换热装置的工艺计

1、湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟主 讲：谭 志 伟 二零一六年秋湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟1概述 换热装置是以传递热量为主要功能的通用机械,通常称为热交换器,简称换热器。换热器在化工、石油、制冷、动力、食品等部门中均有广泛的应用。它们的设计、制造和运行对生产过程起着十分关键的作用。在化工厂的建设中,换热器约占工程总投资的11%;通常,换热器约占炼油及化工装置设备总投资的40%。因此,换热器的设计、制造、结构改进及传热机理研究,在节省投资、降低能耗等方面将发挥日益重要的作用。(1)换热装置的分类 根据换热的目的和工艺要求不同,换热器的结构型式必然是五花八门,其分类也是多种多

2、样。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 按冷热物料接触方式可分为: 直接接触式、蓄热式和间壁式。 按换热器的使用功能又可分为: 加热器、冷却器、再沸器、冷凝器、蒸发器、空冷器、凉水塔、废热锅炉等。 按换热器换热面紧凑程度又可分为: 紧凑式换热器(换热面积密度700m2/m3)和非紧凑式换热器(换热面积密度1.00.81.80.51.5530壳程流速/(m/s)0.51.5 0.51.5 0.21.50.50.41.00.30.8215表3-4列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮氢气安全流速/(m/s)1234管程,=0.60.8。正

3、方形排列:2管程,=0.550.7;4管程,=0.450.65。壳体内径d的计算值最终应圆整到标准值。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟(2)壳程折流挡板与分程隔板 列管式换热器的壳程流体流通面积比管程流通截面积大,当壳程流体符合对流传热条件时,为增大壳程流体的流速,加强其湍动程度,提高壳程给热系数,需设置横向折流挡板和纵向分程隔板。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟图3-9常用折流板型式湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 壳程折流挡板折流挡板一般横向设置,故又称为横向折流挡板。横向折流挡板同时兼有支承传热管、抑制管束振动和管子弯曲的作用。 横向折流挡板的型式有圆缺型(也称弓

4、型)、环盘型和孔流型等多种型式(见图3-9)。a.圆缺型折流挡板又称弓型折流板,应用最多。折流板缺口位置有水平切口、垂直切口和转角切口。水平切口宜用于单相流体。在壳程进行冷凝时,采用垂直切口,有利于冷凝液的排放。对正方形排列的管束,采用与水平成45的倾斜切口折流板,可使流体流过管束成错列流动,有利于传热。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟如壳程允许压降小时,可采用双缺口折流板。如要求压降特别低时,还可采用三缺口折流板和缺口不布置管子的型式。缺口的大小用切除高度与壳体内径的比值来表示,一般为20%25%。对于低压气体系统,为减少压降,缺口大小可达40%45%。折流板之间的间距比较理想的是使

5、缺口的流通截面积和通过管束的错流流动截面积大致相等,这样可以减小压降,并有利于传热。一般,折流板间距应不小于壳体内径的1/5或50mm。由于折流板有支撑管子的作用,折流板间的最大间距,对于钢管为171d0.74(d为管子外径,单位为mm);对于铜、铝及其合金管子为150d0.74。折流板上管孔与管子之间的间隙及折流板与壳体内壁之间的间隙应合乎要求。间隙过大,泄漏严重,对传热不利,还易引起振动。间隙过小,安装困难。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟b.环盘型折流板环盘型折流板压降较小,但传热效果也差些,应用较少。c.孔流型折流板流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动,压降大,仅适用于清洁流体

6、,其应用更少。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 壳程分程隔板分程隔板一般纵向设置,故又称为纵向分程隔板。分程隔板主要用于管程与壳程的分程,从而实现多管程和多壳程结构。用于管程分程的隔板一般设置在换热管束的前端管箱和后端结构之中,将单管程结构变成多管程结构(见管程结构及表3-7和图3-8)。用于壳程分程的隔板尚需分隔前端管箱、换热管束和后端结构,从而将单壳程结构变成多壳程结构。单壳程的换热器仅需设置横向折流挡板,多壳程换热器不但需要设置横向折流挡板,而且还需要设置纵向折流隔板将换热器分为多壳程结构。对于多壳程换热器,设置纵向折流隔板的目的不仅在于提高壳程流体的流速,而且是为了实现多壳程结

7、构,减小多管程结构造成的温差损失。实际生产过程中,如果没有特别的要求,出于设计、制造、安装、清洗和检修的方便,对于多壳程换热器,通常情况下不是采用单壳程换热器隔板分程的方式,而是多台单壳程换热器的组合。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟(3)其他主要部件 缓冲板与导流筒在壳程进口接管处常装有防冲挡板,或称缓冲板。它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动,还有使流体沿管束均匀分布的作用。也有在管束两端放置导流筒,不仅起防冲板的作用,还可改善两端流体的分布,提高传热效率。 图3-10所示为两种进口接管和防冲板的布置。图3-10(a)是普通接管,进口处抽出一些管子,以减少局部阻力

