冷换设备工艺设计,石化管理干部学院冷换设备高级研修班,为什么要讲换热器工艺设计？,ThemeGallery is a Design Digital Content K: 总传热系数，W/(m2*K); F: 换热面积 ， M2； tm：对数平均温差； 工艺计算就是以此方程为基础通过计算F来设计换热器的。,换热器工艺设计的内容和顺序,确定工艺参数：流量，温度，压力等； 选择换热器类型； 确定流体在空间的流向； 计算定性温度及该温度下的物性数据； 计算热负荷； 选择传热系数K值或计算K值； 计算有效平均温差； 计算所需换热面积； 初步确定换热器结构和尺寸； 核算换热器的传热能力及流体阻力； 确定换热器的工艺结构。,设计第一步,1.1确定工艺参数,复杂组分的处理,1.2选择换热器的类型 a)固定管板式换热器,适用于壳体流程清洁，不易结垢或管外侧污垢能用化学方法除掉的场合； 同时要求壳体壁温与管子壁温差不大(50)； 当超过此应加温度补偿装置，通常是加一膨胀节； 这种装置只能用在管壁与壳体壁温差低于6070及壳程压力不高的场合。,带膨胀节的换热器,b)浮头式换热器,优点：1.管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内； 2.管束可在壳体内自由伸缩，不会产生热应力。 缺点： 结构复杂，造价高，制造安装要求高。,此结构U型弯管可自由膨胀，也易于抽出检修。适 用于壳程流体易结 垢，或壳体壁温与管壁 温之差较 大的场合，但要求管程流体较清洁，不易结垢。,c)U型管式换热器,优点：具有浮头换热器的优点，克服了固定管板式 换热器的缺点。结构比浮式简单，制造方便， 易于检修清洗，常用于一些腐蚀严重，经常 更换管束的场合。,d)填料函式换热器,缺点： 密封性能差，故壳程中不宜处理易燃，易爆或有毒的流体 同时要求壳程流体的压力不宜过高,1.3流程安排的一般原则： 1.易结垢流体应走易于清洗的一侧。 2.在设计上需要提高流体的速度时,应将需要提高流速的流体放在管程。 3.具有腐蚀性的流体应走管程。 4.耐高压的流体应走管程。 5.具有饱和蒸汽冷凝的换热器，饱和蒸汽应走壳程 6.粘度大的流体走壳程,1.4加热剂或冷却剂的选择 一般情况下 用作加热剂或冷却剂的流体应根据实际情况确定。 特殊情况下 需要设计者自行选择。 在化工生产中，水是常用的冷却剂，饱和水蒸气是常用的加热剂,设计第二步,2.热交换器热力计算原理,热（力）计算是换热器设计的基础。,以间壁式换热为基础介绍换热器的热（力）计算，其他形式的换热器计算方法相同。,设计性计算,校核性计算,设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。,针对现有换热器，确定流体的进出口温度。了解其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满足新的工艺要求。,2.1 热计算基本方程式,传热方程式,Q 热负荷 k、t微元面上的传热系数和温差。,K 总传热系数 tm对数平均温差 F 换热面积,2.1 热计算基本方程式,传热方程式,工艺计算的目的是求换热面积，即,需要先求出Q，K，tm,2.2 热负荷的计算（热平衡方程式）,2.2 热平衡方程式,如不考虑热损失，则,下标1代表热流体。下标2冷流体；上标1撇代表进口，上标2撇代表出口。,如无相变，则,或,2.2 热负荷的计算（热平衡方程式）,2.2 热平衡方程式,Mc称为热容，用W表示，则，,考虑热损失时，,L对外热损失系数，取0.970.98,2.3 平均温差,2.3.1 流体的温度分布,右图为流体平行流动时温度分布,假设：,(1)冷热流体的质量流量qm2、qm1以及比热容c2, c1是常数；,(2)传热系数是常数；,(3)换热器无散热损失；,(4)换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计。,下标1、2分别代表热冷流体。 