【文章內(nèi)容簡介】 粘度 ；℃下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 ； 定壓比熱容 ； 熱導(dǎo)率 ； 粘度 ； 估算傳熱面積熱負(fù)荷：Q=200KW。；由參考文獻(xiàn)[19]中公式：； Q：流體相變產(chǎn)生的傳熱速率，kw γ ：流體的氣化相變焓， kJ/kg ：流體的質(zhì)量流量，kg/s所以： ；先按純逆流計算，依據(jù)文獻(xiàn)[11]式（440）得； 冷凝器操作情況如圖21所示： 按照文獻(xiàn)[11]表47，取，依據(jù)文獻(xiàn)[11]式（434）得； 工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算 管徑和管內(nèi)流速根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]表32，由GB8163選用的普通碳素鋼鋼管，根據(jù)表33和34取管程流速。 計算管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（39）確定單程傳熱管數(shù)（根）；按單程管計算，所需的傳熱管長度為；按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)GB1511999，現(xiàn)取傳熱管長度，則該換熱器的管程數(shù)為：（管程）；所以，傳熱管總根數(shù)為：（根）； 平均傳熱溫差和殼程數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（313a）和（313b）得：；； 按單殼程、四管程查溫差矯正系數(shù)圖得： ；平均傳熱溫差 ；當(dāng)時，多管程換熱器內(nèi)出現(xiàn)溫度逼近現(xiàn)象，在這種情況下，就需考慮采用多殼程結(jié)構(gòu)的換熱器或多臺換熱器串聯(lián)來解決。由于平均傳熱溫差校正系數(shù)，則不需設(shè)置多殼程結(jié)構(gòu)。同時，殼程流體流量較大，故取單殼程合適。 傳熱管的排列和分程方法換熱管在管板上的排列有正三角形排列、正方形排列和正方形錯列三種排列方式。各種排列方式都有其各自的特點：①正三角形排列：排列緊湊，管外流體湍流程度高；②正方形排列：易清洗，但給熱效果較差；③正方形錯列：可以提高給熱系數(shù)。所以，選擇正方形錯列排列，能夠有效提高給熱系數(shù)。管子排列方式如圖22所示：圖22 換熱管排列示意圖取管間距：；隔板中心側(cè)到離其最近一排管中心距離為：；則各程相鄰管的管心距為44mm。每程各有傳熱管22根，其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按照文獻(xiàn)[12]圖314選取。選取情況如圖23所示： 殼體內(nèi)徑的計算采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按照文獻(xiàn)[12]式（320）估算。正四邊形排列4程管子時，取管板利用率。則殼體內(nèi)徑為：；按卷制殼體的進(jìn)級檔100mm，經(jīng)圓整可取D=500mm。采用弓形折流板，根據(jù)文獻(xiàn)[12],由折流板尺寸確定原則，取弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%，則切去的圓缺高度為：；考慮到制造過程中的管孔變形而影響換熱管的穿入。則取圓缺高度為：。折流板的最小間距：，則最小；折流板的最大間距：，故??；所以取折流板數(shù)NB ： （塊）；取折流板圓缺面水平裝配。由參考文獻(xiàn)[12]表43可得折流板厚度為5mm。拉桿數(shù)量與直徑按文獻(xiàn)[12]表（47）和（48）選取。本換熱器傳熱管外徑為25mm，其拉桿直徑為16mm，取拉桿數(shù)量為4個。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板，厚度取5mm。 接管1）管程流體進(jìn)出口接管根據(jù)文獻(xiàn)[12]表33到35，可確定管內(nèi)冷卻水流速為，則接管內(nèi)徑為；圓整后可取接管內(nèi)徑為100mm。2）殼程流體進(jìn)出口接管根據(jù)文獻(xiàn)[12],可確定進(jìn)口接管內(nèi)氣體流速為，則接管內(nèi)徑為：； 圓整后可取進(jìn)口接管內(nèi)徑為150mm。由于出口接管流出飽和液體，體積流量較入口的氣體體積流量小很多，考慮到制造安裝的統(tǒng)一性，則取殼程出口接管內(nèi)徑與管程接管內(nèi)徑相同，為100mm。 換熱器的熱流量核算 1)殼側(cè)系數(shù)殼側(cè)壁溫℃。冷凝平均溫度為：40℃。40℃時異丁烷的物理性質(zhì)a） 飽和液體時，； ； ；b） 飽和氣體時，；根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]，估算管束直徑：；由于正方形排列管子，四管程時：，；且；所以，；在平均蒸汽溫度下的蒸汽密度：；中排的管數(shù)為： ；水平換熱管的載荷，單位管周長的冷凝物速率為：；根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]公式()：； 2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（332）和（333）得；管程流體流通截面積；管程流體流速和雷諾數(shù)為：； ；普朗特數(shù)為：；由于管內(nèi)流體被加熱，則； 3）污垢熱阻和管壁熱阻 依據(jù)文獻(xiàn)[12]表（310），可取管程冷卻水側(cè)的熱阻 ；殼程異丁烷側(cè)的熱阻 ；鋼的導(dǎo)熱系數(shù) ； 管壁熱阻 ； 4) 傳熱系數(shù) 依據(jù)文獻(xiàn)[12]表（321），可得 ；在初步計算時，假設(shè)的總傳熱系數(shù)為。