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壓縮氣體換熱器的設計及計算
發布時間:2023-05-10 19:31:29瀏覽次數:

壓縮氣體換熱器設計及計算

換熱器就是用于存在溫度差的流體間的熱交換設備,換熱器中至少有兩種流體,溫度較高則放出熱量,反之則吸收熱量。


換熱器依據傳熱原理和實現熱交換的方法一般分為間壁式、混合式、蓄熱式三類。其中間壁式換熱器應用廣。


它又可分為管式換熱器、板式換熱器、翅片式換熱器、熱管換熱器等。其中以管式(包括蛇管式、套管式、管殼式等)換熱器應用普遍。


列管式和板式,各有優點,列管式是一種傳統的換熱器,廣泛應用于化工、石油、能源等設備;板式則以其高效、緊湊的特點大量應用于工業當中。

壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖3)

列管式換熱器又稱為管殼式換熱器,是典型的間壁式換熱器,歷史悠久,占據主導作用,主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。


一種流體在管內流動,其行程稱為管程;另一種流體在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。

壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖4)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖5)
設計計算要求
設計要求
兩流體溫度的變化情況 
熱流體進口溫度 137℃,出口溫度  40℃;
冷流體進口溫度40℃,出口溫度為 30℃。 
該換熱器用循環冷卻水冷卻,冬季操作時,其進口溫度會降低,考慮到這一因素,估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大,確定選用浮頭式換熱器。


選型
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖6)
管程設計安排


從兩物流的操作壓力看,應使混合氣體走管程,循環冷卻水走殼程。但由于循環冷卻水較易結垢,若其流速太低,將會加快污垢增長速度,使換熱器的熱流量下降,所以從總體考慮,應使循環冷卻水走管程,熱空氣走殼程。



確定物性數據
定性溫度
對于一般氣體和水等低黏度流體,其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。

殼程混和氣體的定性溫度
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖7)
管程流體的定性溫度
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖8)

壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖9)
估算傳熱面積
熱流量
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖10)
冷卻水用量
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖11)
平均傳熱溫差先按照純逆流計算
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖12)
初算傳熱面積
查下表取K=280 W/(㎡·k)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖13)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖14)
工藝尺寸
管徑和管內流速
選用Φ25*2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼),差下表取管內流速1.2/iums 壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖15)
管程數和傳熱管數
可以依據傳熱管內徑和流速確定單程管傳熱數
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖16)
按照單管程,所需的傳熱管長度為
 壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖17)
 按單程管設計,傳熱管過長,宜采用多管程結構?,F取l=6m,則該換熱器的管程數為 
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖18)
取Np=4 
傳熱管總根數n=500根

平均傳熱溫差校正 
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖19)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖20)
按單殼程,四管程結構
查得
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖21)
平均傳熱溫差
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖22)
由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8,同時殼程流體流量較大,故取單殼程合適。
傳熱管排列和分程方法
采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。
取管心距
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖23)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖24)
隔板中心到離其近一排管中心距離按下式計算
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖25)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖26)
各程相鄰管的管心距為44mm

殼體內徑
采用多管程結構,殼體內徑可按下式估算。取管板利用率η=0.75
殼體內徑為
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖27)
按卷制殼體的進級檔,可取D=800mm
折流板
用圓缺折流板,去弓形之流板圓缺高度為殼體內徑的25%,則切去的圓缺高度為
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖28)
可取H=200mm
取折流板間距B=0.5D
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖29)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖30)
可取B為400mm
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壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖31)
接管
殼程流體進出口接管
取接管內氣體流速為
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖32)
則接管內徑
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖33)
圓整后可取管內徑為210mm
管程流體進出口接管
取接管內液體流速
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖34)
則接管內徑
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖35)
圓整后去管內徑為210mm
換熱器核算
熱傳熱面積校核
管程傳熱膜系數
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖36)
管程流體流通截面積
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖37)
管程流體流速和離諾數分別為
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖38)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖39)
普朗特數
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖40)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖41)
殼程傳熱膜系數
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖42)
當量直徑
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖43)
殼程流通截面積
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖44)
殼程流體流速及其雷諾數分別為

壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖45)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖46)
普朗特數
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖47)
粘度校正
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖48)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖49)
污垢熱阻和管壁熱阻。管外側污垢熱阻
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖50)
管內測污垢熱阻
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖51)
已知管壁寬度b=0.0025m
碳鋼在該條件下的熱導率為
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖52)
總傳熱系數K為
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖53)
傳熱面積校核
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖54)
換熱器實際傳熱面積
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖55)
換熱器的面積裕度
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖56)
傳熱面積裕度合適,該換熱器能夠完成生產任務。
換熱器內壓核算
管程阻力
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖57)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖58)
由Re=16407.6,傳熱管對粗糙度0.2/20=0.01。
查得
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖59)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖60)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖61)
所以
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖62)
管程流體阻力在允許范圍內

殼程阻力
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖63)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖64)
流體流經管束的阻力
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖65)

壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖66)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖67)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖68)
流體流過折流板缺口阻力
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖69)
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖70)
計算出
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖71)
總阻力
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖72)
由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高,所以殼程流體的阻力也比較合適。
換熱器主要結構尺寸和計算結果
壓縮氣體換熱器的設計及計算(圖73)經過設計出來了這個浮頭式換熱器。此換熱器選用Φ52.5mm的碳鋼管,管徑較大,易于清洗,因考慮到管程流體易結垢,故選用此種類型的管,而且壓降不是很大,所以選用較合理;本換熱器的缺點就是不可承受較大壓力流體的換熱,而且排列的管子數不多,故處理能力有限。不過總體來說,按此方式設計及計算能有借鑒作用。

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