設(shè)計(jì)參考2資料

1、列管式換熱器的設(shè)計(jì)列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史。 現(xiàn)在， 它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很 多工業(yè)部門中大量使用， 尤其在化工、石油、 能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式 換熱器仍處于主導(dǎo)地位。 同時(shí)板式換熱器也已成為高效、 緊湊的換熱設(shè)備， 大量地應(yīng)用于工 業(yè)中。為此本章對(duì)這兩類換熱器的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。列管式換熱器的設(shè)計(jì)資料較完善， 已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。 目前我國(guó)列管式換熱器的設(shè)計(jì)、 制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按 “鋼制管殼式 （即列管式 ）換熱器 ”（GB151標(biāo)） 準(zhǔn)執(zhí)行。列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì)、 流動(dòng)設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 其 中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。 不僅在設(shè)計(jì)

2、一臺(tái)新的換熱器時(shí)需要進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)， 而且對(duì)于已生產(chǎn) 出來(lái)的，甚至已投人使用的換熱器在檢驗(yàn)它是否滿足使用要求對(duì)，均需進(jìn)行這方面的工作。熱力設(shè)計(jì)指的是根據(jù)使用單位提出的基本要求， 合理地選擇運(yùn)行參數(shù)， 并根據(jù)傳熱 學(xué)的知識(shí)進(jìn)行傳熱計(jì)算。流動(dòng)設(shè)計(jì)主要是計(jì)算壓降， 其目的就是為換熱器的輔助設(shè)備 例如泵的選擇做準(zhǔn) 備。當(dāng)然， 熱力設(shè)計(jì)和流動(dòng)設(shè)計(jì)兩者是密切關(guān)聯(lián)的， 特別是進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)常需從流動(dòng)設(shè)計(jì) 中獲取某些參數(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指的是根據(jù)傳熱面積的大小計(jì)算其主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、 長(zhǎng)度、根數(shù)、殼體的直徑、折流板的長(zhǎng)度和數(shù)目、隔板的數(shù)目及布置以及連接管的尺寸，等 等。在某些情況下還需對(duì)換熱器的主要零

3、部件 特別是受壓部件做應(yīng)力計(jì)算， 并校核 其強(qiáng)度。 對(duì)于在高溫高壓下工作的換熱器， 更不能忽視這方面的工作。 這是保證安全生產(chǎn)的 前提。 在做強(qiáng)度計(jì)算時(shí)， 應(yīng)盡量采用國(guó)產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)材料和部件， 根據(jù)我國(guó)壓力容器安全技術(shù)規(guī) 定進(jìn)行計(jì)算或校核 （該部分內(nèi)容屬設(shè)備計(jì)算，此處從略 ）。列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容： 根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案； 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力； 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。1.1 設(shè)計(jì)方案的確定1.1.1 換熱器類型的選擇（1）固定管板式換熱器這類換熱器如圖 2-1（a） 所示。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定 于

4、管板上，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)使殼 側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于50時(shí)，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補(bǔ)償膨脹節(jié)， 依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力。 膨脹節(jié)的 形式較多， 常見(jiàn)的有 U 形、平板形和 形等幾種。 由于 U形膨脹節(jié)的撓性與強(qiáng)度都比較好， 所以使用得最為普遍。當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于60和殼程壓強(qiáng)超過(guò) 0.6MPa 時(shí)，由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，這種換熱器比 較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。（2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式

5、的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。 兩端管板只有一端與殼體 完全固定，另一端則可相對(duì)于殼體作某些移動(dòng)，該端稱之為浮頭，如圖 2-1（b） 所示。換熱器管束膨脹不受殼體約束， 所以殼體與管束之間不會(huì)由于膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 而且 在清洗和檢修時(shí)， 僅需將管束從殼體中抽出即可， 所以能適用于管殼壁間溫差較大， 或易于 腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合。但該類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價(jià)約比固定管板式高20左右，材料消耗量大， 而且由于浮頭的端蓋在操作中無(wú)法檢查， 所以在制造和安裝時(shí)要特別注意其 密封， 以免發(fā)生內(nèi)漏，管束和殼體的間隙較大，在設(shè)計(jì)時(shí)要避免短路。至于殼程的壓力也受滑動(dòng)接觸面的密封限制。(3) 填料函式換

6、熱器 此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封，如圖 2-1(C) 所示。 它的管束也可自由膨脹， 所以管殼之間不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程和殼程都能清洗，結(jié) 構(gòu)較浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，加工制造方便，材料消耗較少。但由于填料密封處易于泄漏， 故殼程壓力不能過(guò)高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。(4) U型管換熱器U形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上，如圖2-1(d) 所示。這類換熱器的特點(diǎn)是： 管束可以自由伸縮， 不會(huì)因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力， 熱補(bǔ)償性 能好；管程為雙管程，流程較長(zhǎng)，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi) 抽出，便于檢修

