管壳式换热器的设计和选型
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管壳式换热器的设计和选型
管壳式换热器是一种传统的标准换热设备,它具有制造方便、选材面广、适应性强、处理量大、清洗方便、运行可靠、能承受高温、高压等优点,在许多工业部门中大量使用,尤其是在石油、化工、热能、动力等工业部门所使用的换热器中,管壳式换热器居主导地位。为此,本节将对管壳式换热器的设计和选型予以讨论。
(一)管壳式换热器的型号与系列标准
鉴于管壳式换热器应用极广,为便于设计、制造、安装和使用,有关部门已制定了管壳式换热器系列标准。
1.管壳式换热器的基本参数和型号表示方法
(1)基本参数管壳式换热器的基本参数包括:
①公称换热面积;
②公称直径;
③公称压力;
④换热器管长度;
⑤换热管规格;
⑥管程数。
(2)型号表示方法管壳式换热器的型号由五部分组成:
1──换热器代号
2──公称直径DN,mm;
3──管程数:ⅠⅡⅣⅥ;
4──公称压力PN,MPa;
5──公称换热面积SN,m2。
例如800mm、0.6MPa的单管程、换热面积为110m2的固定管板式换热器的型号为:G800 I-0.6-110
G──固定管板式换热器的代号。
2.管壳式换热器的系列标准
固定管板式换热器及浮头式换热器的系列标准列于附录中,其它形式的管壳式换热器的系列标准可参考有关手册。
(二)管壳式换热器的设计与选型
换热器的设计是通过计算,确定经济合理的传热面积及换热器的其它有关尺寸,以完成生产中所要求的传热任务。
1.设计的基本原则
(1)流体流径的选择流体流径的选择是指在管程和壳程各走哪一种流体,此问题受多方面因素的制约,下面以固定管板式换热器为例,介绍一些选择的原则。
①不洁净和易结垢的流体宜走管程,因为管程清洗比较方便。
②腐蚀性的流体宜走管程,以免管子和壳体同时被腐蚀,且管程便于检修与更换。
③压力高的流体宜走管程,以免壳体受压,可节省壳体金属消耗量。
④被冷却的流体宜走壳程,可利用壳体对外的散热作用,增强冷却效果。
⑤饱和蒸汽宜走壳程,以便于及时排除冷凝液,且蒸汽较洁净,一般不需清洗。
⑥有毒易污染的流体宜走管程,以减少泄漏量。
⑦流量小或粘度大的流体宜走壳程,因流体在有折流挡板的壳程中流动,由于流速和流向的不断改变,在低Re(Re>100)下即可达到湍流,以提高传热系数。
⑧若两流体温差较大,宜使对流传热系数大的流体走壳程,因壁面温度与α大的流体接近,以减小管壁与壳壁的温差,减小温差应力。
以上讨论的原则并不是绝对的,对具体的流体来说,上述原则可能是相互矛盾的。因此,在选择流体的流径时,必须根据具体的情况,抓住主要矛盾进行确定。
(2)流体流速的选择流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速,可加大对流传热系数,减少污垢的形成,使总传热系数增大;但同时使流动阻力加大,动力消耗增多;选择高流速,使管子的数目减小,对一定换热面积,不得不采用较长的管子或增加程数,管子太长不利于清洗,单程变为多程使平均传热温差下降。因此,一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表4-14至表4-16列出了常用的流速范围,可供设计时参考。选择流速时,应尽可能避免在层流下流动。
表4-14 管壳式换热器中常用的流速范围
流体的种类一般流体易结垢液体气体
流速,m/s 管程0.5 ~3.0 > 1.0 5.0 ~30
壳程0.2 ~1.5 > 0.5 3.0 ~15
表4-15 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速
液体粘度,mPa•s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100 ~35 35 ~ 1 < 1
最大流速,m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4
表4-16 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度
液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮
安全允许速度,m/s < 1 < 2 ~3 < 10
(3)冷却介质(或加热介质)终温的选择在换热器的设计中,进、出换热器物料的温度一般是由工艺确定的,而冷却介质(或加热介质)的进口温度一般为已知,出口温度则由设计者确定。如用冷却水冷却某种热流体,水的进口温度可根据当地气候条件作出估计,而出口温度需经过经济权衡确定。为了节约用水,可使水的出口温度高些,但所需传热面积加大;反之,为减小传热面积,则可增加水量,降低出口温度。一般来说,设计时冷却水的温度差可取5~10℃。缺水地区可选用较大温差,水源丰富地区可选用较小的温差。若用加热介质加热冷流体,可按同样的原则选择加热介质的出口温度。
(4)管子的规格和管间距
①管子规格管子规格的选择包括管径和管长。目前试行的管壳式换热器系列只采用25×2.5mm及19×2mm两种管径规格的换热管。对于洁净的流体,可选择小管径,对于易结垢或不洁净的流体,可选择大管径。管长的选择以清理方便和合理使用管材为原则。我国生产的标准钢管长度为6m,故系列标准中管长有1.5、2、3 和6m 四种。此外管长和壳径的比例应适当,一般为4~6。
②管间距管子的中心距t 称为管间距,管间距小,有利于提高传热系数,且设备紧凑。但由于制造上的限制,一般,为管的外径。常用的与的对比关系见表4-17。
表4-17 管壳式换热器与的关系
换热管外径,mm 10 14 19 25 32 38 45 57
换热管中心距,mm 14 19 25 32 40 48 57 72
(5)管程和壳程数的确定
①管程数的确定当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时,就得排列较多的管子,为了提高流体在管内的流速,需将管束分程。但是程数过多,导致管程流动阻力加大,动力能耗增大,同时多程会使平均温差下降,设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有1、2、4、6 四种。采用多程时,通常应使每程的管子数相等。
管程数可按下式计算,即
(4-114)
式中