8、,致使传热面积略有减少。图3-10(b)是一扩大型接管,防冲板放在扩大部分,不影响管数。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟图3-10进口接管及防冲板布置湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟图3-11导流筒结构示意图 图3-11为两种不同结构的导流筒,图3-11(a)结构较简单,但要抽出一部分管子,图3-11(b)是在壳体外焊有一段环状夹套,在原壳体壁面上沿圆周开有方形或长方形孔,孔的总面积远远大于进口接管的截面积。(b)型结构可作为气体或蒸气进口的分布器。导流筒不仅用于进口,也可用于出口。大型换热器在高流速下工作时,导流筒更显示出其优越性。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 旁

9、流挡板与假管当管束与壳体之间的间隙较大时,会形成旁流,影响传热,其间应设置旁流挡板,或称密封条。当管束中间由于管程分程隔板而引起较大的空隙时,可装一些假管,以减少旁流。假管是一些不穿过管板的管子,它们的一端或两端都是封闭的,没有流体通过,不起换热作用。3管壳式换热器的工艺设计计算设计步骤 拉杆和定距管折流板用拉杆和定距管连接在一起。拉杆的数量取决于壳体的直径,从4根到10根,直径1012mm。定距管直径一般与换热管相同。有时也可将折流板与拉杆焊在一起而不用定距管。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 管壳式换热器国家已有系列标准,设计中应尽可能选用系列化的标准产品,这样可简化设计和加工。但

10、是实际生产条件千变万化,当系列化产品不能满足需要时,仍应根据生产的具体要求自行设计非标准系列的换热器。此处将扼要介绍这两者设计计算的基本步骤。(1)非标准系列换热器的一般设计步骤 了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。 由热平衡计算传热量的大小,并确定第二种换热流体的用量。 决定流体通入的空间。 计算流体的定性温度,以确定流体的物性数据。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 初算有效平均温差。一般先按逆流计算,然后再校核。 选取管径和管内流速。 计算传热系数k值,包括管程对流传热系数i和壳程对流传热系数o的计算。由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关,因此一般先假定一个壳程对流传热系数

11、,以计算k值,然后再作校核。 初估传热面积。考虑安全系数和初估性质,因而常取实际传热面积是计算值的1.151.25倍。 选择管长l。 计算管数n。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 校核管内流速,确定管程数。 画出排管图,确定壳径d和壳程挡板形式及数量等。 校核壳程对流传热系数。 校核有效平均温差。 校核传热面积,应有一定安全系数,否则需重新设计。 计算流体流动阻力,如阻力超过允许范围,需调整设计,直至满意为止。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟(2)标准系列换热器的选型设计步骤与(1)中相同; 选取经验的传热系数k值。 计算传热面积。 由标准系列选取换热器的基本参数。 校核传热系

12、数,包括管程、壳程对流传热系数的计算。假如核算的k值与原选的经验值相差不大,就不再进行校核;如果相差较大,则需重新假设k值并重复上述以下步骤。 校核有效平均温差。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 校核传热面积,使其有一定安全系数,一般安全系数取1.11.25,否则需重行设计。 计算流体流动阻力,如超过允许范围,需重选换热器的基本参数再行计算。 从上述步骤来看,换热器的传热设计是一个反复试算的过程,有时要反复试算23次。所以,换热器设计计算实际上带有试差的性质。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟传热计算主要公式传热计算是以传热速率式(3-5)为核心展开的。 传热速率式: q=kat

13、m (3-5) 式中,q为传热速率,w;k为总传热系数,w/(m2);a为总传热面积,m2;tm为总平均温差, 。 通过冷热流体的热量衡算方程式计算换热器的传热速率(或热负荷)q。(1)传热速率(或热负荷)q湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 冷热流体均无相变化,且忽略热损失,则q=mhcph(t1-t2)=mccpc(t2-t1) (3-6) 流体有相变化,如饱和蒸汽冷凝,且冷凝液在饱和温度下排出,则q=mhr=mccpc(t2-t1) (3-7)式中,m为流体的质量流量,kg/h或kg/s;cp为流体的平均定压比热容,kj/(kg);r为冷凝潜热或汽化潜热;t、t分别为热、冷流体的温