7、和清洗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難 以更換， 又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小， 在管板中心部分布管不緊湊， 所以管子數(shù)不能 太多， 且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎 管后管壁的減薄， 直管部分必須用壁較厚的管子。 這就影響了它的使用場(chǎng)合， 僅宜用于管殼 壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形，價(jià) 格比固定管板式高 10。(a)(b)(c)圖 2-1 幾種列管式換熱器的結(jié)構(gòu)1管箱 ; 2 封頭 ; 3 管箱或封頭 ; 4 管箱蓋板 ; 5 封頭接管 ; 6 固定管板 ; 7 管子 ;

8、8 殼體 ; 9 殼蓋 ;10殼體法蘭 （固定端 ）; 11 殼體法蘭 （后蓋端 ）; 12 殼體接管 ; 13 殼蓋法蘭 ; 14 膨脹節(jié) ; 15 浮動(dòng)管板 ;? 16 浮頭蓋 ; 17 浮頭法蘭 ;單位 18浮頭襯托構(gòu)件 ; 19 部 分剪切環(huán) ; 20 活套靠背法蘭 ; 21 浮頭蓋 （ 外部 ）; 22 浮動(dòng)管板套 ; 23 填料函法蘭 ; 24填料 ; 25 填料壓蓋 ; 26 拉桿和定距管 ; 27 橫向折流板或支撐板 ; 28 緩沖擋板 ; 29縱向折流板 ; 30 分程隔板 ; 31 排氣接口 ; 32 排液接口 ; 33 儀表接口 ; 34 鞍式 支座 ; 35 吊環(huán) ;

9、36 懸掛式支座1.1.2 流動(dòng)空間的選擇在管殼式換熱器的計(jì)算中， 首先需決定何種流體走管程， 何種流體走殼程， 這需遵循一 些一般原則。 應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個(gè)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 在運(yùn)行溫度較高的換熱器中， 應(yīng)盡量減少熱量損失， 而對(duì)于一些制冷裝置， 應(yīng)盡 量減少其冷量損失。 管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證運(yùn)行的可靠性。 應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)， 順流式就優(yōu)于 逆流式，因?yàn)轫樍魇竭M(jìn)出口端的溫度比較平均，不像逆流式那樣， 熱、 冷流體的高溫部分均 集中于一端，低溫部分集中于另一端，易于因兩端脹縮不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 對(duì)于有

10、毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì)， 必使其不泄漏， 應(yīng)特別注意其密封， 密封不僅要可 靠，而且還應(yīng)要求方便及簡(jiǎn)單。 應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。以上這些原則有些是相互矛盾的， 所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮， 決定哪一種流體走管 程，哪一種流體走殼程。（1）宜于通入管內(nèi)空間的流體 不清潔的流體 因?yàn)樵诠軆?nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不 易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。 體積小的流體 因?yàn)楣軆?nèi)空間的流動(dòng)截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必 要的理想流速，而且也便于做成多程流動(dòng)。 有壓力的流體 因?yàn)楣茏映袎耗芰?qiáng)，而且還簡(jiǎn)化了殼體密封的要求。 腐蝕性強(qiáng)的流體 因?yàn)橹挥泄茏蛹肮芟洳判栌媚透g

11、材料，而殼體及管外空間的所有 零件均可用普通材料制造， 所以造價(jià)可以降低。 此外， 在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋 層也比較方便，并容易檢查。 與外界溫差大的流體 因?yàn)榭梢詼p少熱量的逸散。（2）宜于通入管間空間的流體 當(dāng)兩流體溫度相差較大時(shí)， 值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間 的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對(duì)伸長(zhǎng)，故溫差應(yīng)力可以降低。若兩流體給熱性能相差較大時(shí)， 值小的流體走管間，此時(shí)可以用翅片管來(lái)平 衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。 和蒸汽 對(duì)流速和清理無(wú)甚要求，并易于排除冷凝液。 粘度大的流體 管間的流動(dòng)截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱 系數(shù)比管內(nèi)的

12、大。 泄漏后危險(xiǎn)性大的流體 可以減少泄漏機(jī)會(huì)，以保安全。 此外，易析出結(jié)晶、 沉渣、 淤泥以及其他沉淀物的流體，最好通入比較更容易進(jìn)行機(jī)械清洗 的空間。在管殼式換熱器中，一般易清洗的是管內(nèi)空間。但在 U形管、 浮頭式換熱器中易清洗的都是管外空間。1.1.3 流速的確定當(dāng)流體不發(fā)生相變時(shí)， 介質(zhì)的流速高， 換熱強(qiáng)度大， 從而可使換熱面積減少、 結(jié)構(gòu)緊湊。 成本降低，一般也可抑止污垢的產(chǎn)生。但流速大也會(huì)帶來(lái)一些不利的影響，諸如壓降P增加，泵功率增大，且加劇了對(duì)傳熱面的沖刷。換熱器常用流速的范圍見(jiàn)表 2-2 和表 2-3 。表 2-2 換熱器常用流速的范圍?介質(zhì)流速循 環(huán)水新 鮮水一般液體易結(jié) 垢液

