1、第2章工藝計(jì)算2.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)表2 1名稱設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度介質(zhì)流量容器類別設(shè)計(jì)規(guī)范單位MpaC/Kg/h/殼側(cè)7.22420/295蒸汽、水IIIGB150管側(cè)28310/330水60000GB1502.2管殼式換熱器傳熱設(shè)計(jì)基本步驟（1）了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能（2）由熱平衡計(jì)算的傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。（3）確定流體進(jìn)入的空間（4）計(jì)算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（5）計(jì)算有效平均溫度差，一般先按逆流計(jì)算，然后再校核（6）選取管徑和管內(nèi)流速（7）計(jì)算傳熱系數(shù)，包括管程和殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，由于殼程對(duì)流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，一般先假定一個(gè)

2、殼程傳熱系數(shù)，以計(jì)算K,然后再校核（8）初估傳熱面積，考慮安全因素和初估性質(zhì)，常采用實(shí)際傳熱面積為計(jì)算傳熱面積值的1.151.25倍（9）選取管長(zhǎng)I。（10）計(jì)算管數(shù)Nt（11）校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)（12）畫出排管圖，確定殼徑 Dj和殼程擋板形式及數(shù)量等（13）校核殼程對(duì)流傳熱系數(shù)（14）校核平均溫度差（15）校核傳熱面積（16）計(jì)算流體流動(dòng)阻力。若阻力超過允許值，則需調(diào)整設(shè)計(jì)。2.3確定物性數(shù)據(jù)231定性溫度由飽和水蒸氣表可知，蒸汽和水在 p=7.22MPa t>295 C情況下為蒸汽，所以在不考 慮開工溫度、壓力不穩(wěn)定的情況下，殼程物料應(yīng)為蒸汽，故殼程不存在相變。對(duì)于殼程不存在相

3、變，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。其殼程混合氣體的平均溫度為：t=420 2952357.5 °C(2-1 )管程流體的定性溫度:T=310 3302320 C根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)物性參數(shù)管程水在320C下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：【參考 物性數(shù)據(jù) 無機(jī) 表表2 2密度p i- =709.7kg /m3定壓比熱容Cpi =5.495kJ/ kg.K熱導(dǎo)率入 i =0.5507W/m.C粘度卩 i =85.49卩 Pa.s普朗特?cái)?shù)Pr=0.853殼程蒸氣在357.5下的物性數(shù)據(jù)1:【鍋爐手冊(cè) 飽和水蒸氣表密度p o=28.8kg /m3定壓比熱容Cpo=

4、3.033kJ/ kg.K熱導(dǎo)率入 o=0.0606W/m.C粘度1 o=22.451 Pa.s普朗特?cái)?shù)Pr=1.1222.4估算傳熱面積241熱流量【化原 4-31a】(2-2)根據(jù)公式（2-1）計(jì)算：Q WCp t將已知數(shù)據(jù)代入 （2-1）得:Q WCp1 b=60000X 5.495 X 103 (330-310)/3600=1831666.67W式中：W工藝流體的流量，kg/h ；Cp1 工藝流體的定壓比熱容，kJ/疥K; t1 工藝流體的溫差，C；Q熱流量，W平均傳熱溫差根據(jù)化工原理4-45 公式（2-2）計(jì)算:tmt1t2t1(2-3)Int2按逆流計(jì)算將已知數(shù)據(jù)代入（2-3）得:

5、tmt1 t2t1ln420 330310 29541.86 C ,420 330In310 295式中：tm 逆流的對(duì)數(shù)平均溫差，C；ti 熱流體進(jìn)出口溫差，c； t2 冷流體進(jìn)出口溫差，°C； 可按圖2-1中（b）所示進(jìn)行計(jì)算。圖2-1列管式換熱器內(nèi)流型243傳熱面積根據(jù)所給條件選定一個(gè)較為適宜的K值，假設(shè)K=400 W/m.K則估算傳熱面積為QK tm（化工原理式4-43）(2-4)將已知數(shù)據(jù)代入 （2-3）得:Q 1831666.67K tm 400 41.86109.39 m2式中：S估算的傳熱面積，m2;k 假設(shè)傳熱系數(shù)，w/m c； tm 平均傳熱溫差，C?？紤]的面積裕