通過核算，該換熱器在規(guī)定的流動條件下，所提供的傳熱系數(shù)為，所以假設(shè)合適。 5) 傳熱面積和面積裕度 依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（335）可得所計算的傳熱面積Ac為； 該換熱器的實際傳熱面積A為； 該換熱器的面積裕度依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（336）計算為 ； 所以，由于面積裕度在（15%～20%）之間，則該換熱器面積裕度合適，能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。因管壁很薄，管壁熱阻小，故管壁溫度可按文獻(xiàn)[12]式（342）計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為35℃計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（342）有：；式中液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度分別按式（344）和（345）計算為：；；；；傳熱管平均壁溫；殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即；殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為；由于該溫差較小，且殼程壓力較小，故選用帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器較為適宜，而且經(jīng)濟(jì)。 換熱器內(nèi)流體的流動阻力 1) 管程流動阻力依據(jù)文獻(xiàn)[12]式（347）～（349）可得：； 式中，ΔPi為單程直管阻力；ΔPr為局部阻力；Ns為殼程數(shù)；ΔPt為管程總阻力；Fs為管程結(jié)垢校正系數(shù)。 ； ；由，傳熱管的相對粗糙度，查莫狄圖，流速；，所以：；；；由于，故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。 2) 殼程流動阻力 根參考文獻(xiàn)[13]，可得橫截面積：。 質(zhì)量流速為：。 。 當(dāng)量直徑為： 。 飽和異丁烷蒸汽粘度為：。 所以熱阻為：。 由文獻(xiàn)[13]： 。 設(shè)壓降為利用進(jìn)口流量進(jìn)行計算的計算值的50%，忽略粘度矯正，則：。由于殼程壓降2222Pa100000Pa，故殼程的流動阻力也在允許范圍內(nèi)。 換熱器的主要尺寸和計算結(jié)果 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果如表21所示：表21 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果參數(shù)管程殼程流率kg/h172442304進(jìn)出溫度℃25/3540/40壓力MPa物性定性溫度/℃3040密度（kg/m3）定壓比熱容[kJ/（kgk）]粘度PaS103103熱導(dǎo)率[W/（mk）]普朗特數(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑mm500殼程數(shù)1管徑mm管心距mm32管長mm6000管子排列正錯管數(shù)目根88折流板數(shù)個20傳熱面積m242折流板間距mm300管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速m/s3表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[W/（m2k）]34451445污垢熱阻（m2k/W）阻力Pa38062222熱流量kW200傳熱溫差K傳熱系數(shù)[W/（m2k）]620裕度20%3 換熱器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 在確定換熱器的換熱面積后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計和強度計算，主要包括殼體和封頭的厚度計算、材料的選擇、管板厚度的計算、法蘭的計算和選擇、開孔補強計算和校核，還有主要構(gòu)件的設(shè)計（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計算如下： 選材本換熱器管程部分的溫度在30℃左右，介質(zhì)為冷卻水，殼程部分的溫度在40℃左右，介質(zhì)為異丁烷，對材料沒有較高的特殊要求，一般的石油化工容器用鋼即可。又因為該換熱器的壓力p=，屬于低壓，所以本設(shè)計的殼體材料選用Q345R，它是低合金鋼，具有良好的焊接性能，機械性能及成形性能和耐腐蝕性能，是中國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板，質(zhì)量穩(wěn)定，符合本設(shè)計對材料的要