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充分利用压降优化换热器设计

时间:2015-12-24  来源:中国反应釜网  作者:[db:作者]  浏览次数:269

  换热器广泛应用于化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。换热器的种类很多,但管壳式换热器以其制造容易,生产成本低,选材范围广,清洗方便,适应性强,处理量大,工作可靠的优点,被广泛应用,尤其是在化工、石油、能源等行业中。但在我国对管壳式换热器的设计还不尽完善。

  1管壳式换热器设计的现状尽管在我国管壳式换热器应用历史悠久,但对其设计仍然采用传统的设计方法。管壳式换热器传统设计的基本步骤为:初步选定换热器的流动方式,计算Ft.若Ft< 0.8,设计多壳程或多个换热器串联。

  由A1初选换热器型号并确定主要结构参数。

  计算传热膜系数h、传热膜系数h、传热系数K.若K与K1相差很大,重新假设K1,直至K与K1很接近。

  计算管程压降  折流板间距。

  计算总传热系数,校核传热面积。该方法也称为平均温差法(LMTD)。

  除LMTD法外,e-NTU法也常用。对设计计算来说,这2种方法的计算工作量差不多,但采用LMTD法可以由Ft值的大小,判断换热器流动形式是否合理,从而有助于流动形式的选择。通过e-NTU法进行设计计算选型(多程管壳式换热器)时,必须使用试算方法。

  国外Bell-Delaware详细设计法其设计思路相同,惟一差别是采用了不同的计算传热膜系数和压降的公式。BelHDelaware法在公开中被认为是最好的设计方法。

  无论是何种方法,在设计中往往是只要求Ap,  2影响换热器压降的因素2.1管壳式换热器的结构传统的管壳式换热器的折流板采用弓形板式支撑。弓形折流板的设置提高了壳程内流体的流速和湍流的程度,提高了传热效率。但是流体在壳程内的流动时而垂直于管束,时而又平行于管束,从而增加了流体的流动阻力。

  折流杆式换热器以杆式支撑替代原弓形挡板,具有抗振、高效、低压降等优点。其与传统的折流板管壳首先假定/(1=由以4上对影响换热器压降因素的分析可知,P在1ishi81.58ume.从固定管板式换热器型/号标准中查到500式换热器相比较,在内部结构上有较大变化。壳程内部采用折流杆组成的折流栅做管间支撑,从而使壳程流体由横向流动变为平行流动,这不仅较大减少了传热死区,而且大幅度减少了流体因反复折流而造成的壳程流体阻力损失。壳程流体在非传热界面区域,如管间支撑物的局部处,形体阻力损失很小,而大部分的流体压降可用来促进传热界面上的流体湍流,从而在低输送功的情况下,获取较高的传热膜系数。如某厂应用同种负荷的折流杆换热器与折流板换热器,折流杆换热器压降减少到50%,设备总传热系数提高35%.因此在一定的雷诺数下,采用折流杆式换热器替代传统的折流板换热器具有优越性。

  2.2管程数管侧压降随着管程数的增加而明显增加。而管程数增加影响到流速,并进而影响传热系数。在湍流的条件下,管侧的给热系数和流速的0.8次方成正比,而压降与流速的平方成正比。由此可知,管程数对压降的影响要比传热系数影响大,因此可以找到一个合适的流速。既然管程数对压降和传热系数有很大影响,为了提高传热系数,在压降允许的范围内应该尽量选用大的管程数。

  2.3壳直径壳直径越小,所排的管子根数越少,相对来说流体流速越大,传热系数越高,压降越大。从制造费用来讲,壳直径越小,制造费用越低,所以在设计时应该尽量选用小直径的壳体。

  2.4壳侧折流板间距幻折流板间距影响着壳侧流体的流速和湍动程度,从而影响着壳侧压降及给热系数。壳侧湍流时,给热系数与流速的0.60.7次方成正比,而压降同流速1.72. 0次方成正比。壳侧层流时,指数对给热系数变为0.33,对压降变为1.0进行。

  表示了该设计方法。首先根据温差校正系数Ft和进行换热的2流体之间的平均温度差Atm,在假定传热系数的情况下,计算换热面积Ai,在标准中选用与此面积相当的型号。选用的原则是先选定最小壳径最大管程数的型号。根据此型号计算管侧压降。如果该压降大于规定的许用值,则选用小一号管程数的型号继续计算压降,直至满足压降要求。如果管程数等于1时,压降仍然不能满足要求,则需要加大壳径,选下一个型号,再继续计算直至找到满足管侧压降要求的壳径及管程数。接着计算壳侧压降,首先从最小折流板间距开始计算(折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的1/5)。如果壳侧压降大于允许值,则增加折流板间距,再重新计算,直至壳侧压降满足要求。如果当折流板间距达到极值时,仍然无法满足要求,则增大壳径到标准的下一个序列,再重新按上面程序计算,直至找到合适型号的换热器,满足传热和压降的要求。

  4应用实例设计一氮肥厂折流板式主换热器。已知半水煤气进口温度154°C,出口温度261.9°C.变换气进口温度380°C,出口温度278°C.Q=868.89kW.假定换热器的管程与壳程的允许压降均为5kPa,污垢系数为X6000,其换热面积为80.6m2,核算该面积换热器。按照上述方法依次计算表中规格,计算结果见表1表1计算结果表规格面积/m2传热量传热速率管程压降/kPa壳程压降/kPa费用/元根据计算结果可知,800X2000规格的换热器即可满足要求。而同样负荷要求下,实际换热器采用了1000X3000规格,远远超出实际需要,费用增加58%,换热器的压降变化不大。选用过大换热面积,不仅增加了设备投资费用,而且会减少流体的实际流速,从而造成污垢堆积严重。

  5结论本文所采用的设计方法,可在保证换热负荷和允许压降的情况下,设计出固定费用最少的换热器。

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