improvement of atmospheric air heating deviceStude nt majori ng in Chemical Engin eeri ng and Tech no logyLiu XiaTutor Che n YanliAbstract: Heat exchangers are devices in which

4、 two or more fluids exchanging thermal energy are separated by heat transfer surface, fin and tube heat exchanger is a new high-efficiency heat exchanger. Finned tube, compared with the smooth tube, can effectively in crease the heat tran sfer area andthe heattransfer coefficient, and is relatively

5、easy manufactured and to ensure the stability of operation. The main objective of this research project is to improve atmospheric air heating device. As the small thermal con ductivity and low den sity of the cold air, and it has a smaller con vective heat tran sfer coefficie nt to the tube wall, va

6、por was adopted as the heat ing medium. Respectively making a desig n calculatio n about the smooth tube and the finned tube as a heat exchanger and making a comparison, the following conclusions were drawn that the finned tube heat exchanger has a greater advantage than the smooth pipe one. A more

7、compact structure and corresp ond smaller proport ion of area in the same heat tran sfer coefficie nt achieve the effect of en ergy-savi ng reduct ion.Key words: Heat exchanger; high-efficiency heat exchanger; smooth tube; finned tube; air.1引言1.1 加热器在工业中的应用本次设计是设计一台化工厂稳定系统空气加热器，加热器是换热器的一种类型。换 热器是化工、

8、制药、食品、炼油及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可 以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在 化工生产中占有重要地位，通常在化工厂的建设中换热器投资比例为 11%，在炼油厂中 咼达40%。列管式换热器又称管壳式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁 式换热器。它主要由壳体、传热管束、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体一般为 圆筒形，内部装有多根管束，管束两端固定在管板上。进行换热的介质，一种在管内（管 程）流动；另一种在管外（壳程）流动。为提高管外流体的传热系数，通常在壳体内设 置折流板，折流板的作用是提高壳程流体速度，迫使流体按

9、规定路程多次横向通过管束， 增强流体湍流程度，以提高流经换热器的两种介质的换热效果。但它却增加了换热器在 原工艺系统中的阻力，这就有可能影响到原系统的正常运行，从而降低了余热回收工作 的效率。管壳式换热器仍然是当今应用最广泛的换热设备，其可靠性和可能性已被充分 证明，特别是在较高参数的工况条件下，管壳式更显示其独有的长处。目前各国在提高 该换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐蚀材 料以及为大型化的发展所作的结构改进。近年来随着节能技术的发展，换热器的应用领域不断扩大，带来了显著的经济效 益。目前，在换热设备中，管壳式换热器使用量最大。因此对其进行研究就具有很大

10、的 意义。换热器在石油炼制和石油化工生产中占有重要地位，随着石油化工装置的发展， 换热器在大型化、新产品开发等方面的新进展。换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深 度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性 能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至 是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对优势，约 70%，其余30% 为各类高效紧

11、凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅 式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设 备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。由于我国工业的快速发展，使得整个社会对能源的需求越来越大。从长远来看，能 源成本在不断攀升。因此，“节能减排”成为重要国策。而利用高效换热器来吸收生产 过程中排出的大量余热，并重新利用，既节约了能源，又减少了污染。与其他换热设备 相比，列管式换热器由于其适用性广、坚固耐用、密封性好等优点，成为了石化等领域 应用最普遍的一种换热器。如何降低列管换热器在原工艺系统中的阻力，并提高其换热 效率

12、，就成为研究的重点之一。1.2新型高效换热器换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。20世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能降耗， 提高工业生产的经济效益，要求开发使用不同工业过程要求的高效能换热设备。因此， 几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题，国内外先后推出了一系列 新型高效换热器。翅片管规格品种很多。从材料上讲，有碳钢、钢、铝、不锈钢等，还有复合材料， 如

