《第2章_管殼式熱交換器【《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》課件】》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第2章_管殼式熱交換器【《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》課件】（109頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

2 管殼式熱交換器,2.1.1 類型和標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布： 《管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)》GB 151—1999 （1999-02-26發(fā)布 2000-01-01實(shí)施）,2.1 管殼式熱交換器的類型、標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu),固定管板式：將管子兩端固定在位于殼體兩端的固定管板上，管板與殼體固定在一起。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，規(guī)格范圍廣，工程中應(yīng)用廣泛。 缺點(diǎn)：殼側(cè)不便清洗，只能采用化學(xué)方法清洗，檢修困難，對(duì)較臟或有腐蝕性介質(zhì)不能走殼程。當(dāng)殼體與換熱管溫差很大時(shí)，可設(shè)置單波或多波膨脹節(jié)減小溫差應(yīng)力。,管殼式換熱器結(jié)構(gòu)名稱,單程管殼式換熱器 1 —外殼，2—管束，3、4—接管，5—封頭 6—管板，7—折流板,管子兩端固定在管板上，管束與管板再封裝 在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。,,,U形管式：將換熱管彎成U形，管子兩端固定在同一塊管板上，彎曲端不加固定。換熱管可以自由伸縮，所以殼體與換熱管無(wú)溫差應(yīng)力。只有一塊管板，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，管束可從殼體內(nèi)抽出，殼側(cè)便于清洗，但管內(nèi)清洗困難，管內(nèi)介質(zhì)必須清潔且不易結(jié)垢。 殼程可設(shè)置縱向隔板，將殼程分為兩程。,浮頭式：一端管板與殼體固定，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由浮動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：1. 殼體和管束熱變形自由，不產(chǎn)生熱應(yīng)力。2. 管束可從殼體中抽出，便于殼程的檢修和清洗。 缺點(diǎn)：1. 浮頭蓋與管板法蘭連接有相當(dāng)大的面積，使殼體直徑增大。2. 浮頭與殼體之間形成阻力較小的環(huán)形通道，部分流體將經(jīng)此處旁通而不參加換熱。 適用：管殼間溫差大，殼程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)垢的情況。,填料函式：一端管板固定，另一端管板在填料函中滑動(dòng)。將浮頭露在殼體外面的浮頭式換熱器，又稱外浮頭式換熱器。填料密封處容易泄露，不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、 有毒和高壓的流體。且制造復(fù)雜，安置不便。,主要部件的分類及代號(hào),(a)等邊三角形法； (b)同心圓法； (c)正方形法圖2.8 管子在管板上的排列,2.1.2 管子在管板上的固定與排列,表2.2 換熱管中心距 mm,浮頭式： DL=Di –2(b1+b2+b),固定管板式、U型管式： DL=Di – 2b3 b3 =0.25d；且10mm,布管限定圓,管板與殼體的連接,2.1.3 管板,表 2.3 管板最小厚度 mm,分程隔板,2.1.5 縱向隔板、折流板和支持板 為提高流體流速和湍流程度，強(qiáng)化殼程流體傳熱，在殼程常裝設(shè)縱向隔板或折流板。 折流板除使流體橫過(guò)管束流動(dòng)外，還有支撐管束、防止管束振動(dòng)和彎曲的作用。 折流板常用形式有：弓形、盤環(huán)形 (或稱圓盤－圓環(huán)形)。弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形三種。