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压缩气体换热器设计及计算，工程师大爱！

2022/07/18 4:11:17


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最广。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）换热器应用最普遍。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。


列管式换热器又称为管壳式换热器，是最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。
设计计算要求
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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。
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
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管程流体的定性温度
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估算传热面积
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热流量
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冷却水用量
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平均传热温差先按照纯逆流计算

初算传热面积
查下表取K=280 W/(㎡·k)
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工艺尺寸
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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 
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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
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按照单管程，所需的传热管长度为
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 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 
取Np=4 
传热管总根数n=500根
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平均传热温差校正 
按单壳程,四管程结构
查得
平均传热温差
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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。
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传热管排列和分程方法
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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
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隔板中心到离其最近一排管中心距离按下式计算

各程相邻管的管心距为44mm
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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

按卷制壳体的进级档，可取D=800mm
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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
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可取H=200mm
取折流板间距B=0.5D
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可取B为400mm
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接管
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壳程流体进出口接管
取接管内气体流速为

则接管内径

圆整后可取管内径为210mm
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管程流体进出口接管
取接管内液体流速

则接管内径

圆整后去管内径为210mm
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换热器核算
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热传热面积校核
管程传热膜系数

管程流体流通截面积
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管程流体流速和离诺数分别为

普朗特数

壳程传热膜系数

当量直径

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特数

粘度校正

污垢热阻和管壁热阻。管外侧污垢热阻


管内测污垢热阻

已知管壁宽度b=0.0025m
碳钢在该条件下的热导率为

总传热系数K为

传热面积校核

换热器实际传热面积
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换热器的面积裕度

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
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换热器内压核算
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管程阻力

由Re=16407.6，传热管对粗糙度0.2/20=0.01。
查得

所以

管程流体阻力在允许范围内
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壳程阻力

流体流经管束的阻力

流体流过折流板缺口阻力
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计算出

总阻力
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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

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。

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