13、钢铝复合，即基管采用钢，翅片采用铝，从翅片形式讲，有环翅、纵翅、螺旋翅；翅 片既可在管外也可在管内，但以外翅为多，从制造方式讲，可以是整体轧制，也可以与 管焊接，还可以铸造等。各行业由于各自不同的特点，需要选用不同型式和材料的翅片 管。管壳式换热器使用的翅片管多以低翅螺纹为主，材料主要包括碳钢、铜及铜合金， 制造工艺多采用整体轨制方法。这种管是一种周期变截面钢管。决定其断面形状的几何 参数有翅片顶圆直径，钢管的壁厚、螺距、翅片高度、翅片根部厚度和顶部厚度。翅片管的应用范围是非常广泛的。 除了在冷冻机、空冷器、热管设备等大量使用外， 作为管壳式换热器中的换热器也很普遍，尤其在石化行业应用前景广泛

14、，使用效果比较 理想。美国的TEMA标准，我国的GB151都列有低翅片管。我国行业标准JB/T4722-92 规定了管壳式换热器用螺纹换热管的基本参数与技术条件，有19 x 2、25 x 2.5两种规格，翅片比（低翅管外表面积与轨制前光管外表面积比值）分别是 1.702.80、 1.602.80，材料为10号钢或20号钢，从规格和材料上都略显不足。 GB151对于选用 翅片管的有关计算也空缺，使设计选型遇到了一定困难。尽管如此，由于低翅螺纹换热 管具有特殊的强化传热效果，还是得到了普遍的认同。如在管内换热系数比管外换热系 数大2倍的情况下，在无相变场合，总传热系数可提高30%50%以上。因此可

15、减少传热 面积，达到金属耗量少，投资下降的目的。一般认为，低翅片螺纹管是比较成熟的强化 传热元件。还有，由于低翅片管是用光管轨制的，可以细化晶粒，破坏原来的平行纤维组织， 耐腐蚀能力得到很大提高，但因存在轨制应力，用在有应力腐蚀的场合应慎重。当然如 果能先进行消除应力处理，情况会有所改善。低翅管也能强化管外冷凝传热，但不能用于立式换热器，否则不会有强化冷凝的效 果。实践表明，低翅片螺纹管具有较强的抗硬垢性能，当操作情况发生变化时由于风琴 效应会使硬垢自行脱落。对于软垢，虽然不能向硬垢那样自行脱落，但对传热影响不大， 所引起的主要问题是压力降过分增大。综合以上分析可以发现，用低翅片管代替光滑管制

16、造管壳式换热器在某些方面具有 独特优点，只要选用得当会收到比普通光滑换热器更好的效果。内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成，流体在管内的传热过程为单相强制对流传热。其主要特点是通过在传热管内扩大传热面积，强化管内传热的途径来提高 传热器的传热性能。1971年美国首先提出内翅片管，并与二十世纪九十年代又开发出 一种高效强化管内相变传热的内螺旋翅片管。 日本，前苏联等国也进行大量的研究工作。 八十年代初，日本电缆有限公司研究表明，采用左右错式的螺旋内翅片管强化单相流体 的传热可使管内给热系数提高到光管的 28倍左右。近年来，国内已经进行了大量的强化传热技术的研究，但在新型高效换热器的开发 方

17、面与国外相比差距仍然较大，并且新型高效换热器的实际推广和应用仍非常有限。尚 需从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际水平，也需要各换热器设备使用厂家勇于引进和推广新型高效换热 器，为我国的节能事业做出贡献。1.3空气换热器的应用空气是化学工业中最基本的原料之一，在经过加压、加热等过程处理后，更有着 非常广泛的用途。空气换热器又名散热器，是以冷热媒质进行冷却或加热空气的换热设备。通入高温水、蒸汽或高温导热油，可以加热空气，通入氟利昂或低温水可以冷却空 气。因此空气换热器广泛应用于轻工、建筑、化工、机械、纺织印染、化纤、电力、电 子、食品、医药、

18、冶金、涂装、木材、塑料橡胶等行业的空气加热、冷却，以及空调冷 却、除湿、烘干等工程。但是，由于冷空气的导热系数小、密度低，所以空气对管壁的 对流传热系数一般较小，造成空气加热器传热速率低、载热体用量大、所需传热面积大 等问题，设备投资和操作费用增加，经济效益降低。因此，对如何强化空气一侧的传热 过程一直以来都是人们关注的热点问题。本文拟选用水蒸气作为加热介质，先后采用光 滑管和翅片管进行空气加热器的设计计算，以期对比选出合适的换热器型式。2换热管为光滑管的设计2.1 设计方案的选择2.1.1 温度描述常压空气进口温度是20C，出口温度是100C；32.1.2 空气处理量5000标准m/h;2.

