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1、 第2章 工藝計算 2.1設(shè)計原始數(shù)據(jù) 表2—1 名稱 設(shè)計壓力 設(shè)計溫度 介質(zhì) 流量 容器類別 設(shè)計規(guī)范 單位 Mpa ℃ / Kg/h / / 殼側(cè) 7.22 420/295 蒸汽、水 III GB150 管側(cè) 28 310/330 水 60000 GB150 2.2 管殼式換熱器傳熱設(shè)計基本步驟 （1） 了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能 （2） 由熱平衡計算的傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。 （3）

2、確定流體進(jìn)入的空間 （4）計算流體的定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù) （5）計算有效平均溫度差，一般先按逆流計算，然后再校核 （6）選取管徑和管內(nèi)流速 （7）計算傳熱系數(shù)，包括管程和殼程的對流傳熱系數(shù)，由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，一般先假定一個殼程傳熱系數(shù)，以計算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)，常采用實際傳熱面積為計算傳熱面積值的1.15~1.25倍 （9）選取管長 （10）計算管數(shù) （11）校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù) （12）畫出排管圖，確定殼徑和殼程擋板形式及數(shù)量等 （13）校核殼程對流傳熱系數(shù) （14）校核平均溫度差

3、 （15）校核傳熱面積 （16）計算流體流動阻力。若阻力超過允許值，則需調(diào)整設(shè)計。 2.3 確定物性數(shù)據(jù) 2.3.1定性溫度 由《飽和水蒸氣表》可知，蒸汽和水在p=7.22MPa、t>295℃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。 對于殼程不存在相變，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=℃ （2-1） 管程流體的定性溫度： T=℃ 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)。

4、2.3.2 物性參數(shù) 管程水在320℃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1.10.1】 表2—2 密度 ρi-=709.7 ㎏/m3 定壓比熱容 cpi=5.495 kJ/㎏.K 熱導(dǎo)率 λi=0.5507 W/m.℃ 粘度 μi=85.49 μPa.s 普朗特數(shù) Pr=0.853 殼程蒸氣在357.5下的物性數(shù)據(jù)[1]：【鍋爐手冊 飽和水蒸氣表】 表2—3 密度 ρo=28.8 ㎏/m3 定壓比熱容 cpo=3.033 kJ/㎏.K 熱導(dǎo)率 λo=0.0606 W/m.℃ 粘度 μo=22.45 μP

5、a.s 普朗特數(shù) Pr=1.122 2.4估算傳熱面積 2.4.1熱流量 根據(jù)公式（2-1）計算： 【化原 4-31a】 （2-2） 將已知數(shù)據(jù)代入 （2-1）得： =600005.495 (330-310)/3600=1831666.67W 式中： ——工藝流體的流量，kg/h； ——工藝流體的定壓比熱容，kJ/㎏.K； ——工藝流體的溫差，℃； Q——熱流量，W。 2.4.2平均傳熱溫差 根據(jù) 化工原理 4-45 公式（2-2）計算：

6、 （2-3） 按逆流計算將已知數(shù)據(jù)代入 （2-3）得： ℃ 式中： ——逆流的對數(shù)平均溫差，℃； ——熱流體進(jìn)出口溫差，℃； ——冷流體進(jìn)出口溫差，℃； 可按圖2-1中（b）所示進(jìn)行計算。 圖2-1 列管式換熱器內(nèi)流型 2.4.3傳熱面積 根據(jù)所給條件選定一個較為適宜的值，假設(shè)=400 W/m2.K則估算傳熱面積為: （化工原理 式4-43） （2-4） 將已知數(shù)據(jù)代入 （2-3）得： 式中：——估算的傳熱面積，； —

7、—假設(shè)傳熱系數(shù)，W/m2.℃； ——平均傳熱溫差，℃。 考慮的面積裕度，則所需傳熱面積為: （2-5） 2.4.4熱流體用量 根據(jù)公式（2-4）計算：由化工原理熱平衡公式 將已知數(shù)據(jù)代入 （2-4）得： （2-6） 式中——熱流量，W； ——定壓比熱容，kJ/㎏.℃； ——

8、熱流體的溫差，℃； ——熱流體的質(zhì)量流量，。 2.5 工藝尺寸 2.5.1管數(shù)和管長 1. 管徑和管內(nèi)流速 根據(jù)紅書 表3-2 換熱管規(guī)格 表2-4 材料 鋼管標(biāo)準(zhǔn) 外徑厚度 /（mmmm） 外徑偏差 /mm 壁厚偏差 碳鋼 GB8163 252.5 根據(jù) 紅書 表3-4 取管內(nèi)流速 ⒉管程數(shù)和傳熱管數(shù) 依紅書3-9式 ，可根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單管程傳熱管數(shù) （根） (2-7) 式中——管程體積流量， ；