,弓形,圓盤形,管板,折流板,(b) 缺口左右交替排列 圖2.18 弓形折流板的排列,圖2.20 缺口高度及板間距對(duì)流動(dòng)的影響 (a) 缺口高度過(guò)小，板間距過(guò)大 (c) 缺口高度過(guò)大，板間距過(guò)小 (b) 正常，缺口高度應(yīng)使流體通過(guò)缺口時(shí)與橫過(guò)管束時(shí)的流速相近。,(b) 正常,(a) 缺口上下交替排列,(a),(c),缺口弦高一般為殼體內(nèi)徑的20%~45% 折流板間距≥殼體內(nèi)徑的1/5 (最小50mm),表 2.4 最大無(wú)支撐跨距 單位：mm,圖2.21 折流板的安裝和固定,2.1.6 擋管和旁路擋板浮頭式熱交換器中，由于安裝浮頭法蘭需要，圓筒內(nèi)有一圈較大沒(méi)有排列管子的間隙，使部分流體由此間隙短路，使主流速度及換熱系數(shù)下降。而旁路流體未經(jīng)換熱就達(dá)出口，與主流混合必使流體出口溫度達(dá)不到預(yù)期數(shù)值。擋管和旁路擋板就是為了防止流體短路而設(shè)立的構(gòu)件。 擋管是兩端堵死的管子，安置在相應(yīng)于分程隔板槽后面的位置上，每根擋管占據(jù)一根換熱管的位置，但不穿過(guò)管板，用點(diǎn)焊的方法固定于折流板上。通常每隔3～4排管子安排一根擋管，但不應(yīng)設(shè)置在折流板缺口處，也可用帶定距管的拉桿來(lái)代替擋管。 旁路擋板可減小管束外環(huán)間隙的短路，用它增加阻力，迫使大部分流體通過(guò)管束進(jìn)行熱交換。其厚度一般與折流板厚度相同，將它嵌入折流板槽內(nèi)，并點(diǎn)焊在每塊折流板上。,圖2.22 旁路擋板,圖2.23 旁路擋板和擋管,2.1.7 防沖板和導(dǎo)流筒當(dāng)管程采用軸向入口或換熱管內(nèi)流速超過(guò)3m/s，應(yīng)設(shè)置防沖板，以減少流體分布不均和對(duì)換熱管端的沖蝕。 ★防沖板結(jié)構(gòu)尺寸 防沖板外表面到殼體內(nèi)壁的距離不小于接管內(nèi)徑的1/4，其通道流通面積須大于接管流通面積； 防沖板的直徑或邊長(zhǎng)，應(yīng)大于接管外徑 50mm； 防沖板最小厚度：碳鋼為4.5mm，不銹鋼為3mm。 ★防沖板固定形式 防沖板的兩側(cè)焊在定距管或接桿上，也可同時(shí)焊在靠近管板的第一塊折流板上； 防沖板焊在圓筒上； 用U形螺栓將防沖板固定在換熱管上（不允許防沖板焊在換熱管上）。,圖2.24 防沖板的形式,a) 內(nèi)導(dǎo)流筒 b) 外導(dǎo)流筒圖2.25 導(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu),★導(dǎo)流筒 在立式換熱器殼程中，為使氣、液介質(zhì)更均勻地流入管間，防止流體對(duì)進(jìn)口處管束段的沖刷，而采用導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)。 導(dǎo)流筒有內(nèi)導(dǎo)流筒與外導(dǎo)流筒兩種形式。內(nèi)導(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，但它占據(jù)殼程空間，而使布管數(shù)相應(yīng)減少。外導(dǎo)流筒是在進(jìn)口處采用擴(kuò)大環(huán)形通道，考慮到環(huán)形通道進(jìn)口處的線速度較高，為保證氣體沿圓周方向均勻的進(jìn)入，導(dǎo)流筒應(yīng)做成斜口形。1. 內(nèi)導(dǎo)流筒—導(dǎo)流筒外表面到殼體圓筒內(nèi)壁的距離宜不小于接管外徑的1/3。導(dǎo)流筒端部至管板的距離，應(yīng)使該處的流通面積不小于導(dǎo)流筒的處側(cè)流通面積。 2. 外導(dǎo)流筒—內(nèi)襯筒表面到外導(dǎo)流筒的內(nèi)表面間距為：接管外徑d≤200mm時(shí)，間距不小于 50mm；接管外徑d＞200mm時(shí)，間距不小于 75mm；立式外導(dǎo)流換熱器，應(yīng)在內(nèi)襯筒下端開(kāi)淚孔。,拉桿的布置 拉桿應(yīng)盡量均勻布置在管束的外邊緣。對(duì)大直徑換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿，任何折流板應(yīng)不少于3個(gè)支承點(diǎn)。 拉桿布置應(yīng)根據(jù)折流板缺口位置及折流板缺口與殼程進(jìn)出管的相對(duì)位置定。