19、1.3 加热介质的选择用来加热干燥介质（空气）的换热器称为空气加热器。一般可用烟道气或饱和水 蒸气作为加热介质，且以饱和蒸汽应用更为广泛。空气在蒸汽式加热器的出口温度通常 不超过160C，其所用蒸汽的压强一般在785kPa以下。考虑到装置中的工艺条件，加热 介质采用200kPa绝压的饱和水蒸气，冷凝液在饱和温度下排出。流程安排因空气是气相介质，考虑其密封性，适于走管内，以提高热的有效利用；加热介 质是饱和蒸汽，考虑其对流速和清理没有特别要求，并易于排除冷凝液，易于走壳程。2.1.5 确定设计方案考虑到两流体温差较大，可能引起温度应力腐蚀和热应力变形等不利结果，所以 采用浮头式列管换热器，换热器

20、有卧式和直立式两种，考虑其他工艺条件及所在体积的 大小，故选择直立式。2.2 确定物理性质数据2.2.1定性温度对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值，故 管程空气的定性温度为：20 1002=60 c壳程流体的定性温度为,200kPa绝压下：Tm=120°C。根据定性温度确定物理性质表1空气和冷凝水的物理性质数据X物性温度PCp入Prr液体C3(kg/m )(mPa- s)kJ/(kg/ C)w/(m -C)kJ/kg空气601.06-22.01 X 101.0050.028960.696冷凝水12022052.3 传热面积的初定平均传热温差 按照纯逆流

21、计算:% 厶t2,ti.t2(120 -20)-(120 -100)120-20 In120-100=49.7 C式中： tm逆流或并流的平均温差，C； t1 , t2分别为换热器两端的温度差，C；2.3.2 热负荷QQ 二 WcCpc(t2 - t|)式中：Q热负荷，W；w c冷流体的质量流量，kg/s ;cpc冷流体的平均比定压热容，J /(kg c)；t 1 ,t 2分别为冷流体的进出口温度，C；1.293； 5000因为 Wc1.8kg/s3600(1.293 是空气在0°C, 0.1mPa下的密度)所以 Q 二 WcCpc(t2 - b)= 1.8 1.005 103 (1

22、00 20)= 1.45 105W2.3.3 初选 Ko表2列管式换热器中的总传热系数K的经验值冷流体热流体总传热系数W/m2. C水水850-1700水气体17-280水有机溶剂280-850水轻油340-910水重油60-280有机溶剂有机溶剂115-340水水蒸汽冷凝1420-4250气体水蒸汽冷凝30-300水低沸点烃类冷凝455-1140水沸腾水蒸蒸汽冷凝2000-4250轻油沸腾水蒸汽455-102051.45 10560 49.7=48.6m2根据管外为水蒸气冷凝来加热管内的空气，总传热系数经验值的范围为 3030CW/(m2 C)，因为一般气体的对流传热系数都比较低，所以选定

23、K。=60W/(m2C),则估算的传热面积为：式中：s 0估算的传热面积，m；K0假设的传热系数， W/(m2 C)； tm平均传热温差，C； 注释：由于Ko值在选取时是一个范围值，所以选取时并非一次就能适合最终的计算结果 在这次计算中，我假设选取了 K45W/(m2 C)，K50W/(m2 C)，Ko =55W/(m2 C), Ko =60W/(m2 C) ，K。=65W/(m2 C)等计算，最终选取了 进行 Ko 二 60W/(m2 C) 了计算。2.4主要工艺尺寸的确定换热管的选用根据工艺条件和操作压力、温度，选用 38mM 2.5，管长为3m(对于直立设备, 换热管不应太长)的碳钢管，

24、正确选用管子的材料是很重要的，既要满足工艺条件的要 求，又要经济合理。管内流速的确定表3列管式换热器管内常用的流速范围流体种类流速(m/s)管程壳程一般液体0.5 30.2 1.5易结垢液体>1>0.5气体530315根据经验值，管内流速取 u=25m/s；管子数的确定nT -135.8= 136二d0L 3.14 0.038 3式中：nT列管式换热器的总管数，必须取整数；s 0传热面积的估算值，m；d 0选定的换热管外径，ml 选定的换热管有效长度，m管心距的确定若采用胀接法，则tmin -1.25d0-1.25 38-47 .5mm管间距的实际最小值不能小于(d0 6)mm，对

