正戊烷换热器Word下载.docx
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本设计的工艺计算如下:
此为一侧流体为恒温的列管式换热器的设计。
1.确定流体流动空间
冷却水走管程,正戊烷走壳程,有利于正戊烷的散热和冷凝。
2.计算流体的定性温度,确定流体的物性数据
正戊烷液体在定性温度(51.7℃)下的物性数据(查化工原理附录)
井水的定性温度:
入口温度为
,出口温度为
式中
井水的定性温度为
两流体的温差
,故选固定管板式换热器
两流体在定性温度下的物性数据如下
物性
流体
温度
℃
密度
kg/m3
粘度
mPa·
s
比热容
kJ/(kg·
℃)
导热系数
W/(m·
正戊烷
51.7
596
0.18
2.34
0.13
井水
35.67
993.7
0.717
4.174
0.627
3.计算热负荷
4.计算有效平均温度差
逆流温差
5.选取经验传热系数K值
根据管程走井水,壳程走正戊烷,总传热系数
,现暂取
。
6.估算换热面积
7.初选换热器规格
立式固定管板式换热器的规格如下
公称直径D…………………………500mm
公称换热面积S……………………40m2
管程数Np…………………………..2
管数n………………………………..172
管长L………………………………..3.0m
管子直径……………………………..
管子排列方式………………………..正三角形
换热器的实际换热面积
该换热器所要求的总传热系数
8.核算总传热系数
(1)计算管程对流传热系数
(湍流)
故
(2)计算壳程对流传热系数
因为立式管壳式换热器,壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器,故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算
现假设管外壁温
,则冷凝液膜的平均温度为
,这与其饱和温度很接近,故在平均膜温45.85℃下的物性可沿用饱和温度51.7℃下的数据,在层流下:
(3)确定污垢热阻
(4)总传热系数
所选换热器的安全系数为
表明该换热器的传热面积裕度符合要求。
(5)核算壁温与冷凝液流型
核算壁温时,一般忽略管壁热阻,按以下近似计算公式计算
,这与假设相差不大,可以接受。
核算流型
冷凝负荷
(符合层流假设)
9.计算压强降
(1)计算管程压降
(Ft结垢校正系数,Np管程数,Ns壳程数)
取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm,则
,而
,于是
对
的管子有
(2)计算壳程压力降
壳程为恒温恒压蒸汽冷凝,可忽略压降。
由此可知,所选换热器是合适的。
列管式换热器的设计
列管式换热器的应用已有很悠久的历史。
现在,它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用,尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中,列管式换热器仍处于主导地位。
同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备,大量地应用于工业中。
为此本章对这两类换热器的工艺设计进行介绍。
列管式换热器的设计资料较完善,已有系列化标准。
目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式(即列管式)换热器”(GB151)标准执行。
列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。
其中以热力设计最为重要。
不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计,而且对于已生产出来的,甚至已投人使用的换热器在检验它是否满足使用要求对,均需进行这方面的工作。
热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求,合理地选择运行参数,并根据传热学的知识进行传热计算。
流动设计主要是计算压降,其目的就是为换热器的辅助设备——例如泵的选择做准备。
当然,热力设计和流动设计两者是密切关联的,特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。
结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸,例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸,等等。
在某些情况下还需对换热器的主要零部件——特别是受压部件做应力计算,并校核其强度。
对于在高温高压下工作的换热器,更不能忽视这方面的工作。
这是保证安全生产的前提。
