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波纹管换热器的设计计算
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波纹管换热器虽然作为一种新产品在换热领域出现,然而此产品是在传统的管壳式换热器的基础上研制出来的,它是建立在用户便于接受的基础上的。因此在设计原理上具有很强的继承性,并在此前提下,引入新的换热机理。因此就波纹管换热器的设计而言,无论是结构设计还是热力设计,均是在继承原有管壳式换热器的基本理论基础上加以改进及完善而得到的。

上面已经提到,波纹管换热器与管壳式换热器的不同之处在于换热管,因此,设计计算的区别亦在于波纹管的传热计算和结构设计计算。传热计算主要是波纹管内外换热系数及压力变化,而结构设计计算主要是涉及到波纹管作为受压元件的强度计算等。

波纹管换热器的热力计算

目前,波纹管换热器已形成系列、因此设计中应尽可能选用系列产品,这样可以简化设计和加工。但是实际使用情况干变万化,当系列产品不能满足要求时,仍应该根据使用的具体情况而自行设计非系列的波纹管换热器。

1.非系列波纹管换热器的设计步骤

(1)了解流经换热器两种介质的物理、化学性质,腐蚀性能以及工作情况(如工作压力、工作温度、流量大小等)。

(2)由热平衡计算,得出换热量的大小,并确定第二种换热介质的流量或者第二种换热介质的出口温度。一般来说,若要设计一台换热器必须给出六个参数中的五个,然后通过热平衡方程来计算第六个参数。

(3)决定流体通入的空间,因为流体进入的空间不同,换热管内外换热系数亦不同。

(4)计算流体的定性温度,以确定流体的物性参数。一般来说,定性温度取每种流体进出日温度的平均值。

(5)计算对数平均温差。一般先按逆流考虑,然后再校核。

(6)选取管程和管内流速,然后再校核。

(7)计算传热系数值。先计算管程、壳程的换热系数,一般先假定一个壳程的换热系数,以计算传热系数值,然后再作校核。这是因为壳程的换热系数与筒体直径、管束的分布有关。

(8)初步估算换热面积,通常取实际换热面积为计算换热面积的1.15~1.25倍。

(9)选取管长,确定换热管数目。

(10)校核管内流速,确定管程数。

(11)画出换热管分布图,确定筒体直径和壳程折流板形式及数量。

(12)校核壳程换热系数。

(13)校核对数平均温差。

(14)校核换热面积,应有一定的面积裕度,否则需重新设计。

(15)计算流体阻力,如超过允许的阻力范围,需调整设计,直到满足要求为止。

2.系列波纹管换热器的选用设计步骤

(1)至(5)与1中的相同。

(6)选取经验的传热系数值。

(7)计算换热面积。

(8)由系列选取换热器的基本参数。

(9)校核传热系数,包括管程、壳程换热系数的计算。假如校核的值与原选的经验值相差不大,就不再进行校核,否则重新假设值,重复上述(6)以下步骤。

(10)校核对数平均温差。

(11)校核换热面积,使其有一定的面积裕度,否则需要重新设计。

(12)计算流体阻力,若超过允许范围,需修改数据再行重新设计。

3.流动空间的选择

所谓流动空间,是指介质流动过程中所经过的路径。流动空间选择的好坏可直接或间接地影响换热器正常而有效的工作。

(1)流动空间的选择原则

1)要尽量地增加控制传热系数值的最小换热系数的数值。要尽量使换热系数小的一侧得到大的流速,以得到好的流动状态。

2)要尽量使两流体的流动空间的传热条件相近。这样才能使管内外两侧换热系数相等或相近,才能得到较高的传热系数。

3)要尽量减少昂贵的耐腐蚀材料的消耗,在一个设备中过多的使用耐腐蚀材料,势必增加设备的成本,使设备的质价比大大降低。

4)要便于清洗。应使含有泥沙、脏物的流体通入容易清洗或不易结垢的空间。

5)要减少热损失。在分配流动空间时尽量使高温流体通入管程,以防止热量通过壳体向外界环境的无谓散失。

(2)宜于通入壳程空间的流体

一般说来,下面的流体易于在换热器的壳程行走:

1)当两种流体的温差很大时,可以使换热系数大的流体在壳程运动,一来可以减少管壁与壳壁之间的温度差,因而减少管束与壳体间的相对膨胀量,二来可以使波纹管的变形为伸长变形,以防止波纹管因压缩量过大面带来的失稳,另外可以使得通入管程的换热系数小的流体通过多管程而提高流速,以达到提高换热系数的目的。

2)饱和蒸汽或过热蒸汽。因为蒸汽的水质均处理过,因而对清理无甚要求,同时对蒸汽的流速也没什么严格要求,并且易于排除冷凝液。

3)泄漏后危险性大的流体。因为壳程很少有密封结构,大部分为焊接的不可拆结构,因此大大减少了泄漏的可能性,保证了换热器的安全运行。

4)高粘性流体在管间的流动截面和方向都在不断变化,在流速很小的情况下,可以得到相对较大的换热系数。

(3)宜于通入管程的流体

1)不易清洗,易于结垢的流体。因为管内空间的流动截面不断变化,使得流体在管内的流动方向及大小不断变化,流体对壁面不停地“冲刷”,使得悬浮物不断沉积。另外,在管内可以得到较高的流速,并且也便于清洗。