25、于直径小的管子，t/d°的数值应 取得更大一些。所以tmin -38 44mm ；综合多种因素考虑，取t=48mm壳体直径的确定D =t(nc -1) 2b/式中D壳体内径，mmt管心距，mmnc横过管束中心线的管数，管子按正三角形排列时，n 1.1 nT ;b/ 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离一般可取 b/ =(1 1.5)d0 ，mm所以nc =1.1 n/ =1.1 .136 = 128b/ =1.5 3.8 =57注意：管束最外层管子的中心距壳体内表面的距离不应小于(Ido 10)mm ；11d01038 10 = 29 ；22D =48 (12.8 -1)2 5

26、7 =680.4可取 D -700mm;L/D =3/0.7叱4.3 （对于直立设备，L/D以46为易）管程数m的确定根据式 m 丨ui式中：ui管程流体的适宜流速（由经验值查取），m/s； u i/单管程流体的实际流速，m/s；m 管程数，（应取整数）；若是单管程：/ _Wc兀 2匚di 帀4=14.6m/ s1.831420.0332 1.06 1364u 25所以心厂石""2所以，此换热器管内的流速为:/UiWc1.829.2m/ s 二2、3.142 , " 1.36dnT0.0332 1.06 -44因为对于气体而言，列管式换热器管内的流速一般为530m

27、/s，所以此换热器管内的流速符合要求。壳程数的确定由于饱和水蒸气的进出口温度都是 120C，所以R=0， t=1> 0.82，所以壳程数 应是1。注：1来自参考文献2第15页。管子排列方法采用组合排列法。即每程都为三角形排列，但两程之间常用正方形排列，这对于 隔板的安装是有利的。排列如图1：图1组合排列法因为采用的是组合排列法，且管子的根数为 136根，所以在最外层管子与壳体之 间不会出现很大面积的弓形部分，所以就不需要配置附加管子。即：准确管子根数还应为：136根。因为壳程是水蒸气，所以无需设置折流挡板。折流挡板的主要作用是引导壳程流 体反复地改变方向做错流流动，以加大壳程流体流速和湍

28、流程度，致使壳程对流系数提 高。另外，折流挡板还起了支撑管子的作用，防止管束振动和弯曲。249计算实际传热面积和传热系数则该换热器的实际传热面积为：E = n二d0(L -0.1)-136 3.14 0.038 (3-0.1)-47.06m2该换热器要求的总传热系数:k0 1.45 10547.6 49.7= 62w/(m2 C)2.5计算压强降2.5.1. 壳程压强降因为壳程为水蒸气在等温等压下的冷凝传热，压强降忽略。2.5.2. 管程压强降根据式一Pi十P1飞朴卩心式中： p1 , P2直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa；Ft结垢校正系数，量纲为一。因管内走的是空气，较清洁，不易结

29、垢,故可取Ft=1 ;Np管程数；Ns串联的壳程数。- u 二 29.2m/s0.033 29.2 1.062.01"05= 5.08 104（湍流）取碳钢管壁粗糙度& =0.2mm则02 二 0.006d 33由摩擦因数图查得：入=0.034，所以2"034 2 1.06 29-20.7=65.82= 0.034 （但车）= 1355.7二 Z 也口 =（65.8 +13557尸仆仆2=2843Pa一般来说，气体流经换热器的压强降为103104Pa，故该换热器的压强降符合要求。2.6总传热系数的校核丄+ Rs。+ B鱼+ Rsi虫+玉0dmdi idi式中：ko基

30、于换热器外表面积的总传热系数，W /(m2 C)；:0, : i管外及管内的对流传热系数，W/(m2 C);Rso,Rsi管外侧及管内侧表面上的污垢热阻，(m2C)/W ；do,di,dm换热器列管的外径，内径及平均直径，m；b列管管壁厚度，m列管管壁的导热系数，W/(m - C)。管内对流对流传热系数的计算:i =0.023)0.8(兰)ndi (流体被加热时，n=0.4)0.80.4"0.023广 Pr0.028964、0.80.4"°23 -03- (5.08 10) °.696= 101.6W/(m2 C)管外对流传热系数«0的计算因为

