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管殼式換熱器安全泄放裝置的計(jì)算及選型

文檔作者：周海陽(yáng) 文檔來(lái)源：杭州杭氧換熱設(shè)備有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月04日
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管殼式換熱器安全泄放裝置
的計(jì)算及選型
杭州杭氧換熱設(shè)備有限公司/周海陽(yáng)
摘要:介紹了管殼式換熱器換熱管斷時(shí)泄放量的基本公式,闡述在不同工況時(shí),安全泄放裝置泄
放量及最小泄放面積的計(jì)算,并通過(guò)實(shí)例介紹了安全泄放量和泄放面積的計(jì)算以及安全閥的選型過(guò)
程。
關(guān)鍵詞:管殼式換熱器;安全泄放裝置;計(jì)算;選型
安全泄放裝置是壓力容器上的重要安全附件當(dāng)容器內(nèi)壓力超過(guò)允許值時(shí),安全泄放裝置應(yīng)能自
動(dòng)、迅速地排放容器內(nèi)介質(zhì),確保壓力容器的安全。因此,正確計(jì)算、選用安全泄放裝置是設(shè)計(jì)工作
中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
安全泄放裝置選型時(shí),首先應(yīng)計(jì)算設(shè)備在各種超壓工況下的泄放量,其次求出在最大泄放量下相應(yīng)
的泄放裝置排放截面積,作為安全閥、爆破片的選型依據(jù)。
根據(jù)安全泄放裝置各種超壓工況確定其泄放量的一般性原則,管殼式換熱器通常在各種超壓工況下
的泄放量所確定的泄放裝置排放截面積以換熱管斷裂時(shí)為最大,所以管殼式換熱器上的安全泄放裝置的
直徑選擇通常也以換熱管超壓斷裂時(shí)的泄放量為準(zhǔn)。因此,選擇安全閥或爆破片時(shí),關(guān)鍵是要計(jì)算出換
熱管斷裂時(shí),由高壓側(cè)流向低壓側(cè)的泄放量。下面分三種工況進(jìn)行討論:液相、氣相和氣液兩相泄放量
的計(jì)算及安全泄放裝置的選型方法。
1基本公式
在計(jì)算因換熱管斷裂而引起的泄放量時(shí),根據(jù)AP5212007需作如下假設(shè):
(1)換熱器中只有1根管子斷裂;(2)管子在管板處斷裂(3)高壓側(cè)流體一部分通過(guò)管板處的斷裂
口進(jìn)入低壓側(cè),另一部分通過(guò)一段較長(zhǎng)的管子流入低壓側(cè)。計(jì)算這兩部分流量,一般簡(jiǎn)化處理方法就是
管板處斷裂口流量的2倍。
通常列管式換熱器管程和殼程壓力是不相等的。為了敘述方便,本文設(shè)定管程壓力大于殼程壓力,
由于某種原因,換熱器中某一根換熱管斷裂,導(dǎo)致管程和殼程連通。由于換熱器管程進(jìn)、出口壓差相對(duì)
于管程和殼程壓差來(lái)說(shuō)很小,可以忽略不計(jì)。于是,流體在兩段斷裂換熱管內(nèi)的流量相等。在管程工作
壓力與殼程安全閥起跳時(shí)的壓力差△P下,換熱管斷裂時(shí),管程泄入殼程的流量W(最大泄放量)為:
w=3600×2
(1)
式中:A為換熱管截面積,A=d為管子內(nèi)徑,mu為換熱管內(nèi)流體流速,m/sp為管程流
體密度,kg/m3
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 SHEJIZH1ZA0設(shè)計(jì)制造
通過(guò)管板處斷裂口流量可以用孔板公式進(jìn)行計(jì)算,基本公式為:
△h=
 2g
式中:△h為流體流動(dòng)的壓頭損失,m;g為重力加速度,9.81m/s2
當(dāng)換熱管斷裂時(shí):
u=c2gh
(2)
因?yàn)轭愃朴阡J孔,計(jì)算時(shí)C通?？扇?.7
由式(1)(2)得到:
w=5.6×102d△p
 .CnK net
(3)
式中:△P為壓差,MP
2液相時(shí)的泄放量計(jì)算
根據(jù)式(3),當(dāng)高壓側(cè)為液體,換熱管斷裂時(shí)的泄放量為:
w=5.6×102dp-p2p
(4)
式中:P1為換熱器高壓側(cè)的操作壓力,MP(A)P2為換熱器低壓側(cè)的操作壓力,MPa(A)
3氣相時(shí)的泄放量計(jì)算
3.1常用計(jì)算公式
計(jì)算可壓縮性流體的泄放量,基本公式為:
W=6.129×10dP
(5)
式中:M為分子量;Z為壓縮因子,T為高壓側(cè)流體溫度,Kk為絕熱指數(shù)。
通常,在一定的管道內(nèi),氣體的流速隨著管道進(jìn)、出口兩端的壓差增大而增加,直到管道出口端氣
體流速達(dá)到聲速后,流速達(dá)到極限。氣體的流速將不再隨管道兩端壓差增大而增加,這時(shí)氣體流速達(dá)到
極限值,稱此現(xiàn)象為流體的阻流。當(dāng)管道進(jìn)、出口壓力比達(dá)到2:1時(shí),就會(huì)發(fā)生這種情況。因此,要引
入一個(gè)臨界壓力P
P=(
若P2P,則式(5)保持不變。
3.2簡(jiǎn)化計(jì)算方法
根據(jù)式(3),已知d、P1、P2,只要得到p,就可以得到泄放量W
對(duì)于氣體,密度p根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算,用平均壓力來(lái)計(jì)算:
p
(6)
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式中:R為氣體常數(shù),R=8.314×10mpa·m3(kmol·K)
當(dāng)P2≤P,P取0.5P1,則式(3)變?yōu)?
