第三節(jié)_換熱器計算方法

1、換熱器課程設計換熱器課程設計第三節(jié)第三節(jié) 換熱器計算方法換熱器計算方法換熱器：換熱器：在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。稱為換熱器。 在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述行業(yè)的通用廣泛使用各種換熱器，且它們是上述行業(yè)的通用設備，占有十分重要的地位。設備，占有十分重要的地位。1、熱力設計、熱力設計 根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數(shù)，并進行傳熱計算。行參數(shù)，并進行傳熱計算。 計算出總傳熱系數(shù)、傳熱面積計算出總傳熱系數(shù)、傳熱面積2、流

2、動設計、流動設計 計算壓降，為換熱器的輔助設備提供選擇參數(shù)計算壓降，為換熱器的輔助設備提供選擇參數(shù)3、結構設計、結構設計 根據(jù)傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸根據(jù)傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸4、強度設計、強度設計 應力計算?？紤]換熱器的受力情況，特別是在應力計算。考慮換熱器的受力情況，特別是在高溫高壓下?lián)Q熱器的受壓部件應按照國家壓力容高溫高壓下?lián)Q熱器的受壓部件應按照國家壓力容器的標準設計。器的標準設計。管殼式換熱器結構管殼式換熱器結構 管箱（封頭）管箱（封頭） 殼體殼體 內(nèi)部結構（包括管束等）內(nèi)部結構（包括管束等）單管程固定管板換熱器單管程固定管板換熱器管程管程殼程殼程 不潔凈和易

3、結垢的液體宜在管內(nèi)不潔凈和易結垢的液體宜在管內(nèi)-清洗比較方便清洗比較方便 腐蝕性流體宜在管腐蝕性流體宜在管內(nèi)內(nèi)-避免殼體和管子同時腐蝕，便于清避免殼體和管子同時腐蝕，便于清洗洗 壓強高的流體宜在管內(nèi)壓強高的流體宜在管內(nèi)-免殼體受壓，節(jié)省殼程金屬消耗免殼體受壓，節(jié)省殼程金屬消耗量量 飽和蒸汽宜走管間飽和蒸汽宜走管間-便于及時排除冷凝液便于及時排除冷凝液 有毒流體宜走管內(nèi)，使泄露機會較少有毒流體宜走管內(nèi)，使泄露機會較少 被冷卻的流體宜走管間被冷卻的流體宜走管間-可利用外殼向外的散熱作用可利用外殼向外的散熱作用 流量小或粘度大的液體，宜走管間流量小或粘度大的液體，宜走管間-提高對流傳熱系數(shù)提高對流傳

4、熱系數(shù) 若兩流體的溫差較大，對流傳熱系數(shù)較大者宜走管間若兩流體的溫差較大，對流傳熱系數(shù)較大者宜走管間-減減少熱應力少熱應力一、流體流徑的選擇一、流體流徑的選擇-冷、熱流體走管程或殼程冷、熱流體走管程或殼程上述各點若不能同時兼顧，應視具體情況抓主要矛盾。上述各點若不能同時兼顧，應視具體情況抓主要矛盾。先流體的壓強、防腐蝕和清洗等要求，再校核對流傳熱系數(shù)和壓強降。先流體的壓強、防腐蝕和清洗等要求，再校核對流傳熱系數(shù)和壓強降。增加流速增加流速對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù) ，污垢熱阻，污垢熱阻總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 傳熱面積傳熱面積流動阻力流動阻力和動力消耗和動力消耗還需考慮結構上：還需考慮結構上： 高流速

5、高流速管子數(shù)目管子數(shù)目較長管子或增加程數(shù)較長管子或增加程數(shù) 管子太長不易清洗，且管長都有一定標準；管子太長不易清洗，且管長都有一定標準；程數(shù)增加使平均溫度差下降程數(shù)增加使平均溫度差下降二、流體流速的選擇二、流體流速的選擇一定傳熱面積一定傳熱面積常用的流速范圍常用的流速范圍不同粘度液體的流速不同粘度液體的流速 流體種類流體種類 流速流速管程管程殼程殼程一般流體一般流體0.530.21.5易結垢流體易結垢流體10.5氣體氣體530315液體粘度液體粘度最大流速最大流速 1500 0.6 1500500 0.75 500100 1.1 10035 1.5 351 1.8 4管程：管程：0.6-0.8

