储罐内加热盘管的设计与计算

CHEMICAL ENGINEEＲING DESIGN化工设计2013，23(3)储罐内加热盘管的设计与计算何文静*华陆工程科技有限责任公司西安710065摘要本文介绍储罐内加热盘管的传热与压降计算，确定盘管的加热面积，实例介绍在实际工程中的应用。

关键词内加热盘管储罐化工生产过程中，当储罐贮存具有高粘度或高凝固点的液体时，为保持其流动性，防止物料凝固，需要加热或保温。

内加热盘管是较常用的一种储罐加热器，又称为沉浸式蛇管换热器。

本文主要讨论储罐内加热盘管传热的计算，以及盘管加热面积的确定。

利用该方法设计计算的储罐内加热盘管，已经应用到某粗苯精制项目中。

1储罐内加热盘管的特点及设计原则1.1储罐内加热盘管的优缺点内加热盘管的特点是结构简单、造价低、操作管理方便、管内可承受高压、安装灵活、可以适应容器的形状，弯曲成圆柱形或平板等形状，也可并联若干组以增加传热面积，甚至可在同一设备中采用两组独立的盘管，通入不同的热载体以充分利用热量。

但由于储罐的体积相对较大，储罐内流体的流速必然很低，所以管外给热系数也相对较小，这将影响总传热系数的提高。

此外，盘管本身通过的能力有限，而且管内难以清洗，故只适于传热负荷不是很大的场合及较清洁的流体，为提高盘管外侧的给热系数，往往安装搅拌装置，以强化传热过程，提高总传热效率。

1.2储罐内加热盘管的设计原则（1）当采用液体作为加热或保温介质时，为使盘管中充满液体，应从盘管下端送入液体；当采用蒸汽或低压热源时，为避免水锤或阻塞，应从上端送入蒸汽，下端排出凝液。

（2）内加热盘管不宜过长，否则会增加流体阻力，消耗过多能量。

当采用蒸汽为加热源时，蒸汽在盘管内发生冷凝，易产生凝液排出困难和冲击振动，还可能发生不凝性气体聚集于盘管的上部，很难排出，影响冷凝效果。

所以当所需的传热面积较大时，宜采用若干组盘管并联来解决。

（3）内加热盘管直径不宜过大，直径过大加工制造有困难，一般常用管径在DN25 65范围。

为防止盘管的压降过大，限制管内流速在0.3 0.8m/s，对于气体，质量流速可以控制在3 10kg/（m2·s）。

（4）盘管内外圈之间的间距一般为2 3do （其中do为盘管外径），上下圈的垂直距离h应保持在1.5 2.0d o，而最外圈与储罐壁间的最小距离为100 200mm。

（5）在设计计算时，首先应根据管内流体的物性，选择适宜的流速，决定盘管直径及并联组数m，然后进行传热计算，求得传热面积，计算管长和圈数n。

以及盘管的几何尺寸。

已知体积流量V0，则根据选定流速v，计算盘管并联组数m：m=4V/（πd2iv）（1）盘管总长L t：Lt=a/（πdo）（2）每组长L：L=Lt/m（3）每圈盘管长l：l=（пDc）2+槡h≈πD c（4）每组的总圈数n：n=L/l（5）盘管高度L c：Lc=nh（6）01*何文静：工程师。

2002年毕业于西北大学精细化工专业。

一直从事化工工艺设计工作。

联系电话（029）87988609，E－Mail：hwj1935@。

DOI:10.15910/ki.1007-6247.2013.03.0132013，23(3)何文静储罐内加热盘管的设计与计算2储罐散热的计算2.1储罐外部有蒸汽伴管伴热时的热损失计算储罐中介质的凝固点、粘度较大，工艺介质需要维持的温度较高，一般采用伴热保温的形式，伴热保温通常使用蒸汽伴热，此时，储罐散热量计算采用公式：=K 0A 0△t 0（7）K 0=11α0+1α1+δλ0（8）保温设备内介质对外壁的传热一般忽略不计，这样储罐外壁温度t w0与设备内工作温度t 可视作相同，则：△t 0=t w 0－t a =t －t a（9）2.2储罐外部无伴热时的热损失计算储罐外部无伴热，而只是保温时，热损失计算采用公式：=q A 0（10）q =t －t aδλ0+1α0（11）3储罐内盘管的传热计算3.1盘管内的给热系数3.1.1无相变强制对流给热系数（1）对气体h i d i k =Pr26.2（Pr 2/3－0.074）Ｒe 0．8·d i D ()c0．11+0.098Ｒe （d i /D c ）[]21/{}5（12）此公式适用范围为Pr ≈1；Ｒe （d i /D c ）2＞0.1。

（2）对液体h i d i k =Pr 0.441.0Ｒe 5/6d iD ()c 1/12·1+0．061Ｒe （d i/D c）[]{}2.51/6（13）此公式适用范围为Pr ＞1；Ｒe （d i /D c ） 2.5＞0.4。

3.1.2冷凝给热系数蒸气在盘管内的冷凝给热系数与水平管内冷凝时相近，计算水蒸气在盘管内冷凝时的给热系数公式：h i =388（k i /d i ）（D c /d i ）－0.54Γ/（3.6）μ[]f 0．15（14）3.2盘管外的给热系数由于盘管外容器容积很大，通常可作为自然对流考虑。

在Pr ≥0.7时：N u =C o （GrPr ）n=h o d e λ1（15）Pr =C μλ1（16）Gr =d o 3ρ2g βΔtμ2（17）β=ρ－ρw ρw Δt =ρ－ρwρw （t w －t ）（18）壁温t w 需满足公式：t w =T －k （1h i +γi ）Δt =t +k （1h o+γo ）Δt （19）采用试差的方法确定壁温，得出h o 。

