换热和冷却系统(共23页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第七节 换热和冷却系统工艺设计一、 换热和冷却的流程设计1概述换热和冷却工艺流程是油气集输工艺流程设计的重要组成部分。换热和冷却的流程设计是要在经济合理的条件下，最大限度的回收热量，也就是考虑如何合理安排换热流程。在安排换热流程的同时，对温度等操作条件也应随之加以确定。当主要的目的是加热冷流时，一般总是先和温度较低的流体换热，然后再和温度较高的流体换热，这样总的平均传热温差较高。2介质流程确定确定介质那一个走管程，那一个走壳程，应根据流体性质，从有利于传热，减少设备腐蚀，减少压力降和便于清洗选定。在确定时应考虑以下因素：1）有腐蚀性介质走管程，以免走壳程时换热器的管程

2、和壳程同时受腐蚀。2）有毒性的介质走管程，泄漏机会较少。3）压力高的介质走管程，以免壳体受压而增加厚度，多耗钢材，造价增大。4）不清洁的易于结垢的介质走管程，便于清洗。壳程不便于清洗。5）粘度大或流量小的走管程，因可采用多管程获得较大的流速，有利传热。6）如果两种介质传热系数相差较大时，宜将膜传热系数高的介质走壳程。壳程雷诺数 100即为湍流状态，可减少压降。7）在水冷却器中，一般均为水走管程，被冷却的介质走壳程。8）气相冷凝走壳程（无管壳式换热器的那种折流板）。已有定型的冷凝器，有相变的一方走壳程。3流速流速是换热器计算的一个重要参数，它影响换热器的流通面积。增加流速有利于传热，同时也增加了

3、压降。因此，根据经验在不同的操作条件下确定合理的流速。此外，为了避免由于流速过高而造成设备的磨损。根据经验确定的换热器内的流速范围可参考表2-3-29的数据：表2-3-29 换热器内的参考流速范围介质管程流速（m/s）壳程流速（m/s）循环水新鲜水低粘度油高粘度油1.0 2.01.0 1.50.8 1.80.5 1.50.5 1.50.5 1.50.4 1.00.3 0.8表2-3-30为不同粘度的液体在换热器中的最大流速。表2-3-30 不同粘度的液体在换热器中的最大流速液体粘度（mPas）最大流速（m/s） 15001000 500500 100100 3535 1 1800 kcal/m

4、2h 采用高翅片当管内传热膜系数 10001800 kcal/m2h 采用高低翅片均可当管内传热膜系数 1001000 kcal/m2h 采用低翅片当管内传热膜系数 100 kcal/m2h 采用光管6）对数平均温差及其校正系数对数平均温差按一般的方法计算。在计算对数平均温差之前，需要先知道空气的出口温度。空气的出口温度可按图2-3-76、表2-3-35及表2-3-36每片管束光管面积简表试算求得。表2-3-36每片管束光管面积m2宽边m管排数长边，m34.569翅片种类高翅低翅高翅低翅高翅低翅高翅低翅2468513247487148715684114649612886127169971451

5、9334684060804872968612817098147196129196257148222296在空冷器中冷流体系按错流的流向流动的。错流的对数平均温差，其校正系数F的求法如图2-3-77和图2-3-78。图2-3-75 管内流率、流速与单程管数及管束规格关系图图2-3-76 空冷器算图 图2-3-77 一管程的F图 图2-3-78 二管程的F图多管程时：将单管程的F开N次方（N为管程数）。6储油舱及油罐的加热维温系统储油舱及油罐的原油、污油、污水等的储存和输送，一定要保持其流动性，也就是说要求储存温度必须维持在析蜡点或凝点以上。以下以油品为例。油品加热或维温的计算，通常要考虑以下2个

6、因素： 保持油品温度在析蜡点以上的正常储存温度时所需要的热量，也就是油品向外的散热损失； 将油品从“冷态”的环境温度加热升温带析蜡点以上的正常储存温度所需要的热量，即油品加热升温的耗热量。从理论上说，油品在正常储存温度下，散热损失最大而升温耗热量为零；但当油温还在环境温度下时，散热损失最小，为零，而升温耗热量最大。实际上计算时，一般都是将最大散热量加上平均升温加热量作为总的耗热量，来确定总加热量。1）加热器的计算加热器的加热面积为：A = Q （2-3-38） K0 （t1 + t2 ty） 2式中：A：加热器面积，m2；Q：单位时间内加热油品所需的总热量，W；K0：热源通过加热器对油品的总传