6、正方形排列正方形排列 2管程：管程：0.55-0.7 ; 4管程：管程：0.45-0.65計算得到的殼內(nèi)徑應圓整。計算得到的殼內(nèi)徑應圓整。殼體標準尺寸殼體標準尺寸殼體外徑殼體外徑/mm325400 500 600 700800 900 10001100 1200最小壁厚最小壁厚/mm8101214八、主要附件八、主要附件1.封頭封頭方形：用于直徑小的殼體（方形：用于直徑小的殼體（400mm）；）；圓形：用于大直徑的殼體。圓形：用于大直徑的殼體。2.緩沖擋板緩沖擋板 為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設緩沖擋板料管口裝設緩沖擋板3

7、.導流筒導流筒 殼程流體的進、出口與管板間存在一段流體不能流動殼程流體的進、出口與管板間存在一段流體不能流動的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設導的空間（死角），為了提高傳熱效果，常在管束外增設導流筒。流筒。4.放氣孔、排液孔放氣孔、排液孔 殼體上常安有放氣孔和排液孔，排出不冷凝氣體和冷凝殼體上常安有放氣孔和排液孔，排出不冷凝氣體和冷凝液等。液等。5.接管接管 換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即4sVdu Vs流體的體積流量，流體的體積流量，u流體在接管中的流速流體在接管中的流速流速流速u的經(jīng)驗值可取為：的經(jīng)驗值可取為：對液體對

8、液體 u =1.52m/s；對蒸氣；對蒸氣u =2050m/s ；對氣體對氣體u =（0.150.2）p/ (p為壓強，為壓強，kPa； 為氣體密度為氣體密度)。九、材料選用九、材料選用 材料應根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來選用。材料應根據(jù)操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等來選用。 目前常用的金屬材料有：碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅目前常用的金屬材料有：碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等。和鋁等。 非金屬材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。非金屬材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。十、流體流動阻力（壓強降）的計算十、流體流動阻力（壓強降）的計算1.管程流動阻力管程流動阻力 總阻力等于各程直管阻力、回

9、彎阻力及進、出口之和?？傋枇Φ扔诟鞒讨惫茏枇?、回彎阻力及進、出口之和。一般進、出口阻力可忽略不計，管程總阻力的計算式為：一般進、出口阻力可忽略不計，管程總阻力的計算式為：12()itsppppF N N psNN管程數(shù)；串聯(lián)的殼程數(shù)。12appP、分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強降，；25mm2.5mm1.419mm2mm1.5tF結垢校正因數(shù)，對取，對??；223()2up212lupd2.殼程流動阻力殼程流動阻力用埃索法計算殼程壓強降，即用埃索法計算殼程壓強降，即012()sspppF N 1apP流體橫過管束的壓強降，；2apP流體通過折流板缺口的壓強降，；sF 殼程壓強降的結垢校

10、正系數(shù)，液體可取1.15，氣體可取1.0sN 串聯(lián)的殼程數(shù)。2022(3.5)2BuhpND2010(1)2cBupFf n NF 管子排列方法對壓強降的校正因素， 正三角為0.5,轉(zhuǎn)角正方形為0.4，正方形為0.3；0.2280000Re5005Reff殼程流體的摩擦系數(shù)，當時，0000mm/()cBcnNhDuAm sAh Dn d橫過管束中心線的管子數(shù)；折流擋板數(shù)；折流擋板間距， ；殼體內(nèi)徑， ；按殼程流通截面積計算的流速，, 而設計步驟設計步驟 1、試算并初選設備規(guī)格、試算并初選設備規(guī)格 確定流體在換熱器中流動途徑。確定流體在換熱器中流動途徑。 根據(jù)傳熱任務計算熱負荷根據(jù)傳熱任務計算熱

11、負荷Q。 確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管換熱器的形確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管換熱器的形式；計算定性溫度，并確定在定性溫度下的流體物性。式；計算定性溫度，并確定在定性溫度下的流體物性。 計算平均溫差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應小于計算平均溫差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。的原則，決定殼程數(shù)。 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際情況，依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際情況，選定總傳熱系數(shù)選定總傳熱系數(shù)K值。值。 由傳熱速率方程，初步算出傳熱面積，并確定換熱器由傳熱速率方程，初步算出傳熱面積，并確定換熱器的基本尺寸。的基本尺寸。2、計算管程、殼程壓

