1、 第 2章 工艺计算2.1 设计原始数据表 21名称 设计压力 设计温度 介质 流量 容器类别 设计规范单位 Mpa / Kg/h / /壳侧 7.22 420/295 蒸汽、水 III GB150管侧 28 310/330 水 60000 GB1502.2 管壳式换热器传热设计基本步骤（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能（2）由热平衡计算的传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。（3）确定流体进入的空间（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据（5）计算有效平均温度差，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，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流
2、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传热系数，以计算 K，然后再校核（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的 1.151.25 倍（9）选取管长 0l（10）计算管数 TN（11）校核管内流速，确定管程数（12）画出排管图，确定壳径 和壳程挡板形式及数量等iD（13）校核壳程对流传热系数（14）校核平均温度差（15）校核传热面积（16）计算流体流动阻力。若阻力超过允许值，则需调整设计。第 2章 工艺计算2.3 确定物性数据2.3.1 定性温度由饱和水蒸气表可知，蒸汽和水在 p=7.22MPa、t295情况下为蒸汽，所以在不考虑开工温度
3、、压力不稳定的情况下，壳程物料应为蒸汽，故壳程不存在相变。对于壳程不存在相变，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。其壳程混合气体的平均温度为：t= （2-1）4209537.管程流体的定性温度：T= 3102根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。2.3.2 物性参数管程水在 320下的有关物性数据如下：【参考 物性数据 无机 表1.10.1】表 22密度 i-=709.7 /m 3定压比热容 cpi=5.495 kJ/ .K热导率 i=0.5507 W/m.粘度 i=85.49 Pa.s普朗特数 Pr=0.853壳程蒸气在 357.5 下的物性数据 1：【锅炉手册 饱和水蒸气表
4、】表 23密度 o=28.8 /m 3定压比热容 cpo=3.033 kJ/ .K热导率 o=0.0606 W/m.粘度 o=22.45 Pa.s普朗特数 Pr=1.1222.4估算传热面积2.4.1 热流量根据公式（2-1）计算：【化原 4-31a】 （2-2）pQWct将已知数据代入 （2-1）得：=600005.495 (330-310)/3600=1831666.67W1pCt 310式中： 工艺流体的流量，kg/h；1W工艺流体的定压比热容，kJ/ .K；pC工艺流体的温差，；1tQ热流量，W。2.4.2 平均传热温差 根据 化工原理 4-45 公式（2-2）计算：（2-3）12ln
5、mt按逆流计算将已知数据代入 （2-3）得：12403102954.86lnlnmt第 2章 工艺计算式中： 逆流的对数平均温差，；mt热流体进出口温差，；1冷流体进出口温差，；2t可按图 2-1 中（b）所示进行计算。图 2-1 列管式换热器内流型2.4.3 传热面积根据所给条件选定一个较为适宜的 值，假设 =400 W/m2.K 则估算传热面积为:K（化工原理 式 4-43） （2-4）mtQS将已知数据代入 （2-3）得： 2m39.1086.40713tmKQS式中： S估算的传热面积， ；2假设传热系数，W/m 2.；K平均传热温差，。mt考虑的面积裕度，则所需传热面积为:（2-5）