31、是直立式换热器，壳程为水蒸气在竖直管束外的冷凝传热，假设冷凝液膜为 滞流，选用下式计算：0:-2 31设管外壁温度tw=118C，则冷凝液膜的平均温度为:(ts tw)21 (120 118)2=119 c查出膜温119C下水的物性常数为：二 943.9kg/ m3- 0.24 10"Pa s =0.686W/(m2 c)3 0.24 103 21.13( t o.6863.22-35 !o3 再= 9161.4确定污垢热阻Rsi =3.4394 10，(m2 c)/W (空气)Rs0 =0 (因水蒸气侧热阻很小，计算中予以忽略)2.6.4 K0的计算管材为碳钢，导热系数-45W/(

32、m C)，所以K。?0RS0b也dmd0:idi丄0 0225空9161.44535.53.4393 1043838+33101.6 33 84选用该换热器时要求过程的总传热系数为62W/(m2 - C)，传热任务所规定的流动条件下，计算出的Ko =84W/(m2 C)，故所选择的换热器的安全系数为：84 62 100% = 35.5%62则该换热器传热面积的裕度符合要求。注意：理论上换热器传热面积的裕度应为 15%-25%但在实际生产操作中，考虑到实际 应用及一些塔压的作用，因而应适当增加其传热面积裕度，其传热面积裕度应为 30%左右，所以，此换热器传热面积的裕度非常安全，所以能安全完成生产

33、任务。2.7核算壁温及冷凝液流型壁温的核算tw值核算壁温时，一般忽略壁温热阻，根据下列近似关系核算T _tw _tw -1RsoRsi：'0：i式中：T壳程流体的定性温度，C；ti 管程流体的定性温度，c；:0管外对流传热系数，W/(m2 C);i管内对流传热系数，W /(m2 C);Rso管外污垢热阻，(m2 C)/W ；Rsi管内污垢热阻,(m2 C)/W ;tw 壁温，°c；t w 60120 -tw9161.4-3.4393 10*101.60.0103tw =1.2289-tw =119.3 C由此算出的tw与假设的tw值相符，故假设合理。注释：一般要用试差法确定壁

34、温，所设的 tw值应接近于a值大的那个流体的温度。但 并非一次假设就能成功，需要重复计算，知道基本相符为止，在这次计算中我先后假设了 tw =110 C , tw =116 C , tw =118 C等进行计算，最终确定按tw =118 C进行计算膜层流型的核算核算冷凝液膜流型时，计算单位润湿周边上冷凝液流率，Re4M式中：M冷凝负荷，kg/（m s）；b润湿周边，m对垂直管b = xdo；W 冷凝液的质量流量，kg/s； 卩冷凝液的粘度， pa s；W可有热量横算求得，即:1.45 1052205 1030.066kg /sb兀d°nc3.14x0.038x11.71.4二 0.0

35、47kg /(m s) 贝U： Re =理 4 0'0473 = 783.3 ： 1800 卩 0.24X0所以，假设液膜内的流动为滞流是正确的3换热器机械结构设计3.1传热管与管板连接 管子与管板连接方式的选择管子与管板的固定是浮头式换热器制造中最主要的问题之一。管子与管板的连接形式有强度胀接，强度焊接与胀焊接混合结构。无论采用何种连接形式，都必须满足以下 两个条件：连接处保证介质无泄漏的充分气密性；承受介质压力的充分结合力。根据工 艺条件（压力200MPa温度20C），在这里管子与管板连接采用强度焊接连接。具体胀接 结构见下图2。图2胀接结构1: d J注意：其中为了提高胀接质量管

36、板的硬度一定要高于管子的硬度。3.2管板与壳体及管箱的连接321管板与壳体的连接管板与壳体的连接依照换热器的结构形式分为可拆连接及不可拆连接。由于本设计的换热器为浮头式换热器，所以用可拆式连接方式。用法兰和垫片来解决其密封性能。管板与管箱的连接浮头式换热器管板与管箱、壳体的连接为可拆式换热器的管板。因管束经常需抽出 清洗、维修，所以管板与壳体，官板与管箱之间不采用焊接结构，做成可拆卸结构。法 兰连接结构见下图3。图3管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接3.3结构设计冷凝器的结构设计是在工艺设计的基础上进一步确定最终结构尺寸，这时既要考虑工艺计算结果，又要考虑强度计算，有时更要注重标准的使用。若