9、 ——單程傳熱管數(shù)目； ——傳熱管內(nèi)徑，； ——管內(nèi)流體流速，。 按單管程計算,依紅書3-10,所需的傳熱管長度為 (2-8) 式中 L——按單程管計算的傳熱管長度，m ——傳熱面積，； ——換熱管外徑，m。 按單管程設(shè)計，傳熱管過長，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長,則該換熱器的管程數(shù)為 （管程） (

10、2-9) 傳熱管總根數(shù) （根） (2-10) 式中， ——管子外徑，； ——傳熱管總根數(shù)，根； ——管子外徑，； 3.換熱器的實際傳熱面積，依據(jù)紅書3-12， （2-11） 式中， 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 （2-12）

11、 （2-13） 將已知數(shù)據(jù)代入（2-12）和（2-13）得： 按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，紅書圖3-7，查得校正系數(shù)： 圖2-2 溫差校正系數(shù)圖 ； 平均傳熱溫差 按式（2-9）計算： （2-14） 將已知數(shù)據(jù)代入（2-9）得： 式中 ：——平均傳熱溫差，℃； ——校正系數(shù)； ——未經(jīng)校正的平均傳熱溫差，℃。 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流量較大，故取單殼程合適。 傳熱管排列方式：采用正三角形排列

12、 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 3-14 選取 取管心距： （2-15） 則管心距： 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 （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

13、排列法 圖2-4 隔板形式和介質(zhì)流通順序 ⒌殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按式計算。正三角形排列，4管程，取管板利用率為，則殼體內(nèi)徑為 . （2-17） 式中：D——殼體內(nèi)徑,m; t——管中心距,m; ——橫過管束中心線的管數(shù) 按卷制圓筒進(jìn)級擋圓整，取為D=700mm。 2.5.3 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，加強其湍動程度，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

14、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： mm （2-18） 故可取180mm 取折流板間距，則 （2-19） 可取為B=250mm。 折流板數(shù) （2-20） 折流板圓缺面水平裝配。 化工設(shè)計 圖3-15 圖2-5 弓性折流板（水平圓缺） 2.5.4其它附件拉桿

15、拉桿數(shù)量與直徑：由化工設(shè)計表4-7 表4-8 該換熱器殼體內(nèi)徑為700mm，故其拉桿直徑為φ16拉桿數(shù)量為6個。 2.5.5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4.42m/s，則接管內(nèi)徑為 （2-21） 圓整后可取內(nèi)徑為150mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為1m/s，則接管內(nèi)徑為 圓整后取管內(nèi)徑為=180mm。 式中：——接管內(nèi)徑，； ——流速，；

16、 V ——熱、冷流體質(zhì)量流量，kg/s。 2.6換熱器核算 2.6.1 熱流量核算 2.6.1.1 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算，見式 紅書3-22 （2-22） 當(dāng)量直徑，依式紅書 3-32b計算： （2-23） 將已知數(shù)據(jù)代入 （2-23）得 ： 式中 —當(dāng)量直徑，； —管心距，； —管外徑，。 殼程流通面積依紅書式3-25計算 （2-24）

17、 式中 —折流板間距，； —殼體內(nèi)徑，； —管心距，； —管徑，； —殼程流通面積，。 依據(jù)紅書計算步驟，殼程流體流速及其雷諾數(shù) 分別為 （m/s） （2-25） （2-26） 普朗特數(shù) 黏度校正 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

18、 （2-27） 式中 —殼程流體流速，； —殼程流通面積，； —密度， —熱流體的質(zhì)量流量，。 2.6.1.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管程流體流通截面積 （2-28） 管程流體流速 （m/s） 雷諾數(shù) （2-29） 普朗特數(shù) 按化工原理 式 得 （2-30） 式中：——雷諾數(shù)； ——當(dāng)量直徑，； ——管

19、程流體流速，； ——密度，； ——粘度，Pa.s。 ——普朗特數(shù)； ——定壓比熱容，kJ/㎏.℃； ——粘度，Pa.s； ——熱導(dǎo)率，W/m.℃。 2.6.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻 污垢熱阻和管壁熱阻可?。夯ぴ砀戒?0 管外側(cè)污垢熱阻 （℃/W） 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 （℃/W） 管壁熱阻按紅書 式計算， 可得碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為： （2-31） 將已知數(shù)據(jù)代入 （2-31）得