14、度, ;下标h和c分别表示热流体和冷流体;下标1和2分别表示换热器的进口和出口。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 (2)传热平均温度差tm 恒温传热时的平均温度差 tm=t-t (3-8) 变温传热时的平均温度差简单流(逆流和并流):tm=tm= (3-9)式中,tm为传热平均温度差, ;tm为逆流或并流传热时的对数平均温度差, ;t1,t2分别为换热器两端热、冷流体的温差, 。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟图3-12各种换热器的平均温度差校正系数湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟复杂流(错流和折流):tm=tm (3-10)式中,tm为按逆流计算的对数平均温差, ;为

15、温差校正系数,量纲为1,=f(p,r),p=r= (3-11)(3)温差校正系数常根据p和r参数,通过温差校正系数图查出(参考图3-12),亦可按复杂流公式计算。该值实际上表示特定流动形式在给定工况下接近逆流的程度。在设计中,除非出于必须降低壁温的目的,否则总要求0.8,如果达不到上述要求,则应改用其他流动形式。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟(4)总传热系数k(以外表面积为基准)=+rso+rsi+(3-12)式中,k为总传热系数,w/(m2);i、o分别为传热管内、外侧流体的对流传热系数,w/(m2);rsi、rso分别为传热管内、外侧表面上的污垢热阻,m2/w;di、do、dm分

16、别为传热管内径、外径及对数平均直径,m;为传热管壁热导率,w/(m);b为传热管壁厚,m。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟(5)传热膜系数(或给热系数)不同流动状态下,传热膜系数的关联式不同,具体型式见表3-9。图3-13壳程给热系数与折流板圆缺的关系湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟值得说明的是: 壳程当量直径壳程当量直径与换热管的排列方式有关:正方形排列de=(3-13)正三角形排列de=(3-14)符号意义同前。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟 a.壳程流体无相变传热对于装有弓形折流板的管壳式换热器,壳程给热系数的计算有贝尔(bell)法、克恩(ken)法、多诺霍(

17、donohue)法。其中贝尔法精度较高,但计算过程很麻烦。目前设计人员较为常用的是克恩法和多诺霍法。其中克恩法最为简单便利,即表3-8中的式。但该式只适用于reo=2(103106),弓形折流板圆缺高度为直径的25%的情况。若折流板割去的圆缺高度不是25%,而为其他值时,则可用图3-13先求出传热jh因子,再用式(3-15)求给热系数: 壳程给热系数湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟o=jhpr1/3(3-15)b.壳程为饱和蒸汽冷凝工业上冷凝器以采用水平管束和竖直管束居多,且管表面液膜多为层流。在这种情况下一般实测的传热膜系数多大于努塞尔特理论公式的计算值。德沃尔(devore)基于努

18、塞尔的理论公式和实测值,提出层流时的冷凝传热膜系数计算式如下:(a)水平管束外冷凝蒸汽在水平管外冷凝,其冷凝液膜的流动一湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟般为层流(re2100) 或(3-16)式中,*为量纲为1的冷凝传热膜系数;o为管外冷凝传热膜系数,w/(m2)。re=m= (3-17)湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟式中,m为冷凝液量,kg/s;l为传热管长,m;ns为当量管数,与传热管布置方式及总管数有关,可用下式求得:ns=(3-18)式中,nt为传热管的总根数。(b)竖直管束外冷凝与单根竖直管外冷凝相同。湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟(3-19)re=m=

19、(3-20) (3-21)湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟对于底部已达湍流状态的竖壁冷凝换热,其沿整个壁面的平均传热膜系数可由下式求取:=+(3-22)式中,为层流段的平均传热膜系数;为湍流段的平均传热膜系数;xc为由层流转变为湍流的临界高度;l为竖壁总高度;为沿整个竖壁的平均传热膜系数。式(3-16)和式(3-19)仅适用于液膜沿管壁呈层流流动,即要求re=4湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟m/500);nc为横过管束中心线的管数,可按式(3-2)及式(3-3)计算;b为折流板间距,m;d为壳体直径,m;nb为折流板数目;uo为按壳程最大流通截面积soso=b(d-ncdo)计算的流速,m/s。管壁与壳壁温度的核算 有些情况下,传热膜系数与壁温有关,这种情况下,计算传热膜系数需先假设壁温,待求得传热膜系数后,再核算壁温。另外,计算温差湖北民族学院化学与环境工程学院谭 志 伟应力,检验所选换热器的型式是否合适,是否需要加设温度补偿装置等均需核算壁温。(1)传热管壁温度 传热管壁两侧的壁面温度以热流体走壳程,冷流体走管程为例,对于定态传热过程,若忽略传热管间壁两侧污垢热阻,则q=hah(tm-tw)=cac(tw-tm)=oao(tm-t