压缩机级间管壳式换热器设计与软件开发.pdf
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1、书书书设 计 研 究 年 期(总第 期)压缩机级间管壳式换热器设计与软件开发张静,吴伟烽,李程翊,吴四建(西安交通大学能源与动力工程学院,陕西 西安 ;宝鸡市博磊化工机械有限公司,陕西 宝鸡 )摘要:管壳式换热器在各工业领域应用广泛,但其壳侧结构较为复杂,其传热与流动状态难以预测,且设计过程涉及大量的计算、图表及标准规范,导致设计周期长、费时费力。研究针对压缩机级间管壳式换热器进行了详细合理的设计与热工计算,确定了管壳式换热器热负荷、换热面积、传热系数等结构与热力参数;并基于 技术开发了压缩机级间冷却器的设计与校核软件,提高了设计人员的工作效率与换热器设计精度;最后针对一种工程案例,完成了对压
2、缩机级间冷却器的设计计算。关键词:管壳式换热器;传热系数;阻力损失;软件开发中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:,(,;,):,:;设 计 研 究 年 期(总第 期)引言换热器作为不同流体间交换热量的关键设备,在能源开发与利用中扮演着不可或缺的角色,现已广泛应用于石油化工、航空航天、暖通空调等工程领域 。压缩机级间管壳式换热器是换热器中一种重要类别,其换热效果和换热器效率对于压缩机的稳定运行和能源利用效率具有很大影响。在 年以美国 大学研究所得的壳 程 实 验 报 告 为 基 础,提 出 了 法 ,该法根据实验数据引入了由于流路影响所带来的修正系数,是目前最合理的一种方法,很多研究
3、人员采用这种方法进行换热器设计。对于 提出流路模型,美国传热研究公司()利用此模型,提出了流路分析法,利用计算机技术完成管壳式换热器的设计计算。但管壳式换热器始终存在壳侧结构复杂、传热以及流动状态难以预测、设计计算费时费力等问题。因此,本研究基于针对压缩机级间管壳式换热器进行了合理有效的设计与热工计算,确定了管壳式换热器热负荷、换热面积、传热系数等结构与热力参数;并基于 技术开发了压缩机级间冷却器的设计与校核软件,降低了换热器设计的时间成本;最后针对一种工程案例,完成了对压缩机级间冷却器的设计计算。管壳式换热器的设计计算换热管束构成其换热面,管子两端分别固定在管板上,壳体两端装有封头。流体在换
4、热管管内流动为管程;在管外空间的流动称为壳程。为了增强壳侧流体的流速及紊流度,提高壳侧换热性能,于管外侧空间安装若干块折流板,将其置于壳侧流体的流路中并与壳体轴线垂直。所以当流体在壳侧流动时,折流板的存在使其流体流动方向发生改变,能够以接近横向冲刷管束的方式,起到强化壳侧传热的作用。但在提高换热性能的同时,壳侧流体的流动阻力不可避免的增加,流动损失明显增大,并且在壳体与折流板的相交区域易形成流动死角,从而导致局部结垢,影响总体传热效果 。下面将详细介绍管壳式换热器设计计算方法,包含管壳式换热器的结构计算、热力计算和流动阻力计算。结构计算结构计算对于管壳式换热器而言,目的在于确定设备的主要结构尺
5、寸:()管程流通截面积、管径、管长、管数、管排方式;()壳体直径、折流板直径、缺口大小、折流板间距及数目;()壳程流通截面积;()进、出口接管尺寸 。在本研究中,换热管排列方式为正三角形排列和正方形排列,对于换热管的管径、壁厚、中心距、布管限定圆直径、管孔直径、折流板缺口高度、折流板间距等参数的选择依据国家标准 热交换器以及工程经验。壳体直径壳体直径通过计算壳体内径来确定,换热管排列方式为三角形排列时,壳体内径 采用下述近似公式(槡 )()管排方式为正方形时,(槡)()式中 换热器总管数下标 、分别表示壳程和管程 壳程流通截面积管壳式换热器若采用弓形折流板,其壳侧流体在缺口处流通截面积 为 (
6、)式中 缺口总截面积,缺口管子所占面积,()()()式中 折流板缺口高度,缺口中心角,错流区管数占管数的比例 ()()()()当管排方式为三角形排列时,壳侧流体在折流板间错流截面积 为设 计 研 究 年 期(总第 期)()()()当管排方式为正方形排列时,()()()式中 管心距 垂直于流向的管心距 折流板间距则壳程流通截面积 为 槡()折流板相关参数错流区有限管排数 ()()式中 纵向管距为槡各缺口内有效错流管排数 ()错流面积中旁流面积所占比例 ()()式中 分程隔板所占通道数换热管与折流板上管孔之间的面积 ()()()壳体内壁和折流板外缘之间的面积()()()折流板数目()热力计算热流体
7、将热量通过某固定壁面传给冷流体的过程称为传热,稳态传热的基本方程式为 ()式中 热负荷,总传热系数,()换热器总传热面积,进行换热的两流体间的平均温度差,热负荷一般情况下,忽略换热器对周围环境的散热损失,根据能量守恒,热流体所放出的热量应等于冷流体所吸收的热量,即 ,(,),(,)()式中,分别表示冷流体、热流体的质量流量,分别为冷流体、热流体的定压比热,(),冷流体的进、出口温度,冷流体的进、出口温度,若考虑换热器对外界环境的散热损失,则热流体放出的热量 将大于冷流体所放出的热量,但 通常很难估计,而且随换热器的不同而不同,如换热器是否保温,热流体走管内还是管外等。工程上常用热损失系数 加以
8、估算,热损失系数 的值通常取 。平均温差与温差修正系数()算数平均温度差 ()()对数平均温度差 ()式中 较大的温度差 较小的温度差当 时,采用算数平均温度差,否则采用对数平均温度差。在计算平均温度差时,对无相变的对流传热、逆流的平均温差大于并流的平均温差,因而在工业设计中,在满足工艺条件的情况下,通常选用逆流。传热系数工艺压缩机级间换热器的设计研究中一般不考虑冷热流体发生相变,且考虑到管内外流体污垢热阻,总传热系数计算式为 ,()式中 换热系数,()管外径,管内径,、,分别表示管外侧和内侧的污垢热阻,()设 计 研 究 年 期(总第 期)管内传热系数流体在管内流动,其流动阻力和传热系数与流
9、体在管内的流动状态有关,流动状态以雷诺数大小来区分。当管内雷诺数 时,管内传热系数可由 ()粘性液体加热或冷却时经验方程计算 ()()式中 导热率,()管长,流体平均温度下的流体动力粘度,壁温下的流体动力粘度,当管内雷诺数 时,对低粘度流体(,为常温下水的粘度),可应用 关联式 ()式中 流体被加热时为 ,被冷却时为 应用范围:,。当 时,将上式乘以 ()进行修正。对高粘度流体,应用 关联式 ()()当 时,采用 推荐的关联式 ()()()对于上述式中的粘度修正系数,为了避免查询各粘度的不便,可取近似值:液体被加热时,();液体被冷却时(),对于气体不论加热或冷却,可取()。壳侧传热系数如何对
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