設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng) 設(shè)置排氣孔和排液孔，注意排氣孔和排液孔與管板連接螺栓的位置，不要影響螺栓的拆卸； 注意折流板缺口與進(jìn)出管的相對(duì)位置，缺口應(yīng)與進(jìn)出管垂直； 注意管殼層試驗(yàn)壓力的確定； 對(duì)多管程，注意分程隔板的設(shè)置與密封面的關(guān)系； 注意考慮防沖板和膨脹節(jié)的設(shè)置。,2.2 管殼式熱交換器的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算的任務(wù)在于確定設(shè)備的主要尺寸，對(duì)于管殼式熱交換器包括下列各項(xiàng)： ＊計(jì)算管程流通截面積，包括確定管子尺寸、數(shù)目及程數(shù)，并選擇管子的排列方式； ＊確定殼體直徑； ＊計(jì)算殼程流通截面積； ＊計(jì)算進(jìn)出口連接管尺寸。 ★ 結(jié)構(gòu)計(jì)算與傳熱計(jì)算一般同時(shí)進(jìn)行：結(jié)構(gòu)影響傳熱，傳熱→結(jié)構(gòu),2.2.1 管程流通截面積的計(jì)算,連續(xù)性方程，單管程的流通截面積為：At = Mt /(ρt wt) m2 (2.4) 式中：At——管程流通截面積，m2；Mt——管程流體的質(zhì)量流量，kg/s；ρt——管程流體的密度，kg/m3；wt——管程流體的流速，m/s。 為保證上述流量和流速，則所需管數(shù) n 為：n = 4At /(π di2) (2.5) 式中 di —管子內(nèi)徑，m。,滿足傳熱面積 F，每根管子的長(zhǎng)度 L 應(yīng)為：L = F/(πdn) m (2.6)式中 d 為管子的計(jì)算直徑，m一般情況下，d 取換熱系數(shù)小的那一側(cè) ★目前所采用的換熱管“長(zhǎng)徑比”，一般在4~25 之間，通常為6~10。GB/T 151—2014推薦的換熱管 長(zhǎng)度采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、 7.5、 9.0、 12.0 m等。管長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，就應(yīng)做成多流程的熱交換器。,管子長(zhǎng)度選為 l 后，所需管程數(shù) Zt 就可確定：Zt = L/l (2.7)總管子根數(shù)為：nt = n Zt (2.8)式中：L—管程總長(zhǎng)，m；n—每程管數(shù)。 確定流程數(shù)時(shí)，要考慮程數(shù)過(guò)多會(huì)使隔板在管板上占過(guò)多的面積，使管板上排列的管數(shù)減少。程數(shù)多還會(huì)增加流體的轉(zhuǎn)彎次數(shù)并增加流動(dòng)阻力。,2.2.2 殼體直徑 Ds = (b–1)s+2b′ (2.9) b′ —管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁距離：b′=(1~1.5) do b —管沿六邊形對(duì)角線上的管數(shù)。三角形排列時(shí)，b=1.1 ；正方形排列時(shí)，b=1.19 。,2.2.3 殼程流通截面積的計(jì)算 1) 縱向隔板A′s=Ms /ρs ws As－殼程流通截面積A′s= π/4Zs·(Ds2 – nt do2) 2) 折流板缺口處流通截面積Ab Ab=缺口處總截面積 Awg – 缺口處管子所占面積 Awt,Fc 為錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管子數(shù)占總管子數(shù)的百分?jǐn)?shù),h—折流板缺口高度， DL—最大布管圓直徑， Ds—熱交換器殼體內(nèi)徑， θ —折流板切口中心角，弧度： 折流板間錯(cuò)流面積Ac ： 當(dāng)排列方式為正方形斜轉(zhuǎn)或直列排列時(shí)：,當(dāng)排列方式為三角形排列時(shí)：,As, Ab, Ac 之間滿足以下關(guān)系：,圖2.26 折流板的幾何關(guān)系,2.2.4 進(jìn)出口連接管直徑的計(jì)算 進(jìn)出口連接管直徑的計(jì)算仍用連續(xù)性方程， 經(jīng)簡(jiǎn)化后計(jì)算公式為：,2.3 管殼式熱交換器的傳熱計(jì)算,1) 選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參考資料選用工藝條件相仿、設(shè)備類型類似的傳熱系數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。如附錄 A。 