7、热系数，W/ m2；t1、t2：热源进、出加热器的温度，；ty：油品在加热过程中的平均温度，；2）油品平均温度ty的计算当tyz ti 2时，ty用算数平均法求得，即ty = tyz + tys tys ti 2当tyz ti 2时，ty用对数平均法求得，即ty = ti + tyz tys tys ti ln tyz ti tys ti式中：tys：油品加热起始温度，；tyz：油品加热终了温度，；ti：舱体罐或体周围介质温度，；3）单位时间内加热油品所需的总传热量Q的计算 Q = 1 （Q1 + Q2） + Q3（2-3-39） 式中：Q： 单位时间内加热油品所需的总传热量，W；Q1：用于油

8、品升温的热量，J；Q1 = Gc（tyz tys）（2-3-40）Q2：融化已凝固部分油品所需的热量，J； Q2 = N G（2-3-41） 100Q3：在加热过程中单位时间内散失到周围介质中的热量，W；Q3 = FK（ty ti）（2-3-42）以上各项式中：加热总时间，s；见表2-3-37；G：被加热油品的总质量，kg；c：油品的比热容，J/ kgN：凝结的石蜡在油品中的含量，%；K：油舱总传热系数W/ m2；：石蜡的融解潜热，kJ/kg；见表2-3-38；F：油舱或油罐总表面积，m2，F = Fa + Fb + Fc + Fd，F为前后隔舱壁面、左右侧面、顶面、底面的面积之和；作为油罐，

9、则Fa = Fb； 表2-3-37 油品升温所需的加热时间应用条件 h1、tyz tys 60 h 241、tyz tys = 25 30 2、油罐容积为2000或3000m33、操作周期 100 h 361、tyz tys 25 2、油罐容积等于大于5000m33、操作周期 150 h 48表2-3-38 石蜡融解潜热油品凝固点 ，kj/kg油品凝固点 ，kj/kg-15-10-5051015196.8198.9203.1205.2209.3211.4213.520253035404550217.7219.0219.8221.9224.0226.1228.2综合前3式，单位时间内加热油品所需

10、的总传热量可表达为：Q = 1 Gc（tyz tys）+ N G + FK（tY ti）（2-3-43） 100 如果未冷却到凝固点，Q2 = 0又可表示为：Q = 1 Gc（tyz tys） + FK（tY ti）（2-3-44） 如果油品加热只是为了维温，则所需的热量为：Q = FK（tY ti）（2-3-45）4）油舱或油罐总传热系数K值的计算 油舱总传热系数K值的计算K = Ka Fa + Kb Fb + KcFc + KdFd （2-3-46） Fa + Fb + Fc + Fd按经验对不同的传热表面（舱的前、后、顶、底、侧等），K取不同的数值，一般范围在5.58.5之间。例如新加坡

11、某船厂选用的经验数据如表2-3-39：表2-3-39 油舱传热系数经验值前后隔舱壁面 Ka5.5 W/m2左右侧面 Kb7.1 W/m2舱顶面 Kc8.5 W/m2舱底面 Kd7.1 W/m2 无保温层油罐总传热系数作为无保温层地上立式油罐，则Ka = Kb，即Ka Fa = Kb Fb。其计算方法与油舱一样。油罐传热系数经验值可参考表2-3-40：表2-3-40 油罐传热系数经验值罐壁 Ka和Kb4.58.2 W/m2罐顶 Kc1.22.4 W/m2罐底 Kd0.35 W/m2海上油罐需对罐底传热系数根据实际情况进行调整。 保温油罐总传热系数地上保温立式油罐的总传热系数求法与上述不保温油罐相

12、同，只是在计算罐壁传热系数Kb时，考虑到保温层的热阻比其他热阻大的多，Kb可近似地由下式求得：Kb （2-3-47） 式中：保温材料的导热系数，W/m2，见表2-3-41；：保温层厚，m；表2-3-41 常用保温材料的密度和导热系数材料名称密度， kg/m3导热系数，W/m2玻璃棉毡矿渣棉毡石棉硅藻土泡沫混凝土100 160130 250 600400 6000.0407 0.05820.0407 0.06980.0582 0.15110.0900 0.14545）用于油舱盘管加热器的导热油用量计算 W = Q/CH（ t2 t1）（2-3-48）式中：W：导热油用量，kg/h；CH：热油的比

