第二章-工艺计算

1、第二章 工艺计算 在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需要的传热面积。工艺设计中包括了热力设计以及流动设计，其具体运算如下所述：2.1 设计条件表2-1 油品与原油的操作参数原 油油 品设计压力（Mpa）进口温度（°C）出口温度（°C）流 量（kg/s）进口温度（°C）出口温度（°C）流 量（kg/s）6910126.503001006.442.5表2-2 油品与原油的物性参数名称平均温度（）比热kJ/kg·k导热系数W/（m·k）密度kg/ m3粘度（*10-3）Pa·S热阻（*10-3）

2、83;K/w原油853.1650.1408058.100.52油品2002.5870.1149180.9200.522.2 核算换热器传热面积2.2.1 流动空间的确定选择被冷却的油品走壳程，被加热的原油走管程。这是因为：被冷却的流体走壳程可便于散热，而传热系数大的流体应走管程，这样可降低管壁的温差，减少热应力，同时对于浮头式换热器，一般是将易结垢流体流经管程。2.2.2 初算换热器传热面积2.2.2.1 传热计算（热负荷计算） 热负荷： 式中：冷热流体的质量流量，kg/s； 冷热流体的定压比热，J/(kg·k)； 冷流体的进、出口温度，k； 热流体的进、出口温度，k。理论上，=，实

3、际上由于热量损失，通常热负荷应该取max（，）。； 故。 2.2.2.2 有效平均温差的计算选取逆流流向，这是因为逆流比并流的传热效率高。其中为较小的温度差，为较大的温度差。 因为 ，故采用对数平均温度差，则;2.2.2.3 按经验值初选总传热系数 查表选得=180W/（）；2.2.2.4 初算出所需的传热面积；考虑到所用传热计算式的准确程度及其他未可预料的因素，应使所选用的换热器具有换热面积留有裕度10%-25%，故有，根据查选型手册，可选换热器的型式为：，且为达到所需换热面积，应采用三台同类换热器串联。所选浮头式换热器的规格参数以及其工艺计算常用参数可参考表2-3与表2-4（附第二章后）。

4、2.2.3 总传热系数K的校验管壳式换热换热器面积是以传热管外表面为基准，则在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，因此总传热系数K的计算公式如下： 式中：K总传热系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W/（K）； 、分别为管程和壳程的污垢热阻，·K/w； 、分别是传热管内径、外径及平均直径，m； 传热管壁材料导热系数，W/（K）； 传热管壁厚，m。2.2.3.1管程流体传热膜系数 其计算过程如下： ； ，可知流体处于过渡流状态； ；当流体在管内流动为过渡流的时候，对流传热系数可先按湍流的公式计算，然后把计算结果乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热膜系

5、数。先计算校正系数：；而湍流情况下的计算如下：由于，故原油为高黏度的流体，故应用Sieder-Tate关联式： 工程上，当液体被加热时，取，当液体被冷却时，取，而管程流体原油是被加热的，则有 W/（K）；故管内流体传热膜系数为： W/（K）；2.2.3.2 壳程流体传热膜系数： 其计算过程如下：换热器内需装弓形折流板，根据GB151-1999可知，折流板最小的间距一般不小于圆筒内直径的1/5，且不小于，故根据浮头式换热器折流板间距的系列标准，可取折流板间距。 因为壳体选择为卷制圆筒，根据GB150-1999可知壳体内径。管间流速是根据流体流过管间最大截面积计算：其中：管外径，即25， 为换热管

6、中心距，此时选择换热管在管板上的排列方式为正方形排列，因为这样便于机械清洗，查GB151-1999得。；当换热管呈正方形排列时，其当量直径为；同时：； ；故可用Kern法求，即： ；与都已经算出，而，同时查钢管壁热导率为，则有故，合适。2.2.4 校核平均温差与平均温差有关参数的计算如下： ；根据R、P值，查温度校正系数图可得温度校正系数，因此有效平均温度差为： 。2.2.5 校核换热面积：实际传热面积：；校核：；为了保证换热器的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于或等于15%-25%，由上可知所选换热器面积满足要求。2.3 压力降的计算 流体流经换热器因流动引起的压力降，可按管程压降和壳程压

7、降分别计算。2.3.1 管程压力降管程压力降有三部分组成，可按下式进行计算：其中：流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa； 流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa； 流体流经管箱进出口的压力降，Pa； 结构校正因数，无因次，对的管子，取为1.4；对的管子，取为1.5； 管程数； 串联的壳程数。其中，、的计算式如下：；式中：管内流速，；管内径，；管长，；摩擦系数，无量纲，可由下式求取；管内流体密度，。由于，在范围内，故可采用下面公式求取： 所以 Mpa； Mpa； Mpa；经查，可知每台换热器合理的压力降为Pa，由此可知上述压力降符合要求。2.3.2 壳程的压力降 当壳程装上折流板后，流

8、体在管外流动为平行流和错流的耦合。尽管管束为直管，但流动却变得复杂化。由于制造安装公差不可避免地存在间隙，因而会产生泄漏和旁流，而流体横向冲刷换热管引起的旋涡，也使流动变得更加复杂。由于流动的复杂性，要准确地分析影响这种复杂流动的各种因素，精确地计算压力降是相当的困难。 下面通过埃索法来计算： 式中：流体横过管束的压力降，Pa； 流体通过折流板缺口的压力降，Pa； 壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可取1.15；对气体可取1.0。其中：；式中：管子排列方法对压力降的修正系数，对三角形排列。对正方形排列，对转置正方形排列； 壳程流体摩擦系数，当时，； 横过管束中心线的管子数，对三角形排列；

9、对正方形排列； 按壳程流通截面计算的流速，； 折流板的数量。其中：；因此 ； ； ； ，取整为19。则有： Pa， Pa； ；可知此时的压力降在合理范围之类。2.4 换热器壁温计算2.4.1 换热管壁温计算符号说明：以换热管外表面积为基准计算的总传热系数， W/（m·）； 污垢热阻，·/w； 分别为热、冷流体的的平均温度，； 分别为热流体的进、出口温度，； 分别为冷流体的进、出口温度，； 流体的有效平均温差，；以换热管外表面积为基准计算的给热系数， W/（m·）。热流体侧的壁温： ；冷流体侧的壁温： ；所以 。2.4.2 圆筒壁温的计算 由于圆筒外部有良好的保温层，故壳体壁温取壳程流体的平均温度：。管程：原油壳程：油品 =180W/（）W/（K）W/（K）W/（K）m2·K/W m2·K/WW/m·KW/m·K到此换热器的工艺计算告一段落，其中工艺计算的主要目的是计算出其换热面积，选出相应的换热器型式，因此，接下来应该是进行换热器的结构设计以及强度计算。表2-3与表2-4附于下面：表2-3 所选浮头式换热器规格DNP