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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(qiáng)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(bǔ)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
換熱器計算步驟