=5.6×104
(7)
當(dāng)P>P,則式(3)變?yōu)?
w=4.343×10mp+p2)(p-p2)T
(8)
4氣液兩相時(shí)的泄放量計(jì)算
在很多化工裝置中,當(dāng)換熱器管子斷裂時(shí),會(huì)出現(xiàn)氣液兩相流泄放的狀況。如當(dāng)換熱器管子斷裂時(shí),
氣液兩相流流入低壓側(cè);高壓側(cè)為液相,當(dāng)泄放到低壓側(cè)時(shí),會(huì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象,形成氣液兩相流。
緊急泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)提供了兩相流泄放量的多種計(jì)算方法,這里主要介紹 Leungi提供的方程
泄放量計(jì)算公式:
w=5.6296×10d(pp)5
式中:G為無(wú)因次質(zhì)量通量。
4.1無(wú)因次質(zhì)量通量
當(dāng)P2≤P,即低壓側(cè)壓力小于臨界壓力,則:
 G'=n.lwn-s
當(dāng)P2>P,即低壓側(cè)壓力大于臨界壓力,則:
G=-2lnn+(-1)(1-n)1(/n-1)+1
=
式中:n、為兩種情況下的臨界壓力比;為壓縮流參數(shù)。
4.2臨界壓力比
臨界壓力比的計(jì)算公式為:
n2+(a2-2a)(1-n)2+2an+2(1-n)=0
當(dāng)>0.6時(shí),上式可簡(jiǎn)化為:
n=0.6055+0.1356n-0.0131(n)
4.3壓縮流參數(shù)
 Leung方法計(jì)算出的壓縮流參數(shù)就是用于衡量流體的可壓縮性。越大則流體的可壓縮性越明顯。
值可以分為幾個(gè)區(qū)間,見(jiàn)表1
表1壓縮流參數(shù)m的分布區(qū)間
閃蒸流
氣液兩相流
非閃蒸流
液相流
>1
1
0<<1
0=1
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 SHEJIZHIZAO設(shè)計(jì)制
=(xp)1-106p(2088.9lp)+2.3×102c pol(/p-1/p)/L]2
式中:x為氣相質(zhì)量分率p為流體總的密度,kg/m3p為氣相部分的密度,kg/m3p1為液
相部分的密度,kg/m3C為液體的比熱,kcal(kg·)t為流體溫度,KL為液相部分的汽化
潛熱,kcal/kg
上式中,∞由兩相組成,其中前一項(xiàng)指存在氣相而引起流體的可壓縮性第二項(xiàng)是考慮由于泄壓導(dǎo)
致相變化引起的可壓縮性。因此,如果高壓側(cè)無(wú)氣相存在,則第一項(xiàng)為零如果不會(huì)發(fā)生閃蒸,則第二
項(xiàng)為零
5實(shí)例
曼透平公司武漢項(xiàng)目增壓機(jī)列管式換熱器,其殼程設(shè)計(jì)壓力為0.5Ma,介質(zhì)為水;管程操作壓力
為5.3MPa,介質(zhì)為空氣,標(biāo)態(tài)下流量為4000m3/h,操作溫度359.6K;管子內(nèi)徑為13mm,大氣壓為
 0.IMPa(A).
p1=5.3+0.1=5.4mpa
P2=0.5(1+10%)+0.1=0.65MPa
式中:10%為超壓限度。
根據(jù)式(6),計(jì)算得臨界壓力為:
p=p(-=.=2.85m
根據(jù)式(5)得到安全泄放量為:
-(3
)=7697.8kg/h
根據(jù)式(7)得到安全泄放量為:
5.6×10=5.6001328.975.4-
由式(5)、(7)得到的結(jié)果相差不大。
根據(jù)GB150.12011附錄B,公式B.5泄放裝置的最小泄放面積:
A=13.16C
7954.2
1.0×359.6=2125mm
=13.16356×0.7506528.97
2
根據(jù)國(guó)產(chǎn)安全閥相應(yīng)喉徑對(duì)應(yīng)的安全閥直徑,所選用安全閥喉徑截面積應(yīng)稍大于而相近于計(jì)算得到
的最小泄放面積。在氣相空間中,安全閥優(yōu)先選用全啟式安全閥,故本例中選用公稱直徑為DN100mm
的全啟式安全閥。
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6結(jié)束語(yǔ)
每種工況應(yīng)考慮介質(zhì)、溫度、壓力等實(shí)際因素,選用公式進(jìn)行安全泄放量的計(jì)算,且計(jì)算得到的泄
放量和高壓側(cè)質(zhì)量流量比較,應(yīng)取小者(為安全泄放量是在一定的壓差條件下計(jì)算得到,有可能出現(xiàn)壓
差足夠大,而使計(jì)算得到的泄放量大于高壓側(cè)質(zhì)量流量)同時(shí),根據(jù)介質(zhì)情況、使用條件、經(jīng)濟(jì)性和可
操作維護(hù)性等綜合因素,合理選擇安全泄放裝置的設(shè)置方式和形式,確定安全泄放裝的開啟壓力,最
后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算或校核安全泄放裝置的面積和口徑,從而確定選型。
參考文獻(xiàn)
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