根据公式，求得K 值［6］：1K =1h o +γo +γi d o d ()i +1h id od ()i+t s γd o d ()i（20）d m =d o －d iIn （d od i）（21）根据公式：=K A Δt（22）可得出A 值，然后再设计盘管的几何尺寸。

4计算实例某装置苯、甲苯混合物常压中间储罐，规格为Φ9000ˑ16500mm ，V =1000m 3，外界环境平均温度t a 为13.1ħ，进出物料温度t 为50ħ，要求维持该温度的热源为0.4MPa （G ）的低压水蒸汽，计算内加热盘管的加热面积及管内压降。

4.1计算热负荷和蒸汽用量已知条件：物料温度为50ħ；外界环境平均温度t a 为13.1ħ；根据项目的材控规范，平壁保温层厚度δ为0.07m ，保温材质为岩棉；根据规范（SHJ 10－90），表面给热系数α为11.6W /（m 2·ħ）；岩棉的导热系数λ0为0.046+0.00018t m ，t m =12（t +t a ），故λo =0.052W /（m 2·ħ）。

11CHEMICAL ENGINEEＲING DESIGN化工设计2013，23(3)储罐外壁无伴管加热，罐壁散热量的计算采用式（10）和（11）：q=50－13.10.070.052+111.6=25.8W/m2Q=qA=25.8ˑ（3.14ˑ9ˑ16.5+2ˑ3.14ˑ4.52）=15311W=13187kcal/hr0.4MPa（G）的蒸汽汽化潜热为504kcal/kg，故蒸汽质量流量为：w=13187504=26.2kg/hr。

4.2确定盘管直径取DN40的盘管，查得0.4MPa（G）的低压水蒸汽密度ρi为2.67kg/m3，可计算流速为：v=26.20.785ˑ3600ˑ0.042ˑ2.67=2.2m/s计算流量符合盘管内气体推荐流速的要求，最终选取DN40作为蒸汽盘管直径。

4.3盘管加热面积的确定4.3.1计算盘管内侧界膜导热系数hi已知条件：0.4MPa（G）的低压水蒸汽的导热系数k i为0.025kcal/（m·h·ħ）；DN40管子内径d i为0.0383m；考虑储罐直径及盘管的固定，Dc取6m；冷凝负荷Γ为w/π·d i=217.9kg/（m·h）；0.4MPa（G）的低压水蒸汽的粘度μf 为0.014cP。

采用公式（14）得内侧界膜导热系数：hi=388ˑ（0.025ː0.0383）ˑ（6/0.0383）－0.54ˑ［217.9ː（3.6ˑ0.014）］0.15=58.0kcal/（m2·h·ħ）4.3.2盘管外侧给热系数ho（1）求取普兰特准数Pr盘管外侧按自然对流考虑，已知条件：盘管外流体比热为0.44kcal/（kg·ħ）；其粘度μ为1.584kg/（m·h）（单位换算后为0.44ˑ10－3Pa·s）；介质导热系数λ1为0.12kcal/（m·h·ħ）。

由公式（14）得出：Pr=0.44ˑ1.5840.12=5.81（2）求取总传热系数K已知条件：DN40管子外径d o为0.0483m，其公称直径d e为0.04m；密度ρ为847kg/m3；系数Co 取0.47，n取1/4。

壁温的计算采用试差法。

假设壁温t w=72ħ，查得ρw为823.7kg/m3，由公式（18）得：β=0.847－0.82370.8237ˑ（72－50）=0.001286由公式（17）得：Gr=0.04833ˑ8472ˑ9.81ˑ0.001286ˑ（72－50）（0.44ˑ10－3）2=115.9ˑ106由公式（15）得：Nu=0.47ˑ（115.9ˑ5.81ˑ106）14=75.7ho=75.7ˑ0.120.04=227.1kcal/（m2·h·ħ）将h o=227.1kcal/（m2·h·ħ），t w=72ħ代入壁温计算公式（19），公式中盘管内流体温度T为152ħ；盘管内污垢系数γi为根据经验，取0.0001m2·h·ħ/kcal；盘管外污垢系数γ根据经验，取0.0003m2·h·ħ/kcal。

经计算得：k=72－50（1222.1+0.0003）ˑ102=45.9kcal/（m2·h·ħ）tw=152－45.9ˑ（158.0+0.0001）ˑ102=71ħ与假设t w=72ħ相比，浮动＜3ħ，所以t w=72ħ成立，此时ho=227.1kcal/（m2·h·ħ）。

根据公式（20）和公式（21），在盘管壁厚t s为0.005m、盘管导热系数λ为50kcal/（m·h·ħ）条件下：dm=do－diIn（dodi）=48.3－38.3In（48.338.3）=41.1mmtsλ=0.00550=0.0001m2·h·ħ/kcal1K=1227.1+0.0003+0.0001ˑ48.338.3+158.0ˑ48.338.3+0.0001ˑ48.343.1=0.02668m2·h·ħ/kcalK=37.5kcal/（m2·h·ħ）（3）确定盘管加热面积根据公式（22）得：A=QKΔt=1318737.5ˑ（152－50）=3.4m2212013，23(3)何文静储罐内加热盘管的设计与计算（4）确定盘管尺寸取DN40的无缝钢管，盘管圈径为6m，盘两圈，则此时实际加热面积为：A'=nπDc ·πde=2ˑ3.14ˑ6ˑ3.14ˑ0.04=4.7m2盘管总长：L t =nπDc=2ˑ3.14ˑ6=37.7m根据上述计算的结果，提出工艺设备数据表。