6、28.15.8125. mS2.4.4 热流体用量 根据公式（2-4）计算：由化工原理热平衡公式pQWct将已知数据代入 （2-4）得： （2-kg/h68.17392)5420(3.6.1822 tCQWp6）式中 热流量，W； 定压比热容，kJ/ .； 2pc热流体的温差， ； t热流体的质量流量， 。 2 kg/h2.5 工艺尺寸2.5.1 管数和管长1.管径和管内流速根据红书 表 3-2 换热管规格表 2-4材料 钢管标准 外径 厚度/（mm mm）外径偏差/mm壁厚偏差碳钢 GB8163 25 2.5 20.%102根据 红书 表 3-4 取管内流速 smi/1u管程数和传热管数依红
7、书 3-9 式 ，可根据传热管内径和流速确定单管程传热管数undqv24（根） (2-758.4102.4796n2 ivs第 2章 工艺计算7)式中 qv管程体积流量， ； s3m单程传热管数目； n传热管内径， ； id管内流体流速， 。 us按单管程计算,依红书 3-10,所需的传热管长度为(2-8)mndAsop 3.21750.81L式中 L按单程管计算的传热管长度，mAp传热面积， ；2do换热管外径，m 。按单管程设计，传热管过长，则应采用多管程，根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长 ,则该换热器的管程数为l6（管程） (2-456.321lLNp9)传热管总根数 （
8、根） (2-10)30475npsT式中， 管子外径， ；0dm传热管总根数，根；TN管子外径， ；03.换热器的实际传热面积，依据红书 3-12，（2-20 3.140625.143mlNdAT11）式中， 。换 热 器 的 实 际 传 热 面 积换 热 器 的 总 传 热 管 数 ；NT2.5.2 平均传热温差校正及壳程数 选用多管程损失部分传热温差，这种情况下平均传热温差校正系数与流体进出口温度有关，其中按红书 3-13a 3-13b（2-12）12TRt热 流 体 的 温 差冷 流 体 的 温 差（2-13）21tPT冷 流 体 的 温 差两 流 体 最 初 温 差将已知数据代入（2-
9、12）和（2-13）得： 124095.731TRt210.24tPT按单壳程，四管程结构，红书图 3-7，查得校正系数 ： 1图 2-2 温差校正系数图第 2章 工艺计算；0.96t平均传热温差 按式（2-9）计算：（2-14）mt塑将已知数据代入（2-9）得：0.9641.80.2mt C。塑式中 ： 平均传热温差，；mt校正系数；t未经校正的平均传热温差，。塑由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流量较大，故取单壳程合适。传热管排列方式：采用正三角形排列每程各有传热管 75 根，其前后官箱中隔板设置和介质的流通顺序按 化工设计 3-14 选取取管心距：（2-15） 01.28td
10、则管心距： m3258.1d2.ot根据标准选取为 32mm：隔板中心到离其最近一排管中心距（2-16）ts2632各程相邻传热管的管心距为 2s=44mm。每程各有传热管 75 根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按图 2-4 选取。图 2-3 组合排列法图 2-4 隔板形式和介质流通顺序第 2章 工艺计算壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按式计算。正三角形排列，4 管程，取管板利用率为，则壳体内径为0.7.860， 取. （2-)m(5.697.03205.15.1NTtD17）式中：D壳体内径,m;t管中心距,m;T横过管束中心线的管数按卷制圆筒进级挡圆整，取为 D=700mm。2.
11、5.3 折流板管壳式换热器壳程流体流通面积比管程流通截面积大，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。单壳程的换热器仅需要设置横向折流板。采用弓形折流板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 20%25%，取 25%，取则切去的圆缺高度为：mm （2-18） 0.2571h故可取 180mmh取折流板间距 ，则DB3.（2-19）)(2107.0m可取为 B=250mm。折流板数 NB（2-20）（ 块 ）折 流 板 间 距传 热 管 长 231-506-折流板圆缺面水平装配。 化工设计 图 3-15图 2-5 弓性折流板（水平圆缺）2.5.4 其它附件拉杆 拉杆数量