6、度，則所需傳熱面積為：S' S 1.15 112.88 1.15 125.8m2(2-5)熱流體用量根據(jù)公式（2-4）計(jì)算：由化工原理熱平衡公式Cp t將已知數(shù)據(jù)代入 （2-4）得:QC p2 t21831666.6717392.68 kg/h3.033 (420 295)(2-6)式中Q熱流量，WCp2疋壓比熱谷，kJ/ kgc；t2熱流體的溫差，°c；W2 熱流體的質(zhì)量流量，kg/h2.5工藝尺寸管數(shù)和管長(zhǎng)1.管徑和管內(nèi)流速根據(jù)紅書表3-2換熱管規(guī)格根據(jù)紅書表3-4取管內(nèi)流速ui1m/ s表2-4材料鋼管標(biāo)準(zhǔn)外徑厚度/ （mm mm外徑偏差/mm壁厚偏差碳鋼GB81632

7、5 2.50.2012%10%2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依紅書3-9式 nqv24du可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)ns62：diUi16.67709774.8 75(根)0.022 14(2-7)n 單程傳熱管數(shù)目；di傳熱管內(nèi)徑，mm ；u管內(nèi)流體流速，ms。按單管程計(jì)算，依紅書3-10,所需的傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng) Ap125.821.3 m(2-8)dons0.025 75式中L 按單程管計(jì)算的傳熱管長(zhǎng)度，mAp 傳熱面積， m2 ；d。 換熱管外徑，m。按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)I 6m,則該換熱器的管程數(shù)為傳熱管總根數(shù)Np

8、L 21.3I 63.564 (管程)(2-9)Nt ns Np 75 4 300 (根)(2-10)式中，d。一一管子外徑，m ;Nt傳熱管總根數(shù)，根；d。一一管子外徑，m ;3.換熱器的實(shí)際傳熱面積，依據(jù) 紅書3-12，2A d°INT 3.14 0.025 6 300 141.3 m(2-11)式中 Nt 換熱器的總傳熱管數(shù);式 ， A 換熱器的實(shí)際傳熱面積2.5.2平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)選用多管程損失部分傳熱溫差，這種情況下平均傳熱溫差校正系數(shù)與流體進(jìn)出口溫度有關(guān)，其中 按紅書3-13a 3-13b熱流體的溫差 T2 冷流體的溫差 t2 t1(2-12)冷流體的溫差兩流體最

9、初溫差T1 t1(2-13)將已知數(shù)據(jù)代入（2-12） 和（ 2-13）得:t2ti420 2950.75330 310P t2tiT1t1330 310420 3100.22按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，紅書圖3-7，查得校正系數(shù):00. I 0.26.30.10,50,6C.70.80.91()圖2-2溫差校正系數(shù)圖t 0.96 ；平均傳熱溫差按式（2-9）計(jì)算：tm t t塑(2-14)將已知數(shù)據(jù)代入（2-9）得:tm t t塑0.96 41.86 40.2°C式中：tm 平均傳熱溫差，°C；t 校正系數(shù)；t塑一一未經(jīng)校正的平均傳熱溫差，C。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.

10、8，同時(shí)殼程流量較大，故取單殼程合適。傳熱管排列方式：采用正三角形排列每程各有傳熱管 75根，其前后官箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工設(shè)計(jì)3-14 選取取管心距：t 1.28do（ 2-15）則管心距：t 1.28 do 1.28 25 32mm根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取為 32mm :隔板中心到離其最近一排管中心距t32s 6622 mm22（ 2-16）各程相鄰傳熱管的管心距為2s=44mm每程各有傳熱管75根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按圖2-4選取。圖2-3組合排列法NID南幼Ifl年Ias皈介質(zhì)返回卜ITti©溝前E艸靱t圖2-4隔板形式和介質(zhì)流通順序5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)

11、，殼體內(nèi)徑可按式計(jì)算。正三角形排列，4管程，取管板利用率為0.6 0.8, 取 0.7，貝U殼體內(nèi)徑為(2-17)式中：D殼體內(nèi)徑,m;t管中心距,m;Nt橫過管束中心線的管數(shù) 按卷制圓筒進(jìn)級(jí)擋圓整，取為 D=700mm折流板管殼式換熱器殼程流體流通面積比管程流通截面積大，為增大殼程流體的流速，加 強(qiáng)其湍動(dòng)程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。單殼程的換熱器僅需要設(shè)置橫向 折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%25%取25%取則切去的圓缺高度為：h 0.25 700 175mm故可取h 180mm取折流板間距B °.3D，則B 0.3 700210 （mm）可