2) 實(shí)驗(yàn)測(cè)定：實(shí)驗(yàn)測(cè)定傳熱系數(shù)比較可靠，不但可為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且可以了解設(shè)備的性能。但實(shí)驗(yàn)數(shù)值一般只能在與使用條件相同的情況下應(yīng)用。 3) 計(jì)算：計(jì)算得到的傳熱系數(shù)往往與實(shí)際有出入，主要有換熱系數(shù)的公式不完全準(zhǔn)確，污垢熱阻不易準(zhǔn)確估計(jì)等原因。,傳熱系數(shù)_經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),一個(gè)現(xiàn)實(shí)的、無(wú)法回避的問(wèn)題。 換熱器的污垢，通常是指含有多種雜質(zhì)、污物及化學(xué)成分的工藝流體或冷卻水在換熱表面上逐步沉積形成的一層固態(tài)物質(zhì)。 水垢的導(dǎo)熱熱阻大約是碳鋼的40 ~ 50倍，是鋁材的160 ~ 240倍。 污垢形成機(jī)理十分復(fù)雜，垢阻具體數(shù)值無(wú)法作準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和計(jì)算，可靠方法是實(shí)際測(cè)量。,換熱器的污垢熱阻,污垢熱阻—經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)_附錄C、D、E,,以內(nèi)表面為準(zhǔn)時(shí),,以外表面為準(zhǔn)時(shí)_含污垢熱阻,以外表面為準(zhǔn)時(shí),以內(nèi)表面為準(zhǔn)時(shí)_含污垢熱阻,2.3.1 傳 熱 系 數(shù) 的 確 定,2.3.2 換熱系數(shù)的計(jì)算 1) 管內(nèi)、外換熱系數(shù)Nu = α·l /λRe = w·l /v流動(dòng)有層流和湍流之分： ＊層流：Re10000,管內(nèi)對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式 符號(hào)：l —管道長(zhǎng)度，m； Tw—璧面溫度，Ktm—流體平均溫度，℃； μ—流體動(dòng)力粘度，N.s/m2Tm—流體平均溫度，K； μw—璧溫下流體動(dòng)力粘度，N.s/m2,傳熱因子 科恩傳熱因子(Kern)和柯?tīng)柋緜鳠嵋蜃?Colburn) 科恩傳熱因子：柯?tīng)柋緜鳠嵋蜃樱?二者間關(guān)系： jh= jH · Re,圖2.27 管內(nèi)換熱時(shí) jh 與Re的關(guān)系,殼側(cè)換熱系數(shù) 殼側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算，特別是在殼側(cè)裝有折流板時(shí)，由于其中的流動(dòng)并非典型的錯(cuò)流，而且由于旁流和泄漏的存在、使流動(dòng)的復(fù)雜性大為增加。 理想管束：管子與折流板上的管孔之間、殼體內(nèi)壁與折流板的外緣之間、殼體內(nèi)壁與管束外緣之間均無(wú)間隙的換熱管束。,貝爾法是假定全部殼程流體都以錯(cuò)流形式通過(guò)理想管束， 求得理想管束的傳熱因子，然后根據(jù)熱交換器結(jié)構(gòu)參數(shù) 及操作條件的不同，引入各項(xiàng)校正因子。 (1) 總管數(shù)nt ，從圖紙上讀出。 (2) 錯(cuò)流區(qū)管排數(shù)Nc，最好從圖紙上讀出，否則按下式估算：Nc =Ds (1 – 2h/Ds) /sp (2.34)sp —見(jiàn)圖2.25 (3) 錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管子數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)Fc 見(jiàn)式(2.15)。 (4) 每一缺口內(nèi)的有效錯(cuò)流管排數(shù)NcwNcw = 0.8h /sp (2.35) (5) 錯(cuò)流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)FbpFbp = (Ds – DL) ls /Ac (2.36) 若有E流路存在時(shí)，則：Fbp = (Ds – DL + NE lE /2) ls /Ac (2.37) 式中 NE —管程隔板所占的通道數(shù) (E流路數(shù))；lE —E流道的寬度。,(6) 一塊折流板上管子和管孔之間的泄漏面積AtbAtb = πdo δtb (1+Fc) nt /2 (2.38)式中 δtb =dH – do，dH為管孔直徑。 (7) 折流板外緣與殼體內(nèi)壁之間的泄漏面積AsbAsb = Ds (Ds–Db)/2[π–arc cos(1–2h/Ds)] (2.39)式中：Db—折流板直徑。 (8) 流體通過(guò)缺口的流通面積Ab，見(jiàn)式(2.13)及(2.14)，Ab 為該兩式相減后的值。 (9) 缺口的當(dāng)量直徑Dw (用于Re≤100的情況)，這個(gè)值僅在層流區(qū)內(nèi)(Re≤100)才需要。Dw = 4Ab/[πnt (1+Fc) do /2+Ds θ] (2.40),(10) 折流板數(shù)目Nb = l/ls – 1 (2.41) 若進(jìn)出口段板間距不等于ls，則Nb = ((l – ls, i – ls, o)/ls) +1 (2.42) 式中 ls, i，ls, o—分別為進(jìn)出口段從折流板到管板的距離。 在明確結(jié)構(gòu)參數(shù)后，貝爾法計(jì)算殼程換熱系數(shù)過(guò)程如下： (1) 由圖2.29查熱交換器中心線處，假定殼程流體全部錯(cuò)流 流過(guò)管束，在此理想管束中純錯(cuò)流時(shí)的柯?tīng)柋緜鳠嵋蜃?jHjH = αo /Gs cp·Pr2/3(μ /μw) -0.14 (2.43) 式中 Gs—?dú)こ塘黧w質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；μ—以流體平均溫度為定性溫度的黏度，Pa·s；μw—以壁溫為定性溫度的黏度，Pa·s；cp—流體比熱，J/(kg·℃)。,圖2.29 理想管束的傳熱因子,(2) 由圖2.30查折流板缺口的校正因子jc，jc是Fc的函數(shù)，對(duì)于缺口處不排管的結(jié)構(gòu)，jc=1。 (3) 由圖2.31查折流板泄漏影響校正因子 jl (A和D流路)， 它是 Asb /(Asb+Atb)及(Asb+Atb) /Ac的函數(shù)。 (4) 由圖2.32查取管束旁通影響的校正因子 jb，它是Fbp和Nss /Nc (Nss為每一錯(cuò)流區(qū)內(nèi)旁路擋板對(duì)數(shù)，Nc 為錯(cuò)流區(qū)內(nèi)管排數(shù)) 的函數(shù)。 (5) 由下式計(jì)算當(dāng)熱交換器進(jìn)、出口段折流板間距不等時(shí)的校正因子 js(2.44)式中，當(dāng)Re≥100時(shí)，n=0.6；當(dāng)Re100時(shí)，n=1/3。,圖2.30 折流板缺口校正因子jc,圖2.31 折流板泄漏校正因子jl,圖2.33 低Re時(shí)逆溫度梯度的校正因子jr*,圖2.32 旁通校正因子 jb,圖2.34 中等Re時(shí)逆溫度梯度的校正因子jr,(6) 當(dāng)雷諾數(shù)較低時(shí)(殼程Re100)，將出現(xiàn)逆向溫度梯度，采用校正因子 jr以考慮其影響。當(dāng)Re≤20時(shí)，從圖2.33查取 jr＝ jr*。當(dāng)20Re100，從圖2.33查 jr*，再?gòu)膱D2.34查 jr (7) 計(jì)算殼程傳熱因子 jojo= jH jc jl jb js jr (2.45)并按式(2.43)算出殼程換熱系數(shù) αo,與換熱系數(shù)有關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題 1) 定性溫度：流體物性，如:?、μ、Pr 等，取決于溫度。確定物性的溫度即定性溫度。 a) 流體的平均溫度：tf = (tf' + tf“)/2 b) 壁面溫度： tw c) 流體和壁面的平均溫度：tm = (tw + tf )/2,卡路里溫度 ━ 高粘度流體熱流體平均溫度：tm1 = t1“+ Fc (t1'– t1“)冷流體平均溫度：tm2 = t2' + Fc (t2“– t2')Fc ━ 卡路里分?jǐn)?shù)： ? 殼側(cè)流體被管側(cè)的水冷卻：Fc =0.3； ? 殼側(cè)流體被管程的水蒸汽加熱：Fc =0.55； ? 殼側(cè)和管側(cè)均為油：Fc =0.45； ? 粘度10-3Pa.s以下低粘性液體：Fc =0.5。,,A — 流體流通截面積，m2 U — 濕周邊或熱周邊，m,,2) 定型尺寸 對(duì)流動(dòng)和換熱有顯著影響的幾何尺度如：管內(nèi)流動(dòng)換熱：取直徑 d 流體在流通截面形狀不規(guī)則的槽道中流動(dòng)：取當(dāng)量直徑 (de) 作為定型尺寸。,當(dāng)量直徑de 附錄B,3) 黏度修正 在某些準(zhǔn)則方程式中，為了考慮非定溫流動(dòng)和熱流方向?qū)Q熱的影響，常乘有(μf /μw)n，(Prf /Prw)m 因子的修正項(xiàng)，或準(zhǔn)則方程式中的Pr項(xiàng)對(duì)加熱和冷卻采用不同的方次。 