列管式換熱器設(shè)計(jì)方案和選用

1、列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用1) 列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用應(yīng)考慮的問題 冷、熱流體流動通道的選擇具體選擇 冷、熱流體流動通道的選擇在換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流經(jīng)殼程，下列幾點(diǎn)可作為選擇的一般原則：a) 不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。b) 腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。c) 壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。d) 飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出e) 流量小而粘度大()的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re100 即可達(dá)到湍流。但這不是絕對的，如流動阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得

2、到較高的表面?zhèn)鳠?系數(shù)。f) 若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。g) 需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。以上各點(diǎn)常常不可能同時(shí)滿足，應(yīng)抓住主要方面，例如首先從流體的壓力、防腐蝕及清洗等要求來考慮，然后 再從對阻力降低或其他要求予以校核選定。 流速的選擇常用流速范圍 流速的選擇 流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特 別對于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大， 又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表

3、4.7.1 及表 4.7.2 列出一些工業(yè)上常用的 流速范圍，以供參考。表 4.7.1 列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類流速 m/s管程殼程一般液體0.5 0.30.2 1.5宜結(jié)垢液體10.5氣體530315表 4.7.2 液體在列管換熱器中流速(在鋼管中)液體粘度最大流速 m/s15000.610005000.75500 1001.1100531.53511.812.4 流動方式的選擇流動方式選擇流動方式的選擇 除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動。當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流

4、體阻力損失，即輸送 流體的動力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。當(dāng)采用多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流動形式復(fù)雜，對數(shù)平均值的溫差要加以修正，具體修正方法見4.4 節(jié)。 換熱管規(guī)格和排列的選擇具體選擇換熱管規(guī)格和排列的選擇 換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些。但對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過多。目前我國試行的系 列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用 和 兩種規(guī)格，對一般流體是適應(yīng)的。此外，還有， 572.5 的無縫鋼管和 252,的耐酸不銹鋼管。按選定的管徑和流速確定

5、管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管子長度。實(shí)際所取管長應(yīng)根據(jù)出廠的鋼管長 度合理截用。我國生產(chǎn)的鋼管長度多為6m、9m，故系列標(biāo)準(zhǔn)中管長有 1.5，2，3，4.5，6和 9m六種，其中以 3m和6m更為普遍。同時(shí)，管子的長度又應(yīng)與管徑相適應(yīng)，一般管長與管徑之比，即L/D 約為 4 6。管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖 4.7.11a ，圖 4.7.11b ）。與正方形相比，等邊三角形排列比較 緊湊，管外流體湍動程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對易 結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45安裝（圖 4.7.11c ），可在一定程度上

6、提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圖 4.7.11 管子在管板上的排列 折流擋板 折流擋板間距的具體選擇折流擋板 安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。 對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。由圖 4.7.12 可以看出，弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生 死區(qū) ，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力a.切除過少b. 切除適當(dāng)c.切除過多圖 4.7.12 擋板切除對流動的影響擋板的間距對殼體的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.21

7、.0 倍。我國系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有 100，150，200， 300， 450，600，700mm 七種浮頭式有 100，150，200，250，300，350，450（或 480）， 600mm 八種。（2） 流體通過換熱器時(shí)阻力的計(jì)算 換熱器管程及殼程的流動阻力，常?？刂圃谝欢ㄔ试S范圍內(nèi)。若計(jì)算結(jié)果超過允許值時(shí)，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)或 重新選擇其他規(guī)格的換熱器。按一般經(jīng)驗(yàn)，對于液體?？刂圃?04105Pa 范圍內(nèi)，對于氣體則以 103104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。換熱器操作允許壓降 P換熱器操作壓力 P（Pa）允許壓降 P105 （ 表壓

8、）0.1P0.5P 510 4 Pa 管程阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力計(jì)算式求得。 具體計(jì)算公式管程阻力損失管程阻力損失可按一般摩擦阻力計(jì)算式求得。 但管程總的阻力 應(yīng)是各程直管摩擦阻力 、每程回彎阻力 以及進(jìn)出口阻力 三項(xiàng)之和。而 相比之下常可忽略不計(jì)。因此可用下式計(jì)算管程總阻力損失 ： 式中 每程直管阻力 ；每程回彎阻力 ；Ft結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，無因次，對于的管子， Ft=1.4，對于 的管子 Ft=1.5；Ns串聯(lián)的殼程數(shù)，指串聯(lián)的換熱器數(shù)；Np管程數(shù)；由此式可以看出，管程的阻力損失（或壓降）正比于管程數(shù) Np 的三次方，即對同一換熱器，若由單管程改為兩管程，阻力損失劇增為原來的 8 倍，