12、与直径：由化工设计表 4-7 表 4-8 该换热器壳体内径为 700mm，故其拉杆直径为 16 拉杆数量为 6 个。 2.5.5 接管依据化工原理 式 1-24 ，壳程流体进出口接管：取接管内水蒸气流速为 4.42m/s，则接管内径为u1（2-)(29.04.8.36179V4D11 mu）（21）圆整后可取内径为 150mm。1管程流体进出口接管：取接管内液体流速为 1m/s，则接管内径为u2)(173.01.93604VD22 mu）（圆整后取管内径为 =180mm。式中： 接管内径， ；m流速， ；u/s第 2章 工艺计算V 热、冷流体质量流量，kg/s。2.6 换热器核算2.6.1 热
13、流量核算2.6.1.1 壳程表面传热系数壳程表面传热系数用克恩法计算，见式 红书 3-22（2-14.0)(Pr3Re5.0136.o wd22） 当量直径，依式红书 3-32b 计算：（2-23）dtoe)423(2将已知数据代入 （2-23）得 ： )(02.025.).43(4)23(4d2 mtoe 式中 当量直径， ；em管心距， ；t管外径， 。0d壳程流通面积依红书式 3-25 计算 )1(StBDdoo（2-)(038.)2.5(7.025)1( 2mtBDdSoo 2(1)dsBDt24） 式中 折流板间距， ；Bm壳体内径， ；Dt管心距， ；do管径， ；S壳程流通面积，
14、 。2依据红书计算步骤，壳程流体流速及其雷诺数 分别为（m/s） （2-415.038.)26(179Suo V25）（2-72.135045.2.udRe6eo26）普朗特数 12.Pr黏度校正 )(4.0壳程表面传热系数 ）（ 2315.01o W/m5.6823762.036. 4.)(PrRe wd（2-27）式中 壳程流体流速， ；2u/ms壳程流通面积， ；s2密度，3/kg热流体的质量流量， 。m/kgh2.6.1.2 管内表面传热系数第 2章 工艺计算管程流体流通截面积（2-)(0236.75.04nd42i mNTiS28）管程流体流速（m/s）1ui雷诺数 （2-29）1.
15、60349.85270Riide普朗特数 3.rP按化工原理 式 得4.08.re2.0dii（2-30） ）（ 24.08.04.8.0 W/m5.63162.573.0PrRe.ii式中： 雷诺数；e当量直径， ；dm管程流体流速， ；iu/s密度， ；i3/kg粘度，Pa.s。 i普朗特数；Pr定压比热容，kJ/.；pic粘度，Pa.s；i热导率，W/m.。i2.6.1.3 污垢热阻和管壁热阻污垢热阻和管壁热阻可取 ：化工原理附录 201管外侧污垢热阻 （ /W）40859.Ro2m管内侧污垢热阻 （ /W）管壁热阻按红书 式计算， 1查 表可得碳钢在该条件下的热导率为 ：40/(.)W
16、mK（2-31）wbR将已知数据代入 （2-31）得：)/(1024.24WKmbw式中： 管壁热阻， ；wR2./mKW传热管壁厚， ；b管壁热导率，W/m.。2.6.1.4 传热系数 cK按红书 3-21 计算：因为 i值更小，故按 Ki 计算（2-32） i0oi 11RdimiwiC将已知数据代入（2-32）得：)5.6210859.02.1025189.025.68(1 444 KC1.342.6.1.5 传热面积裕度 红书 3-35 KmW2/第 2章 工艺计算（2-33）)(42.168.34617mQtKAmC该换热器的实际换热面积 A（2-34）)(3.05.12lNdTo依
17、红书 式 3-36 该换热器的面积裕度为（2-35）%79.142.63%0CH该换热器的面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.6.2 壁温核算2.6.2.1 温差计算由于工作条件是高温高压，与四季气温相差特别大。因此进出口温度可以取原操作温度。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温降低，降低了传热管和壳体之间的温差。但操作初期时，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁壁温差可能很大。计算中因按最不利的因素考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。由 红书 3-42 式计算：（2-36）RtThcmcmw1)()(t液体的平均温度 按红书 3-44 和 3-45 式 tm126.04