在做强度计算时,应尽量采用国产的标准材料和部件,根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核(该部分内容属设备计算,此处从略)。
1.1设计方案的确定
1.1.1换热器类型的选择
(1)固定管板式换热器
(2)浮头式换热器
(3)填料函式换热器
(4)U型管换热器
1.1.2流动空间的选择
在管壳式换热器的计算中,首先需决定何种流体走管程,何种流体走壳程,这需遵循一些一般原则。
①应尽量提高两侧传热系数较小的一个,使传热面两侧的传热系数接近。
②在运行温度较高的换热器中,应尽量减少热量损失,而对于一些制冷装置,应尽量减少其冷量损失。
③管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理,以保证运行的可靠性。
④应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。
从这个角度来说,顺流式就优于逆流式,因为顺流式进出口端的温度比较平均,不像逆流式那样,热、冷流体的高温部分均集中于一端,低温部分集中于另一端,易于因两端胀缩不同而产生热应力。
⑤对于有毒的介质或气相介质,必使其不泄漏,应特别注意其密封,密封不仅要可靠,而且还应要求方便及简单。
⑥应尽量避免采用贵金属,以降低成本。
以上这些原则有些是相互矛盾的,所以在具体设计时应综合考虑,决定哪一种流体走管程,哪一种流体走壳程。
(1)宜于通入管内空间的流体
①不清洁的流体因为在管内空间得到较高的流速并不困难,而流速高,悬浮物不易沉积,且管内空间也便于清洗。
②体积小的流体因为管内空间的流动截面往往比管外空间的截面小,流体易于获得必要的理想流速,而且也便于做成多程流动。
③有压力的流体因为管子承压能力强,而且还简化了壳体密封的要求。
④腐蚀性强的流体因为只有管子及管箱才需用耐腐蚀材料,而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造,所以造价可以降低。
此外,在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便,并容易检查。
⑤与外界温差大的流体因为可以减少热量的逸散。
(2)宜于通入管间空间的流体
①当两流体温度相差较大时,α值大的流体走管间,这样可以减少管壁与壳壁间的温度差,因而也减少了管束与壳体间的相对伸长,故温差应力可以降低。
②若两流体给热性能相差较大时,α值小的流体走管间,此时可以用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件,使之相互接近。
③和蒸汽对流速和清理无甚要求,并易于排除冷凝液。
④粘度大的流体管间的流动截面和方向都在不断变化,在低雷诺数下,管外给热系数比管内的大。
⑤泄漏后危险性大的流体可以减少泄漏机会,以保安全。
此外,易析出结晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流体,最好通入比较更容易进行机械清洗的空间。
在管壳式换热器中,一般易清洗的是管内空间。
但在U形管、浮头式换热器中易清洗的都是管外空间。
1.1.3流速的确定
当流体不发生相变时,介质的流速高,换热强度大,从而可使换热面积减少、结构紧凑。
成本降低,一般也可抑止污垢的产生。
但流速大也会带来一些不利的影响,诸如压降ΔP增加,泵功率增大,且加剧了对传热面的冲刷。
换热器常用流速的范围见表2-2和表2-3。
表2-2换热器常用流速的范围
?
介质
循环水
新鲜水
一般液体
易结垢液体
低粘度油
高粘度油
气体
流速
管程流速,m/s
1.0~2.0
0.8~1.5
0.5~3
>
1.0
0.8~1.8
0.5~1.5
5~30
壳程流速,m/s
0.2~1.5
0.5
0.4~1.0
0.3~0.8
2~15
表2-3列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速
液体名称
乙醚、二氧化碳、苯
甲醇、乙醇、汽油
丙酮
氢气
安全流速,m/s
<
1
2~3
10
≤8
1.1.4加热剂、冷却剂的选择
工业上常用的载热体及其适用场合列于表2-4,供选用时参考。
1.1.5流体出口温度的确定
换热终温有时是由工艺过程的需要决定的。
当换热终温可以选择时,由于该温度影响到热强度和换热效率,因此对换热器操作的经济合理性由影响。
在冷流体的出口温度与热流体的进口温度相等的极限情况下,换热效率虽然很大,但热强度很小,需要的传热面积为最大。
另外在决定换热终温时,一般不希望冷流体的出口温度高于热流体的出口温度,否则会出现反传热现象,当遇到这种情况时,可采用几个换热器串联的方法解决。
为了合理地规定换热终温,可参考下述数据。
(1)热端的温差≤20℃。
(2)冷端的温差分三种情况考虑:
①两种工艺流体换热时,在一般情况下,冷端温差≥20℃;
②两种工艺流体换热时,若热流体尚需进一步加热,则冷端温差≥15℃;
表2-4?
载热体的种类及适用范围
载热体名称
温度范围/℃
优?
点
缺?