上标1撇和2撇分别代表进出口,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,简单顺流时的对数平均温差,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,简单顺流时的对数平均温差,分析微元面dA的换热：,温差：,两种流体的换热量为:,对于热流体和冷流体:,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,简单顺流时的对数平均温差,可见，当地温差随换热面呈指数变化，则沿整个换热面的平均温差为：,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,简单顺流时的对数平均温差,对数平均温差,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,简单逆流时的对数平均温差,逆流时：,其他过程和公式与顺流是完全一样，因此，最终仍然可以 得到：,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,简单逆流时的对数平均温差,顺流和逆流的区别：,将对数平均温差写成如下统一形式(顺流和逆流都适用),顺流：,逆流：,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,算术平均温差,算术平均温差相当于温度呈直线变化的情况，因此，总是大于相同进出口温度下的对数平均温差，当 时，两者的差别小于4；当 时，两者的差别小于2.3。,平均温差的另一种更为简单的形式是算术平均温差，即,2.3 平均温差,2.3.2 顺流和逆流情况下的平均温差,2.3 平均温差,2.3.3 其他流动方式时的平均温差,纯顺流和纯逆流情况比较少，实际换热器一般都是处于顺流和逆流之间，或者有时是逆流，有时又是顺流，流动情况非常复杂。,是给定的冷热流体的进出口温度布置成逆流时的LMTD。,纯逆流的平均温差最大，一般通过对纯逆流的对数平均温差进行修正来获得其他情况下的平均温差。, 是小于1的修正系数。图9-159-18分别给出了管壳式换热器和交叉流式换热器的 。,关于的注意事项,式中：下标1、2分别表示冷热两种流体，上角标1撇表示进口，2撇表示出口，图表中均以P为横坐标，R为参量。,（2）P的物理意义：,（1） 值取决于无量纲参数 P和 R,表示冷流体的实际温升与理论上所能达到的最大温升之比，所以只能小于1。,2.3 平均温差,2.3.3 其他流动方式时的平均温差,关于的注意事项,2.3 平均温差,2.3.3 其他流动方式时的平均温差,（3）R的物理意义：两种流体的热容量之比,（4） 对于管壳式换热器，查图时需要注意流动的“程”数,2.4总传热系数及经验值,传热系数计算方法,总传热系数= f（管内膜系数，传热管壁热阻，管外膜系数/相传递系数，管内污垢热阻，管外污垢热阻） 管壁材料热阻、管内、管外污垢热阻均有经验数据可查，关键是管内、外膜传热系数需要根据流体特性设计数学模型去计算求取。 以下举例说明：,设计计算模型选用,依据假设简化工况，推导出数学模型，提供特定条件下的传热膜系数计算。 流体相态、管型布置、流动类型分类： 管布置分类：2种 水平和垂直布置管，顺流、逆流、交叉流 流型分类：3种- 剪力、过渡、重力流态 相态分类：3或6种- 气相、液相、气液混相 （部分/完全沸腾、部分/完全冷凝） 可有很多种类型组合，需要的数学模型较多，计算程序繁复，需要借助计算机手段。,气液两相流体流动类型,分类：剪力控制流、过渡区、重力控制流,水平管内冷凝管内膜传热系数计算,流体类型的数学判断： 流型参数 Jtf = *Gt / di *g*v (l-v) 0.5 Jtf 0.5 重力控制流， Jtf 1.5 剪力控制流， 0.5 Jtf 1.5 过渡区流动,水平管内传热膜系数计算模型,剪力控制模型： Hi = f1（a1，b1，c1.） 重力控制模型： Hi = f2（a2，b2， .） 