18、.t计算有：（） （2-37）31806.34.0tm（W/ ）.82hoc 2m（W/ ）56i代入 2-36 式 传热管平均壁温（） （2-36.85.216.85371Thtcmw38）式中： 热流体进口温度，；1T热流体出口温度，；2冷流体进口温度，；1t冷流体出口温度，。2壳体壁温，可以近似取为壳程流体的平均温度，即 t=357.5。传热管壁温和壳体壁温之差为（） （2-7.208.365.7t39）该温差较大，需设温度补偿器。由于水和水蒸气不容易结垢，不需要经常清洗，因此选用 U 型管换热器较为适宜。2.6.2.2 管程流体阻力 依式（2-29）（2-36）12()i ptpNF其
19、中 4pN1.5tF式中 ：管程数；p管程总阻力， ；iPa管程结垢校正系数，对 的管子，取 1.5；tFm5.2（2-37）iilupd由 Re=166031 查化原表 1-2传热管绝对对粗糙度 02.传热管相对对粗糙度 1第 2章 工艺计算查化工原理 图 1-27 莫狄 图eR得 021.i，将已知数据代入（2-37）得：sm/1u/kg7.093，ip2iluda5.2317.092.601. P式中： 摩擦系数；i管长， ；lm传热管内径， ；id冷流体密度， ；3/kg管内流速， ；us单程直管阻力， 。ipPa局部阻力按式（2-37）计算，（2-38）2rup将已知数据代入（2-3
20、1）得： Paur 8.159627.03p2式中： 局部阻力， ；rpPa局部阻力系数；冷流体密度， ；3/kgm管内流速， ；us管程总阻力为：（2-a6.45987.12)8.1596.23(p Pt 39）管程流体阻力在允许范围之内。2.6.2.3 壳程阻力 按式红书 式 3-50 3-54 计算：（2-40）12()ospFN其中 ， 1sNsF式中 壳程总阻力， ；opPa流体流过管束的阻力， ；1流体流过折流板缺口的阻力， ；2 Pa壳程结垢校正系数；sF壳程数； N流体流经管束的阻力按（2-41）计算（2-41）2 010(1)cBupFfnN将已知数据代入（2-340）得：
21、a10.28.)13(05.932.50p 5Po 式中 流体流过管束的阻力， ；1 Pa管子排列方式为正三角形，所以 ；F0.5F壳程流体的摩擦系数， ；0f 352.01.6Re. 2828oof横过管束中心线的管子数 ；cn 93.N1.500.5TnC折流挡板数 ；BN23BN热流体密度， ；/kgm按壳程流通面积计算的流速 ； 0u s/m415.uo流体通过折流板缺口的阻力 依式（2-34）计算：第 2章 工艺计算（2-34） 2 02(3.5)BupND，m.07.将已知数据代入（2-35）得： a3.92108.27.05.32p KPi ）（式中 折流板板数；BN折流板间距，
22、 ；m壳体内径， ；D热流体密度， ；3/kg壳程流体流速， ；0us流体流过折流板缺口的阻力， ；ipPa总阻力： aKa5103.2.92.1p由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。2.7 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见表 2-5。表 2-5 换热器主要结构尺寸和计算结果参数 管程 壳程流量/（kg/h） 600000 17393进/出口温度/ 310/330 420/295压力/MP a 28 7.22定性温度/ 320 357.5密度/m 3 709.7 28.8定压比热容/kJ/(/) 5.495 3.033黏度/p as 5
23、108.495104.2导热率/W/m 0.5507 0.0606物性普朗特数 0.853 1.122形式 U 型管 台数 1壳体内径/mm 700 壳程数 1管径/mm 25 2.5 管心距/mm 32管长/mm 6000 管子排列 管数目/根 300 折流板个数/个 23传热面积/m 2 126.4 折流板间距/mm 210设备结构参数管程数 4 材质 碳素钢主要设计结果 管程 壳程流速/(m/s) 1 4.42表面传热系数/W/(m 2) 562.5 682.6污垢热阻/(m 2/W) 410859.410859.阻力/MP a 111.2 KPa 92.3 KPa热流量/kW 1831.67传热温差/ 22.7传热系数/W/(m 2) 346.1裕度/% 11.79
