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压缩气体换热器的设计及计算
发布时间:2023-05-10 19:31:29浏览次数:

压缩气体换热器设计及计算

换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备,换热器中至少有两种流体,温度较高则放出热量,反之则吸收热量。


换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用广。


它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式(包括蛇管式、套管式、管壳式等)换热器应用普遍。


列管式和板式,各有优点,列管式是一种传统的换热器,广泛应用于化工、石油、能源等设备;板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。

压缩气体换热器的设计及计算(图3)

列管式换热器又称为管壳式换热器,是典型的间壁式换热器,历史悠久,占据主导作用,主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。


一种流体在管内流动,其行程称为管程;另一种流体在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

压缩气体换热器的设计及计算(图4)
压缩气体换热器的设计及计算(图5)
设计计算要求
设计要求
两流体温度的变化情况 
热流体进口温度 137℃,出口温度  40℃;
冷流体进口温度40℃,出口温度为 30℃。 
该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其进口温度会降低,考虑到这一因素,估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大,确定选用浮头式换热器。


选型
压缩气体换热器的设计及计算(图6)
管程设计安排


从两物流的操作压力看,应使混合气体走管程,循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降,所以从总体考虑,应使循环冷却水走管程,热空气走壳程。



确定物性数据
定性温度
对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。

壳程混和气体的定性温度
压缩气体换热器的设计及计算(图7)
管程流体的定性温度
压缩气体换热器的设计及计算(图8)

压缩气体换热器的设计及计算(图9)
估算传热面积
热流量
压缩气体换热器的设计及计算(图10)
冷却水用量
压缩气体换热器的设计及计算(图11)
平均传热温差先按照纯逆流计算
压缩气体换热器的设计及计算(图12)
初算传热面积
查下表取K=280 W/(㎡·k)
压缩气体换热器的设计及计算(图13)
压缩气体换热器的设计及计算(图14)
工艺尺寸
管径和管内流速
选用Φ25*2.5mm较高级冷拔传热管(碳钢),差下表取管内流速1.2/iums 压缩气体换热器的设计及计算(图15)
管程数和传热管数
可以依据传热管内径和流速确定单程管传热数
压缩气体换热器的设计及计算(图16)
按照单管程,所需的传热管长度为
 压缩气体换热器的设计及计算(图17)
 按单程管设计,传热管过长,宜采用多管程结构。现取l=6m,则该换热器的管程数为 
压缩气体换热器的设计及计算(图18)
取Np=4 
传热管总根数n=500根

平均传热温差校正 
压缩气体换热器的设计及计算(图19)
压缩气体换热器的设计及计算(图20)
按单壳程,四管程结构
查得
压缩气体换热器的设计及计算(图21)
平均传热温差
压缩气体换热器的设计及计算(图22)
由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。
传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。
取管心距
压缩气体换热器的设计及计算(图23)
压缩气体换热器的设计及计算(图24)
隔板中心到离其近一排管中心距离按下式计算
压缩气体换热器的设计及计算(图25)
压缩气体换热器的设计及计算(图26)
各程相邻管的管心距为44mm

壳体内径
采用多管程结构,壳体内径可按下式估算。取管板利用率η=0.75
壳体内径为
压缩气体换热器的设计及计算(图27)
按卷制壳体的进级档,可取D=800mm
折流板
用圆缺折流板,去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为
压缩气体换热器的设计及计算(图28)
可取H=200mm
取折流板间距B=0.5D
压缩气体换热器的设计及计算(图29)
压缩气体换热器的设计及计算(图30)
可取B为400mm
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压缩气体换热器的设计及计算(图31)
接管
壳程流体进出口接管
取接管内气体流速为
压缩气体换热器的设计及计算(图32)
则接管内径
压缩气体换热器的设计及计算(图33)
圆整后可取管内径为210mm
管程流体进出口接管
取接管内液体流速
压缩气体换热器的设计及计算(图34)
则接管内径
压缩气体换热器的设计及计算(图35)
圆整后去管内径为210mm
换热器核算
热传热面积校核
管程传热膜系数
压缩气体换热器的设计及计算(图36)
管程流体流通截面积
压缩气体换热器的设计及计算(图37)
管程流体流速和离诺数分别为
压缩气体换热器的设计及计算(图38)
压缩气体换热器的设计及计算(图39)
普朗特数
压缩气体换热器的设计及计算(图40)
压缩气体换热器的设计及计算(图41)
壳程传热膜系数
压缩气体换热器的设计及计算(图42)
当量直径
压缩气体换热器的设计及计算(图43)
壳程流通截面积
压缩气体换热器的设计及计算(图44)
壳程流体流速及其雷诺数分别为

压缩气体换热器的设计及计算(图45)
压缩气体换热器的设计及计算(图46)
普朗特数
压缩气体换热器的设计及计算(图47)
粘度校正
压缩气体换热器的设计及计算(图48)
压缩气体换热器的设计及计算(图49)
污垢热阻和管壁热阻。管外侧污垢热阻
压缩气体换热器的设计及计算(图50)
管内测污垢热阻
压缩气体换热器的设计及计算(图51)
已知管壁宽度b=0.0025m
碳钢在该条件下的热导率为
压缩气体换热器的设计及计算(图52)
总传热系数K为
压缩气体换热器的设计及计算(图53)
传热面积校核
压缩气体换热器的设计及计算(图54)
换热器实际传热面积
压缩气体换热器的设计及计算(图55)
换热器的面积裕度
压缩气体换热器的设计及计算(图56)
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
换热器内压核算
管程阻力
压缩气体换热器的设计及计算(图57)
压缩气体换热器的设计及计算(图58)
由Re=16407.6,传热管对粗糙度0.2/20=0.01。
查得
压缩气体换热器的设计及计算(图59)
压缩气体换热器的设计及计算(图60)
压缩气体换热器的设计及计算(图61)
所以
压缩气体换热器的设计及计算(图62)
管程流体阻力在允许范围内

壳程阻力
压缩气体换热器的设计及计算(图63)
压缩气体换热器的设计及计算(图64)
流体流经管束的阻力
压缩气体换热器的设计及计算(图65)

压缩气体换热器的设计及计算(图66)
压缩气体换热器的设计及计算(图67)
压缩气体换热器的设计及计算(图68)
流体流过折流板缺口阻力
压缩气体换热器的设计及计算(图69)
压缩气体换热器的设计及计算(图70)
计算出
压缩气体换热器的设计及计算(图71)
总阻力
压缩气体换热器的设计及计算(图72)
由于该换热器壳程流体的操作压力较高,所以壳程流体的阻力也比较合适。
换热器主要结构尺寸和计算结果
压缩气体换热器的设计及计算(图73)经过设计出来了这个浮头式换热器。此换热器选用Φ52.5mm的碳钢管,管径较大,易于清洗,因考虑到管程流体易结垢,故选用此种类型的管,而且压降不是很大,所以选用较合理;本换热器的缺点就是不可承受较大压力流体的换热,而且排列的管子数不多,故处理能力有限。不过总体来说,按此方式设计及计算能有借鉴作用。