此修正項(xiàng)計(jì)算，往往由于壁溫未知而要用試差法；但也可取近似值：＊液體被加熱時(shí)，取(μ /μw)0.14 ≈1.05＊液體被冷卻時(shí)，則取(μ /μw)0.14 ≈0.95＊對(duì)氣體，若也用(μ /μw)0.14因子來(lái)校正，不論加熱或冷卻，均可取(μ /μw)0.14 =1.0,2.3.3 壁溫的計(jì)算 放熱側(cè)壁溫：tw1= t1 –q1(1/α1 + rs,1) 吸熱側(cè)壁溫：tw2= t2 +q2(1/α2 + rs,2),壁溫和換熱系數(shù)試算 ①假定一側(cè)壁溫 (如 tw1) ②求該側(cè)換熱系數(shù) (α1) ③計(jì)算該側(cè)單位面積傳熱量：q1 =α1 (t1 – tw1) ④根據(jù)壁面熱阻 rw計(jì)算另一側(cè)壁溫 (tw2)q1= (tw1 – tw2)/rw ? tw2 ⑤求另一側(cè)換熱系數(shù) (α2) ⑥計(jì)算另一側(cè)單位面積傳熱量：q2 =α2 (tw2 – t2)如假定正確： q1 = q2,表2.8 例題2.1的計(jì)算表格,,,管殼式換熱器允許的壓降范圍,2.4.1 管程阻力計(jì)算 Δpt = Δpi + Δpr + ΔpN Δpt —管程總阻力，Pa； Δpi —沿程阻力，Pa； Δpr —回彎阻力，Pa； ΔpN —進(jìn)、出口連接管阻力，Pa,2.4 管殼式熱交換器的流動(dòng)阻力計(jì)算,λ— 莫迪（Moody）圓管摩擦系數(shù) fi — 范寧（Fanning）摩擦系數(shù)，也稱摩擦因子：λ=4 f di — 圓管內(nèi)徑，對(duì)非圓形管道，用水力直徑，m L — 管程總長(zhǎng)，m ρ — 管內(nèi)流體在平均溫度下的密度，kg/m3 wt — 管內(nèi)流體速度，m/s φi — 管內(nèi)流體粘度校正因子,或：,當(dāng)Re 2100時(shí)：,Re 2100時(shí)：,Pa,Pa,沿程阻力 ΔPi 可用下式計(jì)算：,比摩阻 每m管長(zhǎng)的沿程損失，比摩阻 R， 可用達(dá)西．維斯巴赫公式進(jìn)行計(jì)算：,摩擦阻力系數(shù) λ 取決于管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)和管壁的粗糙程度。,圖2.36 管內(nèi)流動(dòng)摩擦系數(shù) e—絕對(duì)粗糙度； d—管徑,λ=4 f,Re＜2320時(shí)，屬層流流動(dòng)，可按下式計(jì)算：,注： 熱水供暖系統(tǒng)中很少出現(xiàn)層流狀態(tài)，僅在自然循環(huán)熱水供暖系統(tǒng)的個(gè)別水流量極小、管徑很小的管段內(nèi)，才會(huì)出現(xiàn)層流。,Re2320時(shí)，流動(dòng)呈紊流狀態(tài)，可分為三個(gè)區(qū)域： 1、水力光滑管區(qū)：λ 可用布拉修斯公式計(jì)算：2、過(guò)渡區(qū)：λ 可用洛巴耶夫公式計(jì)算：3、粗糙管區(qū)（阻力平方區(qū)）：λ 取決于管壁的相對(duì)粗糙度，可用尼古拉茲公式計(jì)算：,紊流流動(dòng),,Pa,,Zt — 管程數(shù),進(jìn)出口連接管阻力的計(jì)算式：,總流動(dòng)阻力為：,Pa,回彎阻力用下式計(jì)算：,Pa,順列管束：Δps =0.66Re-1/5ρ wmax2 (μ /μw )0.14N Pa (2.58) 錯(cuò)列管束：Δps =1.5Re-1/5ρ wmax2 (μ /μw)0.14N Pa (2.59) 式中 N—流體橫掠過(guò)的管排數(shù)目；wmax—最窄流通截面處的流速，m/s。 弓形折流板的殼程阻力，基于廷克流路分析基礎(chǔ)上的貝爾計(jì)算法： 1) 由圖2.37查取理想管束的摩擦系數(shù) fk。 2) 計(jì)算每一理想錯(cuò)流段阻力ΔpbkΔpbk = 4 fk(Ms2 Nc)/(2Ac2 ρ) (μ/μw) -0.14 Pa (2.60) 式中：Ms—?dú)こ塘黧w質(zhì)量流量，kg/s。,2.4.2 殼程阻力計(jì)算,無(wú)折流板,圖2.37理 想 管 排 摩 擦 系 數(shù),3) 計(jì)算每一理想缺口阻力Δpwk 當(dāng)Re≥100時(shí)： Δpwk =M2s/(2Ab Ac ρ) (2+0.6Ncw) Pa (2.61) 當(dāng)Re100時(shí)： Pa (2.62) 4) 折流板泄漏的校正系數(shù) Rl 可由圖2.38查得。旁路校正系數(shù) Rb可由圖2.39查得。