螺旋盘管换热器的设计

1、螺旋盘管换热器的设计K. Patil 等12 © 1094-2010 China Academic Joumdl Efcctrotix Publishing House. All rights reserved, httpy.'wwwxnki.nc：12 © 1094-2010 China Academic Joumdl Efcctrotix Publishing House. All rights reserved, httpy.'wwwxnki.nc：在某些场合中，螺旋盘管换热器提供的好 处大于套管式换热器。本文是在某些情况下碍 采用这种换热器时的简明的

2、设计程序。套管式换热器通常多用丁对介质有少最至 中等加热的连续系统。但有的情况下，选用螺 旋盘管换热器会更好一些，如： 由于空间受到限制，不够放置直管换热 器。 介质处于层流状态或低流率，使管壳式 换热器传热系数低而变得不经济。 一种流体的压降受到限制（例如由于流 过其他的工艺设备）。而将螺旋盘管换热器中环 形区的流体速度定为lm/s,其压降将是很低的。一台螺旋盘管换热器，是由一根金属管制 成的螺旋盘管，安装在两个同心圆筒的环形区 域内组成，见图1。两种流体分别在盘管内和 环形区内就动，通过盘管管壁发生传热。两个 圆筒的尺寸，由环形流道中流体的速度来决定， 这个速度应满足传热的碍要。图2为一个

3、螺旋盘管换热器的剖面示意图1螺旋盘管换热器图。在环形区筒壁和盘管之间的最小间隙和盘 管相邻两圈之间的最小间隙应相等。此时，这 两个间隙均取d°/2。相邻两圈盘管间的管心距 "（由管子中心到相邻管子的中心测量取1.5 山。假设流体的平均速度是均匀的，则流体的 质量流速G.可根据螺旋盘管和圆筒壁之间的 最小净空来计算。12 © 1094-2010 China Academic Joumdl Efcctrotix Publishing House. All rights reserved, httpy.'wwwxnki.nc：12 © 1094-201

4、0 China Academic Joumdl Efcctrotix Publishing House. All rights reserved, httpy.'wwwxnki.nc：12 © 1094-2010 China Academic Joumdl Efcctrotix Publishing House. All rights reserved, httpy.'wwwxnki.nc：sei Code*,Pressure Vessels*, Proceedings of the Second Annual Technical Symposium. The Ida

5、ho-Montana Section of ASME, April, 1965» 16 pp.3 Anon./What does Div. 2 <rf the ASME Vessel Code Mean?" Hgdrocarbon Proc., 48(1). 147 (1969),4 Lecoff, *Safer Presswe Vessels using the New ASME Code", Inst Ch. E. 67 th National Meeting, Feb. 15-18, 1976, Paper 58 d, 6 pp.5 Cooper, W

6、m. E., "Development and Operation of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code*, <U. S Japan Joint Symposium. Pressure Vessel Technology and Pressure Component Codes, March 18-15, 1973, Tokyo, Japan>, P. 1-21 (1973).6 “Criteria of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code for Design by Aual

7、ysis in Section IK and 陋，Division 2”，American Society of Mechanical Engineering, New York, 1969.7 A< L. Gaines, l Porse. * Problems in theDesign and Construction of Large Reactor Ves- seis”，Presented at 1964 Winter Annual Meeting* American Society of Mechanical Engineers. New York, N. Y“ Nov. 29-

8、Dec.4, 1964 8 j Latzko, G H“ wRclieable Economic HeavyDuty Pressure Components： the next 20 yearswf4th International Conference on Pressure Vessel Technology, Special Pamphlet, 13 pp May 19, 1980, Londom9 ASME锅炉及受压容器规范第皿辂 <受压容器厂 第二分篇一另一規程，1971年版.通用机械研 究所尋译.1973。10 ASME锅炉和受压客器規范美国国家标准，ANSI/ASME, B

9、PV-IK-1-NB,核动力英送部件， 1977年版.自济,侯忠松等译,1980o11 英国标准，BS5500, 1978,非直接火压力容器'化工部化工设计公司标准组译，19SleCIS D R. Miller, Thermal-Stross Ratchet Mechanism in Pressure Vessels", Journal ofBasic Engineering, ASME Transactions, Vol. 81,Ser. D. No. 2, 1959.确定传热系数计算盘U内和环形区的传热系数，必需如 逍下列各参数：1. N圈盘管所需的长度厶L = N/(2