9、而強(qiáng)制對流傳熱、湍流條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只增為原來的 1.74 倍；若由單管程改為四管程，阻力損失增為原來的 64 倍，而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只增為原來的 3 倍。由此可見，在選擇換熱器管程數(shù)目時(shí)，應(yīng)該兼顧傳熱與流體壓降兩方面的得失。 殼程阻力對于殼程阻力的計(jì)算，由于流動狀態(tài)比較復(fù)雜，計(jì)算公式較多，計(jì)算結(jié)果相差較大。埃索法計(jì)算公式殼程阻力損失對于殼程阻力損失的計(jì)算，由于流動狀態(tài)比較復(fù)雜，提出的計(jì)算公式較多，所得計(jì)算結(jié)果相差不少。下面為埃 索法計(jì)算殼程阻力損失的公式：式中 - 殼程總阻力損失， ；- 流過管束的阻力損失， ；- 流過折流板缺口的阻力損失， ；Fs- 殼程阻力結(jié)垢校正系數(shù)，對液體可取 Fs

10、=1.15 ，對氣體或可凝蒸汽取 Fs=1.0 ； Ns-殼程數(shù)；又管束阻力損失折流板缺口阻力損失式中- 折流板數(shù)目；- 橫過管束中心的管子數(shù)，對于三角形排列的管束，；對于正方形排列的管束，為每一殼程的管子總數(shù)；B- 折流板間距， m；D- 殼程直徑， m；-按殼程流通截面積或按其截面積計(jì)算所得的殼程流速， m/s；F-管子排列形式對壓降的校正系數(shù)，對三角形排列 F=0.5，對正方形排列 F=0.3 ，對正方形斜轉(zhuǎn) 45，F(xiàn)=04；- 殼程流體摩擦系數(shù)， 根據(jù)，由圖 4.7.13 求出（圖中 t 為管子中心距） ，當(dāng)亦可由下式求出：因 ， 正比于 ，由式 4.7.4 可知，管束阻力損失若擋板間

11、距減小一半，劇增 8 倍，而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只增加 1.46 倍。因此，在選擇擋板間距時(shí)，亦應(yīng)兼顧傳熱與流體壓降兩方面的得失。同理，殼程數(shù)的選擇也應(yīng)如此圖 4.7.13 殼程摩擦系數(shù) f 0 與 Re0 的關(guān)系列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用 （ 續(xù)）（3）列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟設(shè)有流量為去 qm,h的熱流體，需從溫度 T1 冷卻至 T2，可用的冷卻介質(zhì)入口溫度 t 1，出口溫度選定為 t2。由此 已知條件可算出換熱器的熱流量 Q和逆流操作的平均推動力。根據(jù)傳熱速率基本方程：當(dāng) Q和已知時(shí)，要求取傳熱面積 A 必須知 K 和則是由傳熱面積 A的大小和換熱器結(jié)構(gòu)決定的。可見，在冷、熱流體的流量及

12、進(jìn)、出口溫度皆已知的條件下，選用或設(shè)計(jì)換熱器必須通過試差計(jì)算，按以下步驟進(jìn)行。 初選換熱器的規(guī)格尺寸 初步選定換熱器的流動方式，保證溫差修正系數(shù) 大于 0.8 ，否則應(yīng)改變流動方式，重新計(jì)算。 計(jì)算熱流量 Q及平均傳熱溫差t m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù) K估，初估傳熱面積 A 估。 選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A 估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長度及排列。 計(jì)算管、殼程阻力 在選擇管程流體與殼程流體以及初步確定了換熱器主要尺寸的基礎(chǔ)上，就可以計(jì)算管、殼程流速和阻力，看是 否合理?；蛘呦冗x定流速以確定管程數(shù) NP 和折流板間距 B 再計(jì)算壓力降是否合理。 這時(shí) NP 與 B 是可以調(diào)整的參數(shù)

13、， 如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進(jìn)行計(jì)算，直到合理為止。 核算總傳熱系數(shù)分別計(jì)算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K 計(jì)，并與估算時(shí)所取用的傳熱系數(shù) K 估 進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。 計(jì)算傳熱面積并求裕度根據(jù)計(jì)算的 K 計(jì)值、熱流量 Q 及平均溫度差 tm，由總傳熱速率方程計(jì)算傳熱面積 A 0，一般應(yīng)使所選用或設(shè)計(jì) 的實(shí)際傳熱面積 AP 大于 A 020%左右為宜。即裕度為 20%左右，裕度的計(jì)算式為：換熱器的傳熱強(qiáng)化途徑如欲強(qiáng)化現(xiàn)有傳熱設(shè)備，開發(fā)新型高效的傳熱設(shè)備，以便在較小的設(shè)備上獲得更大的生產(chǎn)能力和效益，成為現(xiàn) 代工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要問題。依總傳熱速率方程：強(qiáng)化方法：提高 K 、 A、均可強(qiáng)化傳熱。提高傳熱系數(shù) K熱阻主要集中于 較小的一側(cè)，提高 小的一側(cè)有效。 降低污垢熱阻 提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高 的方法：無相變化傳熱：1）加大流速 ；2）人工粗造表面 ；3）擾流元件 。有相變化傳熱 ：蒸汽