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管壳式换热器换热面积计算

更新时间:17/09/28 14:18:09     来源:www.jinanzeyu.com关闭分    享:
  管壳式换热器是种间壁式换热器,通常由管壳管束管板封头和挡板组成,热量由热流体通过管壁传向冷流体。由于它具有许多优点,因而在石油化工和能源等领域得到了广泛应用。很多用户不太了解管壳式换热器换热面积是如何计算的,详细的讲一下。
  两种工作条件下管壳式换热器的换热面积的计算
  1、工作条件之一:用于回收余热
  在设计回收余热用的管壳式换热器时,在传热系数K不变的前提下,若换热面积A设计得太小,则热量不能充分回收,造成能量的浪费,但若换热面积设计得过大,虽然回收的热量增加,但设备的成本和运行的费用也同时增加,因此在经济上有较佳的换热面积。
  对于这种用途的换热器,可将热流体热容G1CP1和进口温度t′1以及冷流体热容G2CP2和进口温度t′2作为已知条件。
  一般情况下由换热器带来的收入与换热器的换热量和年运行时间成正比,即年收入为:     I=(GCP)vτ    (元/年)minΔtiε
  式中,v-所传递热量的价格,元/焦;τ-年运行时间,S(4)
  换热器的初投资费用C1主要包括两部分:一部分是与传热面积A无关的固定投资费C2,如每年的维修费以及水泵或风机购置费等;另一部分是与传热面积A有关的费用,如制造换热器所用材料的购置费。如果后者与传热面积A成线性关系,则有:
  C1=C2+CrA(元)(5)式中,Cr-单位传热面积的材料费用,元/m2
  换热器投入运行后,还需一定的运行费用,主要是输运流体通过换热器时为克服沿程阻力和局部阻力所耗泵功费用,其中克服沿程阻力所耗泵功与管长(即传热面积)有关。设一年内消耗的泵功费用为C3,其中用于克服局部阻力所耗泵功费用为C4,再设克服沿程阻力的泵功费与传热面积A成线性关系,则有:
  C3=C4+CtA(元/年)
  2(6)Ct-单位传热面积的年泵功费用,元/(m·年)
  若换热器的设计寿命为n年,则每年的总费用(包括初投资的年回收额和年泵功费用
  (7)C1  C+C3    (元/年)n
  将式(5)和式(6)代入式(7)得:
  C=2r+C4++Ct)Ann
  C2  令C5+C4,为与传热面积无关的年支出费用,元/年;再令n
  m2·年)。则:  Cs+Ct,为单位传热面积的年总支出费用,元/(n
  C=C5+CsA(元/年)
  佳传热面积。
  为此,令=0,即(I-C)=0dAdA
  将式(4)和式(8)代入得:
  (GCP)Δtivτ-(C5+CSA)]=0minεdA
  由于C5与传热面积无关,即
  [(GCP)mindAdC5=0,因此上式化为:dACs)Δtivτ(ε]=0KΔtivτ(GCP)min(8)将年纯收入函数f(A)=I-C作为目标函数,该函数取极值时的面积A即为所求(9)
  Cs取   E, E被称为热经济参数,是一无量纲量。KΔtivτ
  将E的表达式代入式(9)得:
  [(GCP)tivτ(ε-E·NTU)]=0(10)minΔdA
  如果选定了CS、K、v、τ等参数,并在给定条件下,由于(GCP)tivτ为常量,且minΔ
  dNTU则(10)式化为(ε-E·NTU)=0(GCP)dNTUmin
  即=E(11)dNTU
  此方程即为求解回收余热用的换热器较好传热面积的数学模型。如果管壳式换热器
  的结构选定,可由其ε-NTU关系,求出dNTU的值为E时,对应的较好传热单元数NTUb,
  从而求得较好传热面积Ab.
  下面以逆流式换热器为例求得其解:
  1-exp〔-NTU(1-Rc〕  对逆流式换热器,ε-NTU关系式为:ε1-Rcexp〔-NTU(1-Rc)〕
  式中,Rc=(GCP)min/(GCP)max),则
  =(1-ε)(1-εRc)(1-ε(1-ε=Eb)bRc)
  122河北省科学院学报             2003年第20卷
  (1+Rc)-(1-Rc)+4RcE  从而求出较好的有效度:εb2Rc
  1-εbRc  较好传热单元数NTUb:NTUbln1-Rc1-εb
  NTUb(GCp)min  较好传热面积:Abk
  2、工作条件之二:用于加热介质,给定换热量
  如果换热器用于加热介质,给定冷流体的热容G2CP2和其进出口温度t2′和t2〃,同时给定热流体的进口温度t1′。
  此时换热器的换热量一定,由其带来的年收入具有确定值,由于热流体的购置费C′随换热器的有效度增加而减少,即随传热面积的增大而减少。而换热器的年支出费C却随换热面积的增大而增大,此时应使热流体的购置费C′和换热器年支出费C之和为小值,现将每公斤热流体价格折算成单位热量价格,则每年购置热流体的费用为:   C′=G1CP1Δtivτ(元/年)(12)
  (C′+C)=0  故这一优化问题的数学模型为dA
  dC5  将式(8)和式(11)代入上式,且因=0故有:dA
  (GCΔtvτ+CSA)=0dA1P1i
  解此方程即可求得加热介质用的换热器的较好传热面积。
  现以逆流式换热器为例求得其解
  由于G1CP1未知,现就G1CP1G2CP2两种情况加以讨论。
  当G1CP1   G2CP2(t〃t′2-2)由热平衡得:G1CP1Δtiε
  1-εRc  对逆流式换热器:  NTUln1-Rc1-ε
  G1CP1t〃R0t〃2-t′22-t′2Rc,  R0为给定值,G2CP2εΔtiεΔti
  εΔtiKA  又NTU=ε·NTU*
  (GCP)G1CP1G2CP2(t〃min2-t′2)min
  其中NTU*,dNTU*G2CP2R0G2CP2R0
  将G1CP1的表达式和NTU*的表达式以及E的定义式代入式(13),化简为:
  E·NTU*)=0*+εdNTU1-R0*  对逆流式换热器:NTUln01-εbb(13)
  以上是管壳式换热器换热面积计算的具体方法,是比较专业的计算方法,有些场合为了避免大家看不明白,设计了管壳式换热器换热面积对照表格,用起来比较简便一些,对原理性知识大家只需做到了解就好,有疑问可以联系我们技术人员给您解决。