加热剂
热水
40~100
可利用工业废水和冷凝水废热作为回收
只能用于低温,传热情况不好,本身易冷却,温度不易调节
饱和蒸汽
100~180
易于调节,冷凝潜热大,热利用率高
温度升高,压力也高,设备有困难。
180℃时对应的压力为10MPa
高温载热体
联苯混合物
液体:
15~255
蒸汽:
255~380
加热均匀,热稳定性好,温度范围宽,易于调节,高温时的蒸汽压很低,热焓值与水蒸汽接近,对普通金属不腐蚀
价昂,易渗透软性石棉填料,蒸汽易燃烧,但不爆炸,会刺激人的鼻粘膜
水银蒸汽
400~800
热稳定性好,沸点高,加热温度范围大,蒸汽压低
剧毒,设备操作困难
氯化铝-溴化铝共熔混合物蒸汽
200~300
500℃以下,混合物蒸汽是热稳定的,不含空气时对黑色金属无腐蚀,不燃烧,不爆炸,无毒,价廉,来源较方便
蒸汽压较大,300℃为1.22MPa
矿物油
≤250
不需高压加热,温度较高
粘度大,传热系数小,热稳定性差,超过250℃时易分解,易着火,用节困难
甘油
200~250
无毒,不爆炸,价廉,来源方便,加热均匀
极易吸水,且吸水后出点急剧下降
四氯联苯
100~300
400℃以下有较好的热稳定性,蒸汽压低,对铁、钢、不锈钢、青铜等均不腐蚀
蒸汽可使人体肝脏发生疾病
熔盐
142~530
常压下温度高
比热变小
烟道气
≥1000
温度高
传热差,比热害小,易局部过热
电热法
可达3000
温度范围大,可得特高温度,易调节
成本高
冷却剂
水
0~80
价廉,来源方便
空气
>30
价廉,在缺水地区尤为适宜
盐水
-15~0
用于低温冷却
氨蒸汽
<-15
用于冷冻工业
③采用水或其他冷却剂冷却时,冷端温差≥5℃。
如果超出上述数据,应通过技术经济比较来决定换热终温。
(3)冷却水的出口温度不宜太高,否则会加快水垢的生成。
对于经过良好净化的新鲜水,出口温度可达到45℃或稍高一些;
对于净化较差的冷却水,出口温度建议不要超过40℃。
1.1.6材质的选择
在进行换热器设计时,换热器各种零、部件的材料,应根据设备的操作压力、操作温度。
流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
当然,最后还要考虑材料的经济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度,即从设备的强度或刚度的角度来考虑,是比较容易达到的,但材料的耐腐蚀性能,有时往往成为一个复杂的问题。
在这方面考虑不周,选材不妥,不仅会影响换热器的使用寿命,而且也大大提高设备的成本。
至于材料的制造工艺性能,是与换热器的具体结构有着密切关系。
一般换热器常用的材料,有碳钢和不锈钢。
(1)碳钢
价格低,强度较高,对碱性介质的化学腐蚀比较稳定,很容易被酸腐蚀,在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。
如一般换热器用的普通无缝钢管,其常用的材料为10号和20号碳钢。
(2)不锈钢
奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表,它是标准的18-8奥氏体不锈钢,有稳定的奥氏体组织,具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
1.2列管式换热器的结构
1.2.1管程结构
介质流经传热管内的通道部分称为管程。
(1)换热管布置和排列问距
常用换热管规格有ф19×
2mm、ф25×
2mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×
2.5mm(碳钢10)。
小直径的管子可以承受更大的压力,而且管壁较薄;
同时,对于相同的壳径,可排列较多的管子,因此单位体积的传热面积更大,单位传热面积的金属耗量更少。
所以,在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下,采用ф19mm×
2mm直径的管子更为合理。
如果管程走的是易结垢的流体,则应常用较大直径的管子,有时采用ф38mm×
2.5mm或更大直径的管子。
标准管子的长度常用的有1500mm,2000mm,3000mm,6000mm等。
当选用其他尺寸的管长时,应根据管长的规格,合理裁用,避免材料的浪费。
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列,如图2-2所示。
(a)正方形直列
(b)正方形错列
(c)三角形直列
(d)三角形错列
(e)同心圆排列
图2-2>
管子布置方式
正三角形排列结构紧凑;
正方形排列便于机械清洗;
同心圆排列用于小壳径换热器,外圆管布管均匀,结构更为紧凑。
我国换热器系列中,固定管板式多采用正三角形排列;
浮头式则以正方形错列排列居多,也有正三角形排列。
对于多管程换热器,常采用组合排列方式。
每程内都采用正三角形排列,而在各程之间为了便于安装隔板,采用正方形排列方式。
管板上两管子中心的距离a称为管心距(或管间距)。
管心距取决于管板的强度、清洗管子外表面时所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。
当管子采用焊接方法固定时,相邻两根管的焊缝太近,会相互受到影响,使焊接质量不易保证。
而常用胀接法固定时,过小的管心距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用发生变形,失去管子与管板之间的连接力。
根据生产实际经验,当管子外径为d0时,管心距a一般采用:
焊接法?
a=1.25do;
胀接法?
a=(1.30~1.50)do;
小直径的管子?