12、強降、計算管程、殼程壓強降 根據(jù)初定的設備規(guī)格，計算管程、殼程流體的流速和壓根據(jù)初定的設備規(guī)格，計算管程、殼程流體的流速和壓強降。驗算結果是否滿足工藝要求。若壓強降不符合要求，強降。驗算結果是否滿足工藝要求。若壓強降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓強降直至滿足要求。格的換熱器，重新計算壓強降直至滿足要求。3、核算總傳熱系數(shù)、核算總傳熱系數(shù) 計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，再計算計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，再計算總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K，比較，比較K的初設值和計算值，若的初

13、設值和計算值，若K/K=1.151.25，則初選的換熱器合適。否則需另設，則初選的換熱器合適。否則需另設K值，值，重復以上計算步驟。重復以上計算步驟。設計任務書設計任務書 將將6000kg/h的植物油從的植物油從140冷卻到冷卻到40，井水進、，井水進、出口溫度分別為出口溫度分別為20和和40。要求換熱器的管程和殼。要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于程壓強降均不大于35kPa。 實例實例工藝設計計算工藝設計計算一、確定設計方案一、確定設計方案1選擇換熱器的類型選擇換熱器的類型 兩流體的變化情況：熱流體進口溫度兩流體的變化情況：熱流體進口溫度140，出口溫度，出口溫度40； 冷流體進口溫度冷流

14、體進口溫度20，出口溫度，出口溫度40。 考慮冷熱流體間溫差大于考慮冷熱流體間溫差大于50，初步確定選用浮頭式換熱器。，初步確定選用浮頭式換熱器。2流程安排流程安排 與植物油相比，井水易于結垢，如果其流速太小，會加快與植物油相比，井水易于結垢，如果其流速太小，會加快污垢增長速度使換熱器傳熱速率下降。植物油被冷卻，走殼污垢增長速度使換熱器傳熱速率下降。植物油被冷卻，走殼程便于散熱。因此，冷卻水走管程，植物油走殼程。程便于散熱。因此，冷卻水走管程，植物油走殼程。二、確定物性數(shù)據(jù)二、確定物性數(shù)據(jù) 對于粘度低的流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平對于粘度低的流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值

15、。所以，均值。所以，殼程流體的定性溫度為：殼程流體的定性溫度為： 管程流體的定性溫度為：管程流體的定性溫度為： 14040902TC2040302tC 定性溫度下，管程流體定性溫度下，管程流體(井水井水)、殼程流體（植物油）有關、殼程流體（植物油）有關物性參數(shù)由物性參數(shù)由主要物性參數(shù)表主要物性參數(shù)表得出。得出。2物性參數(shù)物性參數(shù) 1定性溫度定性溫度主要物性參數(shù)表主要物性參數(shù)表介質(zhì)介質(zhì)性質(zhì)性質(zhì)密度密度kg/m3比熱比熱kJ/(kg)粘度粘度Pas熱導率熱導率W/(m)植物油植物油熱流體熱流體9502.2610.742 10-30.172井水井水冷流體冷流體995.74.1740.801 10-3

16、 0.618三、估算傳熱面積三、估算傳熱面積1.熱流量熱流量 1111660002.261140401.3566 10 kJ / h 376.8kWpQm ct 2.平均傳熱溫差平均傳熱溫差 先按照逆流計算，得先按照逆流計算，得(14040)(4020)49.714040ln4020mtC逆3.傳熱面積傳熱面積 由于殼程植物油的壓力較高，故可選取較大的由于殼程植物油的壓力較高，故可選取較大的K值。假設值。假設K=395W/ (m2)則估算的傳熱面積為：則估算的傳熱面積為：321376.8 1019.19395 49.7mQAmK t 考慮到外界因素的影響，根據(jù)經(jīng)驗取實際傳熱面積為估算考慮到外界

17、因素的影響，根據(jù)經(jīng)驗取實際傳熱面積為估算值的值的1.15倍，則實際傳熱面積為：倍，則實際傳熱面積為： 21.1522.07pAAm4.井水用量井水用量133m=376.810=4.51/16250.8/4.174104020piiQctkgskgh四、工藝結構尺寸四、工藝結構尺寸 1.管徑和管內(nèi)流速管徑和管內(nèi)流速 選用選用252.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=0.75m/s。 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：2216250.8/(3600 995.7)Ns200.