12、取為B=250mm(2-18)(2-19)Nb傳熱管長(zhǎng)-16000塊）折流板間距250(2-20)折流板數(shù)NB折流板圓缺面水平裝配。化工設(shè)計(jì)圖3-15圖2-5 弓性折流板（水平圓缺）其它附件拉桿700mm故其拉桿拉桿數(shù)量與直徑：由化工設(shè)計(jì)表4-7表4-8該換熱器殼體內(nèi)徑為直徑為© 16拉桿數(shù)量為6個(gè)接管依據(jù)化工原理 式1-24殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)水蒸氣流速為ui 4.42m/s，則接管內(nèi)徑為Di4 173%600 28.8)4.420.219(m)(2-21)圓整后可取內(nèi)徑為Di 150mm管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為 U2 1m/s，則接管內(nèi)徑為4 60000(警

13、0 709.7)0.仃3(m)圓整后取管內(nèi)徑為D2=180mm式中：D接管內(nèi)徑，m ;u流速，m/s ；V熱、冷流體質(zhì)量流量，kg/s2.6換熱器核算熱流量核算殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計(jì)算，見式紅書3-220.36Re°55 deJ3)0.14w(2-22)當(dāng)量直徑，依式 紅書3-32b計(jì)算:de27do)do(2-23)將已知數(shù)據(jù)代入（2-23）得：de2才d。)032224 025)do0.0250.020(m)式中 de 當(dāng)量直徑，m ;t 管心距，m ；d° 管外徑，m。殼程流通面積依紅書式3-25計(jì)算S BD(1 羋)(2-24)S BD(1 出)

14、0.25 0.7 (10.038(m2) s BD(1 蟲)t0.032t式中B折流板間距，m ;D 殼體內(nèi)徑，m ;t 管心距，m ；do 管徑，m ；S。一殼程流通面積，m2 o依據(jù)紅書計(jì)算步驟，殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為17393uVo(3600 288)4.415 (m/s)o So0.038RedeU0.02 4.415 28.8113275.7222.45 10(2-25)(2-26)普朗特?cái)?shù)pr 1.122黏度校正()0.141殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.361 Rede0.5叮3(嚴(yán)682.5 (W/m 2 C)0.36 0.0606 113276 0551.122 "3

15、10.02(2-27)m/s ；2m 式中 u2 殼程流體流速，s 殼程流通面積，3kg/h。密度，kg/mm熱流體的質(zhì)量流量,管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積diNtn0.022 750.0236 (m2)(2-28)管程流體流速雷諾數(shù)ReiUi 1(m/s )idiui 709.7 0.02 185.49 10166031.1(2-29)普朗特?cái)?shù)Pr 0.853按化工原理 式0.23Re°.8Pr0.4得di(2-30)0.23Re0.8P4di562.5(W/m 2 C)0.55070 80 40.23166031.1 '0.853 '0.02式中：Re雷諾數(shù)

16、;de當(dāng)量直徑，m ；Ui 管程流體流速，m/s ； i 密度，kg/m3;i 粘度，Pa.sPr 普朗特?cái)?shù);Cpi 定壓比熱容，kJ/ kg . C；i 粘度，Pa.s ；i熱導(dǎo)率，W/m/C261.3污垢熱阻和管壁熱阻污垢熱阻和管壁熱阻可取：化工原理附錄20管外側(cè)污垢熱阻R。0.8598 10 4 ( m2 C /W)管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Ro 0.8598 10 4 ( m2 C /W)管壁熱阻按紅書 式計(jì)算，查表可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為 40W /(m.K):(2-31)0.002402 104(m2?K/W)將已知數(shù)據(jù)代入(2-31)得:w式中：Rw管壁熱阻，m2.K/W ；b傳熱管壁厚