a≥do+10mm;
最外层管中心至壳体内表面的距离≥
d0+10mm;
管子材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。
应根据工作压力。
温度和介质腐蚀性等条件决定。
此外还有一些非金属材料,如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。
在设计和制造换热器时,正确选用材料很重要。
既要满足工艺条件的要求,又要经济。
对化工设备而言,由于各部分可采用不同材料,应注意由于不同种类的金属接触而产生的电化学腐蚀作用。
(2)管板
管板的作用是将受热管束连接在一起,并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。
胀接法是利用胀管器将管子扩胀,产生显著的塑性变形,靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。
胀接法一般用在管子为碳素钢,管板为碳素钢或低合金钢,设计压力不超过4MPa,设计温度不超过350℃的场合。
焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性。
管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种。
固定管板常采用不可拆连接。
两端管板直接焊在外壳上并兼作法兰,拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。
浮头式、U型管式等为使壳体清洗方便,常将管板夹在壳体法兰和顶盖法兰之间构成可拆连接。
(3)封头和管箱
1.2.2壳程结构
介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。
壳程内的结构,主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。
由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同,壳程内对各种元件的设置形式亦不同,以此来满足设计的要求。
各元件在壳程的设置,按其不同的作用可分为两类:
一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动,来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板,如折流板、纵向挡板。
旁路挡板等;
另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。
(1)壳体
壳体是一个圆筒形的容器,壳壁上焊有接管,供壳程流体进人和排出之用。
直径小于400mm的壳体通常用钢管制成,大于400mrn的可用钢板卷焊而成。
壳体材料根据工作温度选择,有防腐要求时,大多考虑使用复合金属板。
介质在壳程的流动方式有多种型式,单壳程型式应用最为普遍。
如壳侧传热膜系数远小于管侧,则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。
用两个换热器串联也可得到同样的效果。
为降低壳程压降,可采用分流或错流等型式。
壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。
计算式如下:
单管程
D=t(nc-1)+(2~3)d0(2-1)
式中t——管心距,mm;
d0——换热管外径,mm;
nc——横过管束中心线的管数,该值与管子排列方式有关。
正三角形排列:
2-2)
正方形排列:
2-3)
多管程
(2-4)
式中N——排列管子数目;
η——管板利用率。
正角形排列:
2管程η=0.7~0.85
4管程?
η=0.6~0.8
2管程η=0.55~0.7
η=0.45~0.65
壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。
(2)折流板
在壳程管束中,一般都装有横向折流板,用以引导流体横向流过管束,增加流体速度,以增强传热;
同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。
折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。
圆缺形折流板又称弓形折流板,是常用的折流板,有水平圆缺和垂直圆缺两种,如图2-4(a)、(b)所示。
切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为20%~50%。
垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。
垂直圆缺时,不凝气不能在折流板顶部积存,而在冷凝器中,排水也不能在折流板底部积存。
弓形折流板有单弓形和双弓形,如图2-5,双弓形折流板多用于大直径的换热器中。
环盘型折流板如图2-4(C)所示,是由圆板和环形板组成的,压降较小,但传热也差些。
在环形板背后有堆积不凝气或污垢,所以不多用。
孔流型折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动,压降大,仅适用于清洁流体,其应用更少。
折流板的间隔,在允许的压力损失范围内希望尽可能小。
一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm,最大值决定于支持管所必要的最大间隔。
(3)缓冲板
(5)壳程接管
1.3列管式换热器的设计计算
1.3.1设计步骤
目前,我国已制订了管壳式换热器系列标准,设计中应尽可能选用系列化的标准产品,这样可简化设计和加工。
但是实际生产条件千变万化,当系列化产品不能满足需要时,仍应根据生产的具体要求自行设计非系列标准的换热器。
此处将扼要介绍这两者的设计计算的基本步骤。
(1)非系列标准换热器的一般设计步骤
①了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。
②由热平衡计算传热量的大小,并确定第二种换热流体的用量。
③决定流体通入的空间。
④计算流体的定性温度,以确定流体的物性数据。
⑤初算有效平均温差。
一般先按逆流计算,然后再校核。
⑥选取管径和管内流速。
⑦计算传热系数K值,包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算。
由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关,因此一般先假定一个壳程对流传热系数,以计算K值,然后再作校核。
⑧初估传热面积。
考虑安全系数和初估性质,常取实际传热面积是计算值的1.15~1.25倍。
⑨选择管长L。
⑩计算管数N。
⑾校核管内流速,确定管程数。
⑿画出排管图,确定壳径D和壳程挡板形式及数量等。
⒀校核壳程对流传热系数。
⒁校核有效平均温差。
⒂校核传热面积,应有一定安全系数,否则需重新设计。
⒃计算流体流动阻力。
如阻力超过允许范围,需调整设计,直至满意为止。
(2)系列标准换热器选用的设计步骤
①至⑤步与
(1)相同。
⑥选取经验的传热系数K值。
⑦计算传热面积。
⑧由系列标准选取换热器的基本参数。
⑨校核传热系数,包括管程、壳程对流传热系数的计算。
假如核算的K值与原选的经验值相差不大,就不再进行校核;
如果相差较大,则需重新假设K值并重复上述③以下步骤。
⑩校核有效平均温差。
⑾校核传热面积,使其有一定安全系数,一般安全系数取1.1~1.25,否则需重行设计。
⑿计算流体流动阻力,如超过允许范围,需重选换热器的基本参数再行计算。
从上述步骤来看,换热器的传热设计是一个反复试算的过程,有时要反复试算2~3次。
所以,换热器设计计算实际上带有试差的性质。
2.3.2传热计算主要公式
传热速率方程式
Q=KSΔtm (2-5)
式中?
Q——传热速率(热负荷),W;
K——总传热系数,W/(m2·
℃);
S