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管壳式换热器的设计计算

点击:2024 日期:[ 2014-04-26 21:39:35 ]
                                      管壳式换热器的设计计算                        王新                                              张湘凤     (盘锦职业技术学院辽宁盘锦124010)       (山东省化工规划设计院250013)     摘要:通过对管壳式换热器传热计算的分析,说明管壳式换热器的结构因素对换热器性能的影响和提高管壳式换热器性能的途径,为换热器的结构设计,提高换热器的性能提供借鉴和参考。     关键词:管壳式换热器   传热计算   结构设计   传热能力  影响     1·概述     管壳式换热器一般有三种结构型式:固定管板式、浮头式和U形管式。由于换热器的使用场合、使用目的、换热介质物性等因素的不同,决定了管壳式换热器的结构型式。固定管板式换热器结构简单、紧凑、造价低,每根换热管可以单独清洗和更换,在外形尺寸相同的条件下,与浮头式和U形管式换热器相比,换热面积大。由于固定管板式换热器的壳程清洗困难和适应热膨胀能力差,决定了固定管板式换热器适用于换热介质清洁,壳程压力不高,换热介质温差不大的场合。浮头式换热器由于管束的热膨胀不受壳体的约束,而且可拆卸抽出管束,检修更换换热管、清理管束和壳程污垢方便,因此,浮头式换热器应用最广泛,在油田储运集输系统中,60%~70%的换热器为浮头式换热器。U形管换热器具有良好的密封性能,并具有检修、清洗方便的特点。对于换热器换热介质工作压力高,管、壳程介质密封要求严的场合,为确保换热器管、壳程的密封,换热器管束的设计一般采用U形管结构的换热器。     2·管壳式换热器的传热计算     在管壳式换热器的设计中,要根据换热器的工艺条件初步确定换热器的传热系数,以便初步确定换热器的传热面积和结构尺寸。在初步确定换热器结构尺寸的基础上,对换热器的管程换热系数和壳程换热系数进行传热计算;最后进行核算,其中包括壳、管程压力降的核算,管束壁面温度的核算等。经过不断地调整换热器的结构尺寸,直至满足设计要求。下面以常见弓形折流板的管壳式换热器为例,说明管壳式换热器的传热计算。     2.1初步确定换热器的传热面积和结构尺寸     换热器的传热面积是由换热器的热负荷、传热系数和换热器冷、热介质的平均对数温差确定的,换热面积确定后,可以初步确定换热器的结构尺寸。换热器换热面积计算公式如下:          式中:A为传热面积,m2;Q为热负荷,W;K为传热系数,W/(m·2K);Δtm为平均对数温差,K。     2.2管程换热系数和壳程换热系数计算     (1)管程换热系数(h)i。可由下式计算:          式中:jk为传热因子;kf为管内换热介质平均温度下的导热系数,W/(m·K);d为换热管内径,m;C为管内换热介质工作压力下的比热容,J/(kg·K);μ为管束内换热介质平均温度下的粘度,mPa·s;Φ为管束内换热介质的粘度校正系数。     (2)壳程换热系数(h0)的计算。可由下式计算:          b为常数;Dc为换热器壳程当量直径,m;d0为换热器外径,m;k0为壳程内换热介质平均温度下的导热系数,W(/m·K);Re0为壳程内换热介质的雷诺数;Pr0为壳程换热介质的普朗特数。     通过对换热器管程和壳程换热系数的计算,若hi=1.1~1.2h0,说明换热器初步结构设计是合理的。在此基础上,对换热器的管程、壳程压力降、管壁温度等进行核算,如果满足设计要求,说明换热器的设计满足工艺流程要求;反之,需要重新调整换热器的结构,直到满足换热器的工艺流程条件。     2.3换热器传热系数(K)的计算     管、壳程换热系数都是以换热器传热系数的经验数据为基础的,若换热器传热系数的经验数据与经过理论计算而得到的传热系数相吻合,并且换热器的主要性能参数(如壳、管程的压力降,换热介质的出、入口温度等)满足工艺流程条件,说明换热器的整体设计是合理的,反之,需要重新调整结构尺寸,重新进行设计计算,直至满足设计要求。换热器传热系数(K)可由下式计算:          式中:r0为换热器管束外壁热阻,(m·2K)/W;ri为换热器管束内壁热阻,(m2·K)/W;rm为换热器管束管壁热阻,(m·2K)/W。     3·管壳式换热器的结构设计对换热器传热能力的影响     换热器的结构设计是否合理,直接影响换热器的传热能力。结构设计对管壳式换热器传热能力的影响主要有四个因素:换热器的设计,管、壳程分程设计,折流板的结构设计,管、壳程的进、出口设计等。     3.1换热器的设计     (1)换热器管形的设计。管子外形有光管、螺纹管。相同条件下,采用螺纹管管束比光管管束能增加换热面积2倍左右。同时,由于螺纹管的螺纹结构能有效破坏流体边界层,有效提高了换热器的传热能力。当壳程介质易结垢时,由于外螺纹管束沿轴向的胀缩作用使换热管外壁的硬垢脱落,具有良好的自洁作用,能够有效防止管束外壁的结垢,减小换热器壳程热阻,提高换热器的传热能力。     (2)换热器管径的设计。由于小直径换热管具有单位体积传热面积大,换热器结构紧凑,金属耗量少,传热系数高的特点,在换热器结构设计中,对于管程介质清洁、不易结垢的介质,采用小管径管束能有效增加换热面积。相同条件下,采用Φ19mm管束比采用Φ25mm管束能提高传热面积30%~40%,节约金属20%以上。     (3)换热管排列方式的设计。管子的排列方式有等边三角形、正方形和同心圆排列等,对于壳程介质不易结垢或可用化学方法清洗污垢的介质,采用三角形排列可使换热器的外径减小15%;对于需要机械清洗的管束,管子排列应采用正方形;对于小于300mm的换热器,为使管束排列紧凑,可采用同心圆排列。     3.2管、壳程分程设计     (1)管程分程设计。当需要的传热面积很大,换热管长度太长(对卧式换热器管长比壳径比超过6~10,立式换热器超过4~6时),采用单管程换热器使管程流速很低时,可采用管程分程的办法来提高管程换热介质的流速。因为决定管程介质的流态的雷诺数Rei与管程介质流速成正比,为提高换热器管程换热系数hi,可采用管程分程的办法提高管程换热系数。     (2)壳程分程设计。为了提高换热器传热能力,且不使换热管太长,壳程利用横向折流板或纵向折流板分程。壳程分程可增加对壳程换热介质的扰动,使壳程换热介质流速增加,流程加大,换热介质横向冲刷扰动加大,提高换热器传热能力。     3.3折流板的结构设计     折流板的结构设计包括型式的确定,形状的设计,缺口高度设计和折流板间距设计。换热器壳程折流板可分为横向折流板和纵向折流板,由于壳程加装纵向折流板在制造工艺上较困难,而且造成壳程压降增加,因此一般采用壳程加装横向折流板。壳程加装横向折流板后,壳程换热介质雷诺数Re0≥100时,壳程介质即达湍流,能有效提高换热器的传热能力,横向折流板常采用弓形和盘-环形,弓形折流板加工、制造和组装较方便,使用最普遍,盘-环形折流板主要用于小型换热器中。在换热器结构设计中,合理设计折流板间距是保证壳程换热介质的压力降满足设计要求的关键。     3.4管、壳程进、出口的设计     (1)管程进、出口管的设计。管程进、出口管径在考虑管程压降允许的条件下,通过计算确定管径,其计算公式为ρω2<3 300(ρ为管程介质密度,kg/m3;ω为管程介质进、出口流速,m/s)。为保证管程流体的均匀分布,充分发挥换热管的换热性能,管程进、出口应设置在换热器管程的底部和顶部。     (2)壳程进、出口的设计。由于壳程换热介质入口横向冲刷管束,对管束产生磨损和振动,对换热器的使用寿命影响较大,特别是壳程换热介质流速较高或介质中含有固体颗粒。为保证换热器的使用性能,可在壳程入口加装防冲板,对介质冲刷起到缓冲的作用,保护管束不受冲击;为避免壳程入口流速过高,壳程介质流速有一定的限制:ρω2<2 200。      4·提高管壳式换热器传热能力的措施     管壳式换热器的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数和换热器冷、热介质的对数平均温差决定的,因此,提高管壳式换热器传热能力的措施包括以下几点。     4.1提高管壳式换热器冷、热介质的平均对数温差     冷、热介质平均对数温差除直接受冷、热介质进出口温度影响外,还受到冷、热介质的流动方向和换热流程的影响。当换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时,两种流体逆流平均温差最大,顺流平均温差最小,在实际换热器设计中,冷、热流体多采用交错流方式,其平均对数温差介于逆流和顺流之间。因此,在设计中应尽量增加换热器冷、热流体的逆流比例,提高冷、热流体的对数平均温差,提高换热器的传热能力。     4.2合理确定管程和壳程介质     在换热器设计中,对于壳程安装折流板的换热器来说,Re>100时,壳程介质即达湍流,因此,对于流量小或粘度大的介质优先考虑作为壳程换热介质;由于管程清洗相对于壳程清洗要容易,因此对于易结垢、有沉淀及杂物的介质宜走管程;从经济性考虑,对于高温、高压或腐蚀性强的介质,作为管程换热介质更加合理;对于刚性结构的换热器,若冷、热介质温差大,因壁面温度与换热系数大的介质温度接近,为减小管束与壳体的膨胀差,换热系数大的介质走壳程更加合理,而冷、热介质温差小,两介质换热系数相差大,换热系数大的介质走管程更加合理。     4.3采用强化管壳式换热器传热的结构措施     在换热器设计中,通常采用强化传热的措施来提高换热器的传热能力。强化传热的常用措施有:采用高效能传热面、静电场强化传热、粗糙壁面、搅拌等。     5·结束语     换热器是石油、化工中重要的热工设备,对换热器进行科学的计算,对换热器的结构进行合理的设计,是换热器性能的重要保证。换热器的热工计算是换热器设计的基础,也是换热器结构设计的前提,因此在换热器的设计中,只有经过对换热器结构参数的不断调整,反复计算,才能使换热器的性能更高,设计更加合理。     参考文献     1·朱聘冠.换热器原理及计算[M],北京,清华大学出版社,1987。
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