17、，m；w 管壁熱導(dǎo)率，W/m.Co傳熱系數(shù)Kc按紅書3-21計(jì)算： 因?yàn)閕值更小，故按Ki計(jì)算Kc(2-32)diRodi Rwdidm將已知數(shù)據(jù)代入(2-32)得:Kc0.02628.5 0.02540.8598 100.020.02542 10 0.020.020.8598101562.5346.1W/m2 K2.6.1.5傳熱面積裕度 紅書3-35AcQKC tm1831666.67346.1 41.86126.42( m2)(2-33)該換熱器的實(shí)際換熱面積 A3.14 0.025 6A do1 Nt依紅書式3-36該換熱器的面積裕度為300 141.3(m2)(2-34)H 弋100

18、% 唱磐2100% 11-79%(2-35)該換熱器的面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)壁溫核算溫差計(jì)算由于工作條件是高溫高壓，與四季氣溫相差特別大。因此進(jìn)出口溫度可以取原操作 溫度。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大會(huì)使傳熱管壁溫降低，降低了傳熱管和殼體 之間的溫差。但操作初期時(shí)，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁壁溫差可能很大。計(jì)算 中因按最不利的因素考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。由紅書3-42式計(jì)算:1 1(2-36)T m(Rc) tm (Rh)ch1 1Rc Rhch液體的平均溫度按紅書3-44和3-45式tm 0.4t20.6t1計(jì)算有:tm °.4 330

19、 0.6 310 318C)(2-37)hc h。682.6 (W/m2 C)4 hi 5625 (W/m2 C)代入2-36式傳熱管平均壁溫T w1mh357.531868265625336.8 (C)1 1682.6562.5(2-38)式中：T1熱流體進(jìn)口溫度，C；T2 熱流體出口溫度，C； t1 冷流體進(jìn)口溫度，C； t2 冷流體出口溫度，C。殼體壁溫，可以近似取為殼程流體的平均溫度，即t=357.5 Co傳熱管壁溫和殼體壁溫之差為t 357.5 336.8 20.7 (C)該溫差較大，需設(shè)溫度補(bǔ)償器。由于水和水蒸氣不容易結(jié)垢，不需要經(jīng)常清洗, 此選用U型管換熱器較為適宜。(2-39)

20、因管程流體阻力依式(2-29)Pi( PP2)NpFt(2-36)其中 Np 4Ft 1.5式中：Np 管程數(shù)；Pi 管程總阻力，Pa ；Ft管程結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì) 25 2.5mm的管子，取1.5 ；Piidi(2-37)由 Re=166031查化原表1-20.02傳熱管絕對(duì)對(duì)粗糙度傳熱管相對(duì)對(duì)粗糙度應(yīng)0 00120查化工原理圖1-27莫狄Re圖得 i 0.0213709.7 kg/mu 1 m/s，將已知數(shù)據(jù)代入（2-37）得:m ；kg/m3 ；7u 管內(nèi)流速， pi 單程直管阻力,m/s ；Pal u2Pi市20.020.021 709.7 12235.5Pa式中：摩擦系數(shù);l 管長(zhǎng)，m

21、 ； di 傳熱管內(nèi)徑,冷流體密度,局部阻力按式（2-37）計(jì)算,Pr(2-38)將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得:2Pr709.7 131596.8Pa2式中：Pr 局部阻力，Pa ；局部阻力系數(shù)；冷流體密度，kg/m ；U 管內(nèi)流速，m/s ；管程總阻力為：Pt(2235.5 1596.8) 2 4 1.545987.6Pa(2-39)管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)殼程阻力(2-40)按式紅書 式3-50 3-54計(jì)算：Po ( p1P2)FsNs其中2 1,Fs 1式中 Po 殼程總阻力，Pa ；p1 流體流過管束的阻力，Pa ； P2流體流過折流板缺口的阻力，Pa ；Fs 殼程結(jié)垢校正系數(shù)；Ns 殼程數(shù)；流體流經(jīng)管束的阻力按(2-41)計(jì)算(2-41)'u02P1 Ff。nc(NB 1)芳將已知數(shù)據(jù)代入(2-340)得:Po0.5 0.352 19.05 (23 1)28.8 10221.11 105 Pa式中p1 流體流過管束的阻力，Pa ；0.352 ；F 管子排列方式為正三角形，所以 F 0.5 ；f0殼程流體的摩擦系數(shù)，f