37、存在不合理情况，还 应该返回工艺计算做某些修正、校核，方可最后确定。当结构设计完成后，应该对主要 受压件进行强度计算。3.4小结上面对常压空气加热装置（换热管是光滑管）进行了设计，常压空气的进出口温度为 20/100r，空气处理量是5000标准m/h。我设计的是立式、浮头式列管换热器，次换热 器的换热面积是47.06m2,热管总数为136根，换热管长度为3000mm管程数为2,壳程 数为1,加热介质选择的是水蒸气；对冷凝器进行热流量核算、温度核算、强度计算， 结果满足要求。表4加热器的主要结构尺寸和计算结果表管程壳程流率 ( kg/h)6480237.6进/ 口温度C）20/100120/12

38、0压力（kPa）101200定性温度（C）60120密度(kg/m °)1.061.1273粘度(Pa.s)2.01 x 105普朗特数0.696形式浮头式台数1壳体内径（mm）700壳程数1管径（mm） 38 X 2.5管心距48管长（mm）3000管子排列正三角形管数目/根136传热面积（吊）34.7管程数2该换热器的实际传热面积（m2）47.06流速(m/s)29.2表面传热系数W/(m2C 101.69161.4污垢热阻(m2 JC )/W0.000343940该换热器要求的传热系数W/(m2 .C 62传热系数W/(m2 .C 84裕度(%)35.54换热器的改进设计4.1

39、 概述翅片管换热器在动力、化工、石油化工、空调工程和制冷工程中应用得非常广泛, 如空调工程中使用的表面式空气冷却器、空气加热器、风机盘管，制冷工程中使用的冷 风机蒸发器、无霜冰箱蒸发器等。当换热器两侧流体的换热系数相差较大时，在换热系 数小的流体一侧加上翅片，可扩大换热面表面积并促进流体的扰动减少传热热阻，有效 地增大传热系数，从而增加传热量。或在传热量不变的情况下，减少换热器的体积，达 到高效紧凑的目的。4.2类型和分类翅片管式换热器的基本传热元件为翅片管，翅片管由基管和翅片组合而成。基管通 常为圆管，也有椭圆管和扁平管。翅片管可按下述方法分类绕片式串、套片式整协翅片式其他几种形式图4翅片管

40、的结构型式按结构型式分类从结构型式上翅片管可分为纵向和径向两种基本类型，其他型式均为这两类的发 展和变形，例如大螺旋角翅片管接近纵向，小螺旋角翅片管接近径向。翅片的形状有圆 形、矩形和针形。此外，翅片管可设直在管外，称外翅片管；也可设置在管内，称内翅 片管，或内外兼有。按制造工艺分类按制造工艺可把翅片管分类为整体翅片管、焊接翅片管、高频翅片管和机械连接翅 片管。整体翅片管一一由铸造、机械加工或轨制而成，翅片与管子为一整体。焊接翅片管一一使用钎焊或惰性气体保护焊等工艺制造。现代焊接技术可使不同材料的翅片连接在一起，并能将翅片管制造得简单、经济，具有较好的传热及机械性能， 已被广泛应用。高频焊翅片

41、管一一利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片接触处产 生高温，在10卩m左右的深度范围内使两者溶化，再加压使翅片与管子连为一体。机械连接翅片管一一通常有绕片式、镶嵌式、套片式或串片式等三种类型。绕片式 翅片管制造简单，把金属带用机械或焊接方式固定于管子一端，借管子转动力矩将金属 带紧紧地缠绕于管外壁，另一端固定即成绕片式翅片管。镶嵌式翅片管把翅片根部加工 成一定的形状，镶嵌于管壁的对应槽内。套片式或串片式的翅片一般冲压成型，热套于 管壁上，采用机械胀管等方式连接翅片管。翅片管还可以按材料分类。翅片管材料很广，有碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜 及铜合金、蒙太尔合金等，有时还可采用双金属翅