進(jìn)、出口段折流板間距不同的校正系數(shù) Rs：(2.63)當(dāng)Re≥100時(shí)， n′=1.6當(dāng)Re100時(shí)， n′=1 5) 殼程的總阻力Δps Δps=[(Nb –1)(Δpbk)Rb+NbΔpwk]Rl+2(Δpbk)Rb (1+Ncw/Nc)Rs (2.64),圖2.38 折流板泄漏對(duì)阻力影響的校正系數(shù),圖2.39 旁路對(duì)阻力影響的校正系數(shù),★流動(dòng)空間的選擇設(shè)計(jì)熱交換器時(shí)必須正確選定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。應(yīng)考慮下述一些原則： 1) 盡量提高換熱系數(shù)受限一側(cè)的換熱系數(shù)，使傳熱兩側(cè)的傳熱條件盡量接近； 2) 節(jié)省金屬材料，特別是貴重材料，降低制造成本； 3) 便于清洗積垢，以保證運(yùn)行可靠； 4) 溫度較高的熱交換器應(yīng)減少熱損失； 5) 減小殼體和管子因受熱不同而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，以便結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化； 6) 高壓熱交換器，盡量密封簡(jiǎn)單而可靠； 7) 便于流體的流入、分配和排出。,2.5 管殼式熱交換器的合理設(shè)計(jì),★流體溫度的確定 流體溫度對(duì)熱交換器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行有重大影響，因而很多情況都要由生產(chǎn)工藝或由設(shè)計(jì)者根據(jù)需要事先決定。 合理選擇流體溫度和換熱終溫可參考以下數(shù)據(jù)：1) 熱端溫差≮ 20 ℃；2) 冷端溫差≮5 ℃；3) 冷卻或冷凝器中，冷流體的初溫應(yīng)高于熱流體的凝固點(diǎn)；對(duì)含有不凝結(jié)氣體的冷凝，冷流體的終溫要低于被冷凝氣體的露點(diǎn)以下5 ℃；4) 空冷式熱交換器熱流體出口和空氣進(jìn)口之間的溫差，從經(jīng)濟(jì)上考慮應(yīng)不低于20 ℃；5) 多管程熱交換器應(yīng)盡量避免溫度交叉，必要時(shí)可將較小一端溫差加大到20 ℃以上。 存在多個(gè)熱源時(shí)，采用逐級(jí)加熱可得到較高的平均溫差，并能使低溫?zé)嵩吹玫接行Ю谩?★管子直徑的選擇小管徑 ? 單位體積的傳熱面大 ? 流動(dòng)阻力增加? 增加管數(shù) ? 泄露增加 ★流速的選擇大流速 ? 傳熱增強(qiáng) ? 流動(dòng)阻力增加,湍流：α ∝ w0.8Δp∝ w1.8,附錄F 流體流速的選擇,換熱器熱計(jì)算的任務(wù) 一臺(tái)換熱器進(jìn)行的全部設(shè)計(jì)工作包括： 熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)布置、流動(dòng)阻力計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算以及繪圖 換熱器的熱計(jì)算有兩種基本類型：設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算,設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)指定的換熱任務(wù)，一般是介質(zhì)的種類、流量和進(jìn)出口溫度，選擇合適的換熱器型式和流道布置方案，求出總傳熱系數(shù)，進(jìn)而確定所需要的換熱面積。校核計(jì)算 針對(duì)已有的換熱器，核查它能否完成預(yù)定的某項(xiàng)換熱任務(wù)，即核算兩側(cè)流體的出口溫度能否達(dá)到預(yù)期值。,2.6 管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)程序 初選傳熱系數(shù) ? 初估的傳熱面積 ? 結(jié)構(gòu)安排? 傳熱計(jì)算 ? 傳熱系數(shù)與傳熱面積計(jì)算校核：結(jié)構(gòu)確定的傳熱面積比計(jì)算值高10~20%！,一、原始資料，選定熱交換器型式原始資料包括：流體的物理、化學(xué)性質(zhì)，工況參數(shù)：流量、壓力、溫度、熱負(fù)荷。 二、熱計(jì)算 1) 確定定性溫度，并查取物性數(shù)據(jù)。 2) 由熱平衡計(jì)算熱負(fù)荷、流量等熱力參數(shù)。 3) 選擇殼體和管子的材料；選定流動(dòng)方式。 