10、jtr')i + pl(1)2. 盘饭所占的体积以，妊=(”/4)础厶(2)3. 环形区的体积久；匕=5/4)(。- EOpN(3)4. 在环形区内可供流休流动的空间:%=久一氏(4)5. 盘形借的壳程当量宜径De = V/ f/nd(5)12 © 1094-2010 China Academic Joumdl Efcctrotix Publishing House. All rights reserved, httpy.'wwwxnki.nc：O 8 65 1 ooo2.01.5图3用于管程传热的Colburn因数与雷诺数的关系曲线800设计程序以下是设片一台螺旋盘

11、管换热器的简单程序,环形区的传热系数h0可用下面两个公式 中的一个来计算。雷诺数在5010000范围内，推荐用 式(6)九 =(6)12 © 1094-2010 China Academic Joumdl Efcctrotix Publishing House. All rights reserved, httpy.'wwwxnki.nc：雷诺数"胶大于10000时用式(7) hgK".36N曾N'AWgz - (7) 流体在盘管内流动的传热系数人。用文献 幻中所叙述的常规方法计算。基于盘管内径的 传热系数入是用对于直管的方法得到的一一 即用Sie

12、der-Tate关联式或用图3所示的雷诺 数与Colburn因数ju的关系曲线图查得, 然后必须用1 + 3.5(D/Dh)乘以人进行修正 而得到盘形俗的传热系数人"再用下式得到基 于盘管外径的传热系数人。hio = hc(D/d0)(8)总传热系数U由下式给出1/U = l/h0 + l/ht0 + x/K0 + Rt + R0 (9) 确定所需的面积传热所需面积由下式确定A = Q/Ujte(10)考虑到流体为互相垂直交叉流动这一事 实，必须对刈数平均温差Nf加进行修正。这 可用垂直交叉流动的标准校正系数来完成4。'确定盘管的圈数由于A =且I用盘管需要的圈数N来表示，N

13、可用下式计算N = A/lndL/N)2 (11) 盘管所需的实际圈数"，是将N圆整为下 一个整数而得.实例的杓理性质和其他数曙液体A液体B质G应率M,kg/h13502141入口温度，匕12730岀口温度，匕10047热容董,Ckwl kgC1.001.00导热率,K,kcal-hmt0.4190.4075粘度，宀kg，mh1.895.7G870.0935.0液体虫在一根316不锈钢盘管内流动，液体在环形区流动。流率、进出口温度、流体 的物理性质列于表内。此螺旋盘管换热器的几 何形状如图2。图中5 = 0.34m, C = 0.46m, D= 0.025 m； Dh = 0.4 m

14、； d0 = 0.03 m； p = 0.045 mo4计算壳程传热系数九由式(1),盘管所需长度为：L = NJ2 叭 0.2)2 +(0.045)2 = 1.257 N用式(24),在环形区内可供流体流动的 空间巧为，Vf =(打/4) (0 462 - 0 342)(0.045)?/-5/4)(OO3)2(1257N)= 0.254xl0-W売程当鼠直径为：2= 4(2.504 x 10-W)/( X0.03 xl：257Ar) = 0.0845 m流体的质量流速Gt = 2141/兀/40 462 - 0 34x) -(0.432-0.372) =56792 kg/m2h雷诺数(0.0

15、845 X 56792)/5 76 = 833用式(6),可得，Ao = O.6x(0.4075/0.0845) X 833。"X (1 x5.76)/(0.4075)0-31 = 190B.计算盘營内的传热系数九流体流速« = q/Af式中XJr=Z?74 = 4.909xl0-4mSq = M/p = 1.552ma/© 故 w=l.552/(4.909X 10'4)= 3161.5m/h然后可得管内雷诺数Nr. = (0.025 x 3161.5x 870)/1.89=36383由图3査得，当N加=36383时，由此人= *(K/D)N 於= 304

16、6kcal/h.m2-1修正为盘形管的传热系數，则3046 x 1 + 3.5 x (0.025/0.4)1= 3712kcal/hm2t以盘管外径为基础的传热系数为A<0= 3712x (0.025/0.03)= 3093kcal/hmCC计算总传热系数u盘管壁厚为x =(认D>/2 = 0.0025 m污垢系数R,及R。取决于流体的特性，即 流体中存在的悬浮物质、操作温度、流速等。此 处凡及 R 均取为 8.2x lOh-mt/kcalo 不锈钢的导热率K厂14 kcal/h m t用式(9)1/U = 1/190 + 1/3093 + 0.0025/14+ 0.00082 +