42、片以便节省贵重金属，同时又能适应 耐腐蚀性等工艺要求。4.3设计类型选择设计为圆管一一圆形翅片，等厚度环翅，径向截面为矩形。在有效长度为3m的管子外壁绕上翅片，翅片间距为 1cm,翅片厚度为1cm；翅片高度为35.5mm,翅片个数为 150.图5圆管一一圆形翅片，等厚度环翅。4.4 总传热系数K的计算当空气换热器的换热管为光滑管时，空气走管程，水蒸气走壳程。当换热管为翅片 管时，考虑到翅片管的制作难度，设计为外翅片管换热器，设计翅片管换热器的目的是 为了提高空气侧的对流传热系数，所以空气应走壳程，水蒸气应走管程，所以管内、外 侧的对流传热系数应重新计算。管外对流传热系数的o计算管壳式换热器壳程

43、无折流板时，管外传热膜系数的计算可按非圆形截面内流动时管 内传热系数的计算式进行计算，此时以当量直径des作为定性尺寸代替管子内径。对管壳式换热器，当管子呈正三角形排列时：、3R2：d022 -ji2d°11 1 二 2 4(R 、3R -3do )d es2 246ji3 ；do621.10R ,d7do式中：r 换热器中心距，mdo管外径，m2所以 des" 0.048 -0.038 = 0.02870.038光滑管换热器是双管程、单壳程，管内流速是29.2m/s。若空气走单管程，则空气流速为14.6 m/s。所以翅片管壳程空气的流速为uo=14.6 m/s。Redes

44、Uo ?0.0287 14.6 1.062.01 10*= 2.21 104（湍流）R>104 按式：=0.027丄农0.8尺13diLL(十)0.14计算w所以a o=0.027护先逬严= 0.027 0.02896 (2.21 104)0.8 0.696 3 (-2)0.140.02872.292= 70.86W/(m c):=0.943 (二'L -)'4 计管内对流传热系数%计算由参考文献12可知：垂直管内冷凝传热膜系数可通过式式中：I管长，m3 讥、Pl分别为膜温下凝液的导热系数，W/（m ）、密度，kg/m和粘度，Pa s ；冷凝潜热，J / kg ; t 饱

45、和水蒸气温度to与壁面温度tw的差值，C。冷凝液膜的Re与冷凝负荷M有关，通常可表示为：2罗当Re<2100 （Re为冷凝液膜的雷诺数），上式可表示为2iLg)13(4Mx13:一 1.87(2 ) 3()° LL当Re>2100,上式可表示为:a = 0.0077("L Q)'3(如)0.4式中：M冷凝负荷，kg/（m s）;g重力加速度，g=9.8m/s2。4MX4 0.0470.24 10”= 783.3 ： 210032所以 a： =1.87(育'3(竽)'3= 1.87 0.6863 943.92 9.81(0.24 10)2f

46、3(783.3/3= 6.31 105W/(m2 c)总对流传热系数Ki的计算当翅片管式换热器用于加热空气或冷却空气但不产生冷结水时，这种过程称为干工况，干工况时的总传热系数可由下列式子计算：1碍)di12=JL + R0 +邑| n()+色 + 丄K o :- i2 di:- o式中SrSf floSli对于金属基管，其导热热阻可以忽略，或可近似用平壁公式计算。采用平壁导热 公式计算，上两式可改写：R.二 RRi . :1+丄=二 Rj屯丄K。: i：'0式中：K以基管内表面传热面积为基准的总传热系数，W/(m2 C)；Ko以翅片管外表面传热面积为基准的总传热系数，W/(m2 C)；

47、:i管内对流传热系数，W/(m2 C)；：管外对流传热系数， W/(m2 C)；Ri管内侧污垢热阻，(m2 C)/W ；Ro管外侧污垢热阻，(m2 C)/W ；入一一基管金属导热系数， W/(m C)；翅片壁面总效率；基管壁面厚度，mSio每米管的管外表面积，m/m；Sii每米管的管内表面积，m/m；S ir每米管的管外无翅片部分表面积，nVm；S if每米管的管外翅片部分表面积，m/m；Sir mdo(1- nf、f )如为圆管一一圆形翅片：Slf =2（才）（df2do2） nf式中：df圆形翅片直径，mdo管外径，mn f每米管的翅片数；、 f 翅片厚度,m ；由文献12第322页图1-