过渡区模型： Hi = f3（a3，b3， d3.）,2.4总传热系数及经验值,从上式可以看出，总传热系数主要和三个因素有关： 壳程换热系数（换热管管外换热系数简称管外换热系数） 管程换热系数（换热管管内换热系数简称管内换热系数） 管程污垢热阻 污垢热阻 壳程污垢热阻 管壁热阻 在实际计算过程中，根据不同的工艺组分，不同的管型和管内流体的不同相态，流动状态，分别会采取不同的计算模型来计算。 在初步的热力计算阶段，一般先选用经验总传热系数估算换热面积。选定具体型号或结构初步设计后，在进行详细的换热系数和换热面积核算，以确定换热器最终结构。,2.4总传热系数,2.4总传热系数及经验值,2.4总传热系数及经验值,2.4总传热系数及经验值,2.5 换热器计算方法总结,换热器热计算的基本方程式是传热方程式及热平衡式:,1. 换热器热计算概述,(1)设计计算：,校核计算：,设计一个新的换热器，以确定所需的换热面积。,对已有或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下，核算他能否完成规定的新任务。,(9-14),(9-15),需要给定其中的5个变量，才可以进行计算。,取决于进出口温度和换热器的型式，不是独立变量。,因此，上面的两个方程中共有8个未知数，即,由(9-15)进出口4个温度只有3个是独立变量。,(9-14),(9-15),设计计算：给定qm1c1，qm2c2，以及进出口温度中的三个，最终求k，A,校核计算：给定的一般是 k, A ，以及2个进口温度，待求的是两个出口温度,2.5 换热器计算方法总结,1. 换热器热计算概述,换热器的热计算方法：,直接应用传热方程和热平衡方程进行热计算，具体步骤为：,设计计算（已知 qm1c1, qm2c2及三个温度，求 k, A ）,初步布置换热面，并计算出相应的总传热系数k,(2) 根据给定条件，由热平衡式求出进、出口温度中的那个待定的温度。,(3) 由冷热流体的4个进出口温度确定平均温差,(5) 如果流动阻力过大，则需要改变方案重新设计。,(4) 由传热方程式计算所需的换热面积A，并核算换热面流体的流动阻力。,2.5 换热器计算方法总结,2.5 换热器计算方法总结,校核计算(已知A, qm1c1, qm2c2及2个进口温度，求 ),2. 平均温差法：,(1) 先假设一个出口温度，按热平衡式计算另一个出口温度。,(2) 根据4个进出口温度求得平均温差,(3) 根据换热器的结构，算出相应工作条件下的总传热系数k,(4) 已知kA和tm，按传热方程式计算在假设出口温度下的,(5) 根据4个进出口温度，用热平衡式计算另一个 ，这个值和上面的 ，都是在假设出口温度下得到的，因此，都不是真实的换热量,(6) 比较两个 值，满足精度要求，则结束，否则，重新假定出口温度，重复(1)(6)，直至满足精度要求。,计算机模拟计算一般流程,1 总体原则,2.6 流体流动方式的选择,流动方式对整个换热器设计的合理性有很大的影响，在选择流动方式时应注意以下几个方面：,(1)在给定温度状况下，保证获得较大的平均温差，以较小传热面积，降低金属或其他材料的消耗。,(2)使流体本身的温度变化值(t1或t2 )尽可能大,从而使流体的热量得到合理利用,减小它的消耗量,并可节省泵或风机的投资与能量消耗。,1 总体原则,2.6 流体流动方式的选择,(3)尽可能使传热面的温度比较均匀,并使其在较低的温度下工作,以便用较便宜的材料制造换热器。,(4)应有最好的传热工况，以便得到较高的传热系数同样起到减小传热面的作用。,温度不均匀(热应力)、温度高对材料的要求也越高。,2 顺流和逆流,2.6 流体流动方式的选择,平均温差,(1) 顺流最小，逆流最大，其他流动方式介于两者之 间。,(2) 逆流时， 可高于 ，在顺流时， 总是低于 ，因而在逆流时，热(冷)流体的t 较大，可使流体的消耗量减少。,2 顺流和逆流,2.6 流体流动方式的选择,平均温差,从热工观点，应尽量选择逆流。,逆流的缺点:(1)高温在一端，(2)逆流流体温差大，使传热面在长度方向上温差大，壁面温度不均匀；,当有相变时，顺、逆流无差别。 当两种流体的热容量相差较大时，差别很小。,3