18、785 0.020.754iVd u（根） 按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用標準管設計，現(xiàn)取傳熱管長設計實際情況，采用標準管設計，現(xiàn)取傳熱管長L=8m，則該，則該換熱器的管程數(shù)為：換熱器的管程數(shù)為： p15N28Ll （管程）傳熱管總根數(shù)：傳熱管總根數(shù)：n=202=40（根）（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：按單程管計算，所需的傳熱管長度為： 22.0714.05153.14 0.025 20posALmd n3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)：平均溫差校正系數(shù)： 1

19、404054020R40200.214040P按單殼程，雙管程結構，查圖得：按單殼程，雙管程結構，查圖得： 0.85t平均傳熱溫差平均傳熱溫差 0.85 49.742.24mtmttC逆由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法傳熱管排列和分程方法 采用正方形錯列。取管心距采用正方形錯列。取管心距t=1.25d0，則，則 t=1.2525=31.2532mm 隔板中心到離其最近一排管中心距離：隔板中心到離其最近一排管中心距離： S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰

20、管的管心距為：各程相鄰管的管心距為：222=44mm5.殼體內(nèi)徑殼體內(nèi)徑 采用多管程結構，取管板利用率采用多管程結構，取管板利用率=0.85，則殼體內(nèi)徑為：，則殼體內(nèi)徑為：D1.05t/1.05 32 40/ 0.85275TNmm圓整可取圓整可取D=300mm6.折流板折流板 采用弓形折流板采用弓形折流板,取弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的取弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：，則切去的圓缺高度為：H=0.25300=75m 取折流板間距取折流板間距h=0.3D，則，則 h=0.3300=90mm 故可取故可取h=100mm 折流板數(shù)目：折流板數(shù)目：811790.1BN

21、傳熱管長折流板間距7.其他附件其他附件 拉桿數(shù)量與直徑按表選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為拉桿數(shù)量與直徑按表選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為300mm，故：拉桿直徑為故：拉桿直徑為12，拉桿數(shù)量不得少于，拉桿數(shù)量不得少于4。8.接管接管殼程流體進出口接管：殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)流體流速為取接管內(nèi)流體流速為u1=2m/s，則接管內(nèi)徑為，則接管內(nèi)徑為114V4 6000/ (3600 950)0.0323.142Dmu管程流體進出口接管：管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為，則接管內(nèi)徑為mD030. 05 . 214. 33420000/600042五、換熱器

22、核算五、換熱器核算1.熱量衡算熱量衡算（1）殼程對流傳熱系數(shù)）殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺形折流板，可采用凱恩公式計算：對圓缺形折流板，可采用凱恩公式計算：14. 03155. 0010)(PrRe36. 0wed22440.02oeotddmd當量直徑：當量直徑： 殼程流通截面積：殼程流通截面積： 20.025(1)0.1 0.3(1)0.00730.032oodshDmt殼程流體流速：殼程流體流速： smuo/24. 00073. 0)9503600/(6000雷諾數(shù)：雷諾數(shù)： 56.614510742. 095024. 002. 0Re3o 普蘭特準數(shù)：普蘭特準數(shù)： 7538. 9172.

23、010742. 010261. 2Pr33 粘度校正：粘度校正： 95. 0)(14. 0w10.55320.1720.366145.569.75380.950.02709.1 /owmk（）（2 2）管程對流傳熱系數(shù)）管程對流傳熱系數(shù)4 .08 .0PrRe023.0iiid2200628. 024002. 0785. 0mSi管程流體流通截面積：管程流體流通截面積： smui/7219. 0006288. 0)7 .9953600/(8 .1625017943108012. 07 .9957219. 002. 0Re3i41. 5618. 0108012. 010174. 4Pr33管程流

24、體流速：管程流體流速：雷諾數(shù)：雷諾數(shù)：普蘭特準數(shù)：普蘭特準數(shù)： ）（/6.352041.51749302.0618.0023.023.08.0kmwi（3）污垢熱阻）污垢熱阻wkmRo/00058. 02wkmRi/000176. 02管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：管外側(cè)污垢熱阻：管外側(cè)污垢熱阻：（4）傳熱系數(shù)）傳熱系數(shù) 211()410.5/eoiowooiiimoKdR dR dRdddwmk（）（5）傳熱面積裕度）傳熱面積裕度 2315 .187 .495 .41010833.376mtKQAmec23.140.025 84025.12poAn d lm 22.0718.518.6%19.19pccAAA計算傳熱面積為：計算傳熱面積為：換熱器的實際傳熱面積為：換熱器的實際傳熱面積為：換熱器的面積裕