48、10-22查得：r 2/r 1=2.0 时，取 f =0.6因为 d o=38mm=O.O38m;n=5O; 、f=1cm=0.01m所以 Slr =3.14 0.038 (1 -50 0.01)= 0.05966因为 d f=71mm+38mm=109mm=0.109m所以 Sf 二鸟沁314"。.®?2 0.0382)x 504= 0.82因为 S0 =slr +Sf =0.05966 + 0.82 = 0.87966SH -3.14 0.033 =0.104所以Sp _ 0.87966SH _ 0.104S|r' Slf fS|o0.05966 0.82 0.

49、60.87966-0.627由前面的计算可知:i =6.31 105W/(m2 C) ；： 0 = 70.86W/(m2 C)；所以1Ki1 丄 丄0.025丄3.4394江10 丄15 06.31 10458.46 0.62770.86 8.46 0.627二 0.00328所以 K =304.88W/(m2 C)因为 QSi 二 KoSo式中Si基管内表面传热面积，m；s o翅片侧外表面传热面积，m；S1i2所以，K-sO K K846 304.8 36.04皿伽 C)4.5 设计类型的重新选择设计为圆管一一圆形翅片，等厚度环翅，径向截面为矩形。在有效长度为3m的管子外壁绕上翅片，翅片间距

50、为 3cm翅片厚度为1cm翅片高度为35.5mm,翅片个数为 75。4.6 总传热系数K的重新计算当空气换热器的换热管为光滑管时，空气走管程，水蒸气走壳程。当换热管为翅片 管时，考虑到翅片管的制作难度，设计为外翅片管换热器，设计翅片管换热器的目的是 为了提高空气侧的对流传热系数，所以空气应走壳程，水蒸气应走管程，所以管内、外 侧的对流传热系数应重新计算。管外对流传热系数的：计算管壳式换热器壳程无折流板时，管外传热膜系数的计算可按非圆形截面内流动时管 内传热系数的计算式进行计算，此时以当量直径des作为定性尺寸代替管子内径。对管壳式换热器，当管子呈正三角形排列时：des4(-Pt 1、3R -

51、3 1 -do2)224 6网2。23 6d031do229.2m/s。若空气走单管程，则空气 uo=14.6 m/s。RedesUo0.0287 14.6 1.062.01 10*= 2.21 104（湍流）4R>10按式：w所以o = 0.027-Re0.%1 des3 ( o ) 0-14 '丿 w扎 0 81 '= 0.027-LRe . Rr 3 di21.10Pt_ddodO式中：r 换热器中心距，mdo管外径，m21 10 工 0 048所以 des 二0. 048 -0.038 = 0.02870.038光滑管换热器是双管程、单壳程，管内流速是 流速为14

52、.6 m/s。所以翅片管壳程空气的流速为（209）0.14-0.027 0.02896 (2.21 104)0.8 0.696130.0287二 70.86w/(m2 c)4.6.2管内对流传热系数:i计算32由参考文献12可知：垂直管内冷凝传热膜系数可通过式 口 =0 943汉（'丄久；g），计 丨側算式中：丨管长，m3 人L、PL、L分别为膜温下凝液的导热系数，W/（m °C）、密度，kg/m和粘度，Pa s ；冷凝潜热，J / kg ; t 饱和水蒸气温度to与壁面温度tw的差值，C。冷凝液膜的Re与冷凝负荷M有关，通常可表示为：Re-4%当Re<2100 （Re

53、为冷凝液膜的雷诺数），上式可表示为:=1.87（32'L ; L g) 13 (4M ) 1332 当 Re>2100,上式可表示为：。=0.0077(勺)'3(如)0.4-L2式中：M冷凝负荷，kg/(m s)；g重力加速度，g=9.8m/s2。4M 4 汇 0.047Re3 =783.3 ： 21004l0.24 汽 10 山人3P2g 13 4M 13所以:i =1.87(严)3()3320.686 汉 943.99.81-1.87 齐(0.24"0 )3(783.3) "3= 6.31 105W/(m2 C)总对流传热系数Ki的计算当翅片管式换热器用于加热空气或冷却空气但不产生冷结水时, 况，干工况