17、 0.00082U - 135 kcal/h - m2- X)D确定所需面积对数平均温淮为形 _ (127-30)-(100-47)6" _ “(127- 30)/(100- 47)= 72.8t因为两种流体是垂直交叉流动，校正系数 取0.99，则/仏=099x728 = 72.1C热负荷Q =4350x 1.Ox (127-100)=36450 kcal/h用式<10),所需面积为A = 36450/(135 x 72.1) = 3.745E.计算盘管所需圈数：用式(】1)N = 3.745/5 x 0.03x 1.257) = 31.6取n = 32圏适用32圈盘管所霊的圆

18、简高度77 = 32x 0.045 + 0.03 = 1.47m(参考文献4篇略)A一传热面积,mAa一流体在环形区的流动而积，Ar-打/4(C2(础厂仍八)"?一盘管的横截而积，“02/4,m2B一内筒外径，mC一外筒内径，mCp一流体热容屋，kcal/kg.-CD一盘管内径，m一盘管的壳程当赧直径，mDlDm一螺旋管的平均宜径，m 一螺旋管的内径，mDhi一螺旋管的外径，md°盘管外径，mGb一流体质蜀流速，M/于C -巧-(D；n -),kg/m2-hH圆筒高度，m'人一一直管内部以内径为基准的传热系ht-数，kcal/h-一盘形管内部以内径为基准的传热系hg

19、数，(盘管由直管的人修正而御)， kcal/h-m2* 13盘管外侧传热系数，kcal/h-m.-Chr-一传热的Colburn因数，K 一(h,D/K) (Nfr)' ,/3(-°-14,无因次一流体的导热率，kcal/h.m-tK-盘窗管壁的导热率.kcal/h-m-10厶一盘成N圈所需的螺旋盘管长度，mM一流体质鼠流率，kg/hn-给定的工艺过程加热量所需的实际N”一盘管圈数(由N圆整到下一个整数 而得)一普兰得数.Cp“/K,无因次一 14 心 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

20、All rights reserved, l引进设笛技术分析紀r£q郑Xi纭衣"汉搅拌轴强度计算上海医药设计院吴无恙王裕圖竺基梅15 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. ?ll rights reserved http"pwwwy w vw xvy w wy w mw wmww mhwww wwwvww ww汐15 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. ?ll ri

21、ghts reserved http"15 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. ?ll rights reserved http"前 言随着石油化工装置向大型化发展，聚合釜 等带搅拌的反应设备容积亦日趋增大，日本法 武都拉公司制造的聚合釜规格已达250m3 （直 径 6.7m,高 30m、壁厚 100mm、重 100tf。 对于大型搅拌轴如何才能保证摄拌效果，提高 密封寿命，提出了新的要求。大庆、南京引进的140ktf/y低压聚乙烯装 置中有几十台大容积无底轴承的搅拌设备。

22、该 装置承包单位为日本三井造船工程公司，他们 提供了一组计算公式。这组公式在计算中考虑 了强度（包括九转和弯曲强度、刚度、轴密封 处挠度和临界转速等要求，它与化工设备设计 手册“材料与零部件（下严第十九章轴的计算 和搅拌器设计中所列公式比较，考虑比较全面, 但也存在不足之处。我们经过分析并为扩大应 用范围进行了部分修正和补充，成为“三井”修 正公式。为了验证“三井”修正公式的可靠性我 们将此组公式编制了电算程序（另行发表），并 以90nP聚合釜以及该装置中廿多台设备中八 类设备作实例进行了验算。通过以上工作我们 认为“三井”修正公式可适用于下列悄况的立式 刚性搅拌轴强度计算。1. 实心搅拌轴，有内外径比值的空心搅拌 轴。2. 不同桨叶直径和不同桨叶倾角的搅拌 轴。3. 有底轴承支承或无底轴承支承的搅拌 轴。4. 采用滑动轴承或滚动轴承作轴承的搅 样轴。5-采用填料密封或机械密封的搅扌