20、： 式中： ——管壁熱阻，； ——傳熱管壁厚，； ——管壁熱導(dǎo)率，W/m.℃。 2.6.1.4傳熱系數(shù) 按紅書3-21計算： 因為值更小，故按Ki計算 （2-32） 將已知數(shù)據(jù)代入（2-32）得： 2.6.1.5傳熱面積裕度 紅書3-35 （2-33） 該換熱器的實際換熱面積A （2-34）

21、依紅書 式3-36 該換熱器的面積裕度為 （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)。 2.6.2壁溫核算 2.6.2.1 溫差計算 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，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁壁溫差可能很大。計算中因按最不利的因素考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。 由 紅書3-42式計算：

22、 （2-36） 液體的平均溫度 按紅書 3-44 和3-45式 計算有： （℃） （2-37） （W/℃） （W/℃） 代入2-36式 傳熱管平均壁溫 （℃） （2-38） 式中： ——熱流體進(jìn)口溫度，℃； ——熱流體出口溫度，℃； ——冷流體進(jìn)口溫度，℃； ——冷流體出口溫度，℃。 殼體壁溫，可以近似取為殼程流體的平均溫度

23、，即t=357.5℃。 傳熱管壁溫和殼體壁溫之差為 （℃） （2-39） 該溫差較大，需設(shè)溫度補償器。由于水和水蒸氣不容易結(jié)垢，不需要經(jīng)常清洗，因此選用U型管換熱器較為適宜。 2.6.2.2 管程流體阻力 依式（2-29） （2-36） 其中 式中 ： ——管程數(shù)； ——管程總阻力，； ——管程結(jié)垢校正系數(shù)，對的管子，取1.5；

24、 （2-37） 由Re=166031 查化原表1-2 傳熱管絕對對粗糙度 傳熱管相對對粗糙度 查化工原理 圖1-27 莫狄 圖 得 ，將已知數(shù)據(jù)代入（2-37）得： 式中： ——摩擦系數(shù)； ——管長，； ——傳熱管內(nèi)徑，； ——冷流體密度，； ——管內(nèi)流速，； ——單程直管阻力，。 局部阻力按式（2

25、-37）計算， （2-38） 將已知數(shù)據(jù)代入（2-31）得： 式中： ——局部阻力，； ——局部阻力系數(shù)； ——冷流體密度，； ——管內(nèi)流速，； 管程總阻力為： （2-39） 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 2.6.2.3殼程阻力 按式紅書 式 3-50 ~ 3-54計算： （2-40） 其中 ， 式中 ——殼程總阻力，； ——流體流過管束的阻

26、力，； ——流體流過折流板缺口的阻力，； ——殼程結(jié)垢校正系數(shù)； ——殼程數(shù)； 流體流經(jīng)管束的阻力按（2-41）計算 （2-41） 將已知數(shù)據(jù)代入（2-340）得： 式中 ——流體流過管束的阻力，； ——管子排列方式為正三角形，所以； ——殼程流體的摩擦系數(shù)，； ——橫過管束中心線的管子數(shù) ； ——折流擋板數(shù)； ——熱流體密度，； ——按殼程流通面積計算的流速 ； 流體通過折流板缺口的阻力 依式（2

27、-34）計算： （2-34） ， 將已知數(shù)據(jù)代入（2-35）得： 式中 ——折流板板數(shù)； ——折流板間距，； ——殼體內(nèi)徑，； ——熱流體密度，； ——殼程流體流速，； ——流體流過折流板缺口的阻力，； 總阻力： 由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。 2.7 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表2-5。 參數(shù) 管程 殼程 流量/

28、（kg/h） 600000 17393 進(jìn)/出口溫度/℃ 310/330 420/295 壓力/MPa 28 7.22 物性 定性溫度/℃ 320 357.5 密度/㎏/m3 709.7 28.8 定壓比熱容/[kJ/(㎏/℃)] 5.495 3.033 黏度/pas 導(dǎo)熱率/[W/m℃] 0.5507 0.0606 普朗特數(shù) 0.853 1.122 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 形式 U型管 臺數(shù) 1 殼體內(nèi)徑/mm 700 殼程數(shù) 1 管徑/mm Φ252.5

29、 管心距/mm 32 管長/mm 6000 管子排列 管數(shù)目/根 300 折流板個數(shù)/個 23 傳熱面積/m2 126.4 折流板間距/mm 210 管程數(shù) 4 材質(zhì) 碳素鋼 主要設(shè)計結(jié)果 管程 殼程 流速/(m/s) 1 4.42 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(m2℃)] 562.5 682.6 污垢熱阻/(m2℃/W) 阻力/MPa 111.2 KPa 92.3 KPa 熱流量/kW 1831.67 傳熱溫差/℃ 22.7 傳熱系數(shù)/[W/(m2℃)] 346.1 裕度/% 11.79 表2-5 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果