13、热容，J/ kg；四、冷换设备计算实例1管壳式换热器计算实例1）已知设计参数热负荷：3280 kW体积流量：380 m3/h 介质密度：813 kg/m3 (65 )介质粘度：原油 3.6 cp (65 ), 3.4 cp (82 )操作压力：0.6 MPa操作温度：82 管程介质：热介质热介质温度：T1 = 150 ；T2 = 100 壳程介质：原油原油温度：t1 = 65 ；t2 = 82 2）计算步骤 平均温差T：选择单壳程双管程换热器，则有： Tm = (T1 - t2) - (T2 - t1) = 50 ln (T1 - t2) (T2 - t1) P = t2 - t1 = 0.2

14、0 T1 - t1 R = T1 - T2 = 2.94 t2 - t1由P和R得：F = 0.94则T = F Tm = 47 总传热系数取：K = 200 W/m2 换热面积：A = Q/(KT) = 349 m2 设备选型：数量：2 台3）选择型号型号：BES9001.62156/252I2空冷器计算实例1）已知设计参数热负荷：2.12106 kcal/h体积流量：42 m3/h 介质密度：776 kg/m3（20）操作温度：165冷却到55 设计气温：35 2）计算步骤 空冷器选择因接近温度55-35=20，用空冷器较合适。由表2-3-33估计K = 350 kcal/m2h。 确定管

15、排数按高低翅片管及管排数的选用方法，选本空冷器为低翅片管，管排数为6。已知流率为42 m3/h，查图2-3-75得当流体在管内流速在1 m/s时，可采用PD926（VI）的管束，6管程。 平均温差T： 光管热强度假定空气温升47，查图2-3-76得光管热强度1.5104 1.163=1.744104 W/m2。 光管传热面积2.12106 1.163/1.744104 = 141.34 m2。查表2-3-36，对92m（长宽），低翅片，6排管，光管面积145 m2合适，暂决定取PD926（VI）1片。 迎风面积查表2-3-35得光管面积/迎风面积为8.74，则迎风面积 = 145/8.74=1

16、6.59 m2。 核算迎风面积管束92m，迎风面9 2 = 18 m2，可以。 核算光管热强度查表2-3-35，单位光管面积空气每升高1带走热量372W/m2，现145m2，温升47，带走热量 = 372 145 47 = W，大于热负荷2.121061.163 W，光管热强度为/145 = 17484 W/m2，与由图2-3-76查的光管热强度1.744104 W/m2接近，可以。 核算空气温升查图2-3-76，由光管热强度1.744104 W/m2与传热系数350 kcal/m2h（410W/ m2）一点相联并延长交于Tm线，再水平引线与接近温度20曲线相交，引垂直线向下得 = 64。而

17、= 110 空气升温，这样空气升温是46，与原假设47一致。 计算平均温差TTm = (T1 - t2) - (T2 - t1) = 45 ln (T1 - t2) (T2 - t1) P = t2 - t1 = 0.361 T1 - t1 R = T1 - T2 = 2.34 t2 - t1 由P和R查图2-3-77得：F = 0.56管程时F =（0.5）1/6 = 0.891则T = F Tm = 40 换热面积：A = Q/(KT) = 151.4 m2 含设备选型：按以上换热面积即可选择空冷器的型号。参考文献1 石油化学工业部石油化工规划设计院组织编写，冷换设备工艺计算，石油工业出版社，19832 油田油气集输设计技术手册编写组编，油田油气集输设计技术手册，石油工业出版社，19943 上海化工学院、成都科技大学、大连工学院编，化学工程，化学工业出版社，19804 海上采油工程手册编著，石油工业出版社，20015 大庆油田科学研究设计院，油气集输储运设计手册，19756 中国海洋石油总公司翻译出版，美国雪夫龙公司海上油气工程设计实用手册，19927 王松汉主编，石油化工设计手册，化学工业出版社，2002专心-专注-专业