2)流量小的流体。因为管内空间的流通面积可以通过设计成不同的管程而改变,可以根据管程数得到理想的流速。

3)压力高的流体。因为换热管承受内压的能力强,而且还可以减少了壳体的金属消耗。

4)具有腐蚀性的流体。使腐蚀性的流体在管内流动,此时只有换热管与管程方需耐腐蚀材料,而且换热管为不锈钢,所以可以降低造价。

4.流体流速的选择

对换热器来说,流体在换热器内流动速度对换热器的设计以及可靠运行都具有重要意义。对高流速来说,可以得到较高的换热系数,也就是说可以得到较高的传热系数。但同时流速过高,又会增大换热器的压力损失,也就增加了换热器的运行费用,尽管传热系数随着流速的增加而得到提高,但流速增加到一定程度时传热系数随着流速的增加而增加的速率是缓慢的,此时再用增规流速的方式来提高传热系数则得不偿失。因此在设计换热器时,使两侧的流体在适宜的流速范围内流动,才能使换热箫获得最大的效益。流速的选择,一般遵循以下原则:

1)所选择的流速应尽量使流体呈湍流状态或至少使流体在不稳定的过渡状态流动,这样可以在较高的传热系数下进行热量交换,除非流体粘度过高,为避免压力损失过大,方选择在层流状态下流动。

2)高密度流体(或在相变中的流体)的摩擦动力消耗与传热速率相比,一般是小的,不起控制作用,适当提高流速是有利的。而对低密度流体,例如气体,在热交换时传热系数较低,但克服流动阻力消耗的动力却较大,因此其流速选择要慎重。

3)流速的高低,直接关系到换热管的振动情况,因此所选流速,应当不会导致流体的动力冲击,使换热管振动和冲蚀。

4)所选流速应使换热器便于制造,这就要求在设计换热器时,使换热管的长度及管程数相互匹配。因为换热管太长不便于换热管的更换和清洗;管程数过多,则会使结构复杂化,给制造增加难度,同时会使传热温差减小,降低传热效果。

5)所选择的流速应使换热器有适宜的外形结构尺寸,使换热器的长、宽、高的比例适中,增加美观感。

流速的选择要选取适宜的流速,在技术经济上需全面比较,选取不同的方案.才能得出最佳数值。

上面已经提到,当考虑换热器的传热系数时必须同时考虑流速对设备压力降的影响,因为压力降以流速的近二次方成比例地增长,而传热系数的增长与压力降的增长相比则增长得较慢,因此在设计换热器时一定要分清主次;哪个参数是主要参数,哪个参数是次要参数分清主次,才能使设计更符合实际。

一般来说,两侧的压力降有一定的允许范围。对液体一般控制在0.01~0.1MPa,对气体一般控制在0.001~0.01MPa范围内。

5.波纹管换热器的热力计算

波纹管换热器热力计算关系式。波纹管换热器的热力计算与管壳式换热器的热力计算的主要区别在于管内、管外的换热系数的计算公式不同。

波纹管换热器的结构设计

波纹管换热器是在管壳式换热器的基础上发展起来的。只是用波纹换热管代替了光滑直管而研制开发出来的一种新型换热器,因此其对管壳式换热器具有较强的继承性。管壳式换热器的一些结构设计中的计算、选材等同样适用于波纹管换热器,然而波纹管换热器毕竟是一种新型的换热器,具有其特殊性在波纹管换热器的结构设计时需加以注意。

1. 管板的设计

2.折流板的设计
3.换热器的防冲击问题
4.筒体厚度计算
5.内压(凹面受压)椭圆形封头厚度计算
6.等面积法开孔补强设汁
7.椭圆形封头非中心孔部位开孔补强计算

波纹管换热器的CAD技术

1. 换热器的CAD(Computer-Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写。换热器的CAD 就是利用计算机来完成换热器的一整套设计文件及绘制换热器施工图。其步骤为:

(1)由用户提出工艺条件数据及各种限制条件。

(2)进行传热及流体力学性能计算,求出总传热系数及需要的最小传热面积,打印输出中间结果。

(3)对性能计算过程进行迭代,以求出满意结果,并将最终结果编制成数据表。

(4)根据性能计算结果进行结构设计计算,打印输出计算结果,编制出数据表。

(5)绘制换热器施工图。

2. 换热器的最优化设计

应用计算机可以进行最优化计算,最优化实际上也是方案计算的发展和系统化、规律化,最优化设计可达到经济效益和社会效益最优。波纹管换热器的优化设计的目的就是使波纹管换热器各结构参数达到最佳值,各结构参数之间达到最佳组合,以期达到传递最大换热量。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/19/2011)
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