4) 求平均溫差。,三、傳熱與結(jié)構(gòu)計(jì)算及校核 1) 初選傳熱系數(shù) k′ ，并初算傳熱面積 F′。 2) 設(shè)計(jì)熱交換器的結(jié)構(gòu)：① 選取管徑和管程流體流速；② 確定每程管數(shù)、管長(zhǎng)、總管數(shù)；③ 確定管子排列方式、管間距、殼體內(nèi)徑等；④ 確定殼側(cè)程數(shù)及縱向隔板，或折流板等殼程尺寸；⑤ 確定換熱器的實(shí)際傳熱面積 F實(shí)際 。 3) 管、殼程換熱系數(shù)計(jì)算及污垢熱阻、壁面熱阻，算出傳熱系數(shù) k計(jì)算 及傳熱面積 F計(jì)算 。,4) 傳熱與結(jié)構(gòu)的校核：由結(jié)構(gòu)得到的傳熱面積 F實(shí)際 應(yīng)比計(jì)算出的傳熱面積 F計(jì)算 高10~20%，否則重新計(jì)算。 5) 核算壁溫；要求與假定的壁溫相符。,,,四、管程及殼程阻力計(jì)算與校核，使之小于允許壓降，若壓降不符合要求，要調(diào)整流速或結(jié)構(gòu)尺寸重新計(jì)算。,管殼式熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算[例2.2],圖2.49 管子布置圖 (單位：mm),2.7 管殼式冷凝器與蒸發(fā)器的工作特點(diǎn),圖2.50 過(guò)熱蒸汽的冷卻冷凝,2.7.1 管殼式冷凝器 過(guò)熱蒸汽在冷凝器內(nèi)的溫度變化可能存在三個(gè)不同的區(qū)域。 1) 區(qū)段a：蒸汽溫度高于飽和溫度，壁面溫度也高于 飽和溫度(即tts，twts)。在該區(qū)段 蒸汽并不凝結(jié)而只是被冷卻，傳熱 屬于單相對(duì)流熱交換，顯熱傳遞。 2) 區(qū)段b：蒸汽溫度高于飽和溫度， 而壁面溫度已低于飽和溫度 (即tts，twts仍存在顯熱 傳遞，與壁面接觸的蒸汽卻進(jìn)行 冷凝換熱，潛熱傳遞。 3) 區(qū)段c：蒸汽溫度等于飽和溫度 而壁面溫度低于飽和溫度 (即t=ts，twts)。屬于單一的冷凝換熱。,圖2.52 互溶液體的蒸汽的冷凝過(guò)程,液相線或沸騰等壓線：一定壓力，不同組成的溶液開(kāi)始沸騰時(shí)的溫度— 泡點(diǎn)。 氣相線或冷凝等壓線：一定壓力，不同組成的氣體開(kāi)始冷凝時(shí)的溫度— 露點(diǎn)。 組成為y1混合蒸汽，被冷卻到tv時(shí)開(kāi)始冷凝 (H點(diǎn)—露點(diǎn))，出現(xiàn)冷凝的液體N點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x′1 。由于x′1y1，其余蒸汽中的組分含量增加，它必須冷卻到更低溫度下才能冷凝。冷卻到ti (E點(diǎn))，它的成分與前不同, 分別為xi與yi (F點(diǎn)和G點(diǎn))。進(jìn)一步冷凝到tc時(shí)，混合物全部冷凝成液體 (J點(diǎn)—泡點(diǎn))，x1=y1。對(duì)應(yīng)的最后一點(diǎn)蒸汽為yc。,混合蒸汽的冷凝,2.7.2 管 殼 式 蒸 發(fā) 器 的 工 作 特 點(diǎn),圖2.53 中心循環(huán)管式蒸發(fā)器 1加熱管束；2中央循環(huán)管； 3汽液分離空間；4加熱室,臥式殼管式冷凝器,液態(tài)制冷劑入口,制冷劑蒸氣出口,傳熱管,外殼,液態(tài)制冷劑,滿液式臥式殼管式蒸發(fā)器,冷凍水進(jìn)口,冷凍水出口,,圖2.54 滑動(dòng)管板式浮頭熱交換器,2.8 高溫、低溫?zé)峤粨Q器綜述,圖2.55 管端的防護(hù)結(jié)構(gòu),通常指工作溫度350 ℃以上，壓力10 MPa以上。 溫度超過(guò)1000~1500 ℃、壓力超過(guò)20～30 MPa的熱交換器也屢見(jiàn)不鮮。,2.8.1 高溫高壓管殼式熱交換器,2.8.2 工業(yè)爐用高溫?zé)峤粨Q器,圖2.57 整體式熱交換器結(jié)構(gòu),圖2.56 鑄鐵針片管,圖2.58 環(huán)縫式輻射熱交換器 圖2.59 環(huán)縫式輻射熱交換器的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),圖2.60 圓柵管式輻射熱交換器 圖2.61 管式輻射熱交換器和對(duì)流熱交換器的組合裝置1管式輻射熱交換器；2對(duì)流熱交換器,2.8.3 低溫?zé)峤粨Q器,圖2.65 150 m3/h制氧裝置原理流程圖,圖2.67卵 石 蓄 冷 器,圖2.66 50m3/h制氧機(jī)的主熱交換器1, 5補(bǔ)償接頭； 2 上蓋板； 3 中心管； 4 下蓋板,