13、體低粘度油高粘度油氣體管程流速， m/s1.0 2.00.8 1.50.531.00.81.80.51.55 30殼程流速， m/s0.5 1.50.5 1.50.21.50.50.41.00.30.82 15表 2-3 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速液體名稱乙醚、二氧化碳、 苯甲醇、乙醇、汽油丙酮?dú)錃獍踩?速， m/s12330價(jià)廉，在缺水地區(qū)尤為適宜鹽水-150用于低溫冷卻氨蒸汽 管子布置方式正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊； 正方形排列便于機(jī)械清洗； 同心圓排列用于小殼徑換熱器， 外 圓管布管均勻， 結(jié)構(gòu)更為緊湊。 我國(guó)換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列； 浮頭 式則以正方

14、形錯(cuò)列排列居多，也有正三角形排列。對(duì)于多管程換熱器， 常采用組合排列方式。 每程內(nèi)都采用正三角形排列， 而在各程之間 為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。管板上兩管子中心的距離 a 稱為管心距（或管間距） 。管心距取決于管板的強(qiáng)度、清洗 管子外表面時(shí)所需的空隙、 管子在管板上的固定方法等。 當(dāng)管子采用焊接方法固定時(shí)， 相鄰 兩根管的焊縫太近， 會(huì)相互受到影響，使焊接質(zhì)量不易保證。 而常用脹接法固定時(shí)，過(guò)小的 管心距會(huì)造成管板在脹接時(shí)由于擠壓力的作用發(fā)生變形，失去管子與管板之間的連接力。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)管子外徑為d0 時(shí)，管心距 a 一般采用：焊接法 ? a = 1.25 do；脹接法 ?

15、 a = （1.30 1.50 ）do；小直徑的管子 ? a d o+10mm；最外層管中心至殼體內(nèi)表面的距離d0+10mm；管子材料常用的為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金等。應(yīng)根據(jù)工作壓 力。溫度和介質(zhì)腐蝕性等條件決定。此外還有一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯 等亦有采用。在設(shè)計(jì)和制造換熱器時(shí)，正確選用材料很重要。 既要滿足工藝條件的要求，又 要經(jīng)濟(jì)。 對(duì)化工設(shè)備而言， 由于各部分可采用不同材料， 應(yīng)注意由于不同種類的金屬接觸而 產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕作用。（ 2） 管板管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開(kāi)來(lái)。 管板與管子的連接可脹接或焊接。 脹接法是

16、利用脹管器將管子擴(kuò)脹， 產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。 脹接法一般用在管子為碳素鋼， 管板為 碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計(jì)壓力不超過(guò)4 MPa，設(shè)計(jì)溫度不超過(guò) 350的場(chǎng)合。焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴(yán)密性。管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩種。 固定管板常采用不可拆連接。 兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管內(nèi)。浮頭式、U型管式等為使殼體清洗方便，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構(gòu)成可拆連接。( 3) 封頭和管箱封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。 封頭 當(dāng)殼體直徑較小時(shí)常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連

17、接，封頭與殼 體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱 , 殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié) 構(gòu)。由于清洗、檢修管子時(shí)需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。如圖 2-3(a) 所示的管 箱結(jié)構(gòu)，在清洗時(shí)必須拆下外部管道；若改為圖 2-3(b) 的管箱結(jié)構(gòu)，由于為側(cè)向接管，則 不必拆下外部管道就可以將管箱拆下；圖 2-3(c) 所示結(jié)構(gòu)是將管箱上蓋做成可拆的，清洗 或檢修時(shí)只需拆卸蓋子即可，不必拆管箱，但需要增加一對(duì)法蘭連接。分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時(shí)，可采用多管程換熱器。對(duì)于多管程換熱器，在管箱內(nèi) 應(yīng)設(shè)分程隔板， 將管束分為順次串接的若干組，

18、各組管子數(shù)目大致相等。 這樣可提高介質(zhì)流 速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá) 16程，常用的有 2、 4、 6程，其布置方案見(jiàn)表 2-5 。在布置 時(shí)應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置， 以增強(qiáng)傳熱， 同時(shí)應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏， 以 防止流體的短路。表 2-5 平行與 T 形的管程分程表程數(shù)1246流動(dòng)順序管箱隔板介質(zhì)返回側(cè)隔板1.2.2 殼程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由 于各種換熱器的工藝性能、 使用的場(chǎng)合不同， 殼程內(nèi)對(duì)各種元件的設(shè)置形式亦不同， 以此來(lái) 滿足設(shè)計(jì)的要求。 各元件在殼程的設(shè)置， 按其不同的

19、作用可分為兩類： 一類是為了殼側(cè)介質(zhì) 對(duì)傳熱管最有效的流動(dòng)， 來(lái)提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板， 如折流板、 縱向擋 板。旁路擋板等； 另一類是為了管束的安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、 管束的導(dǎo)軌以及緩 沖板等。1)殼體殼體是一個(gè)圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于 400mrn 的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度 選擇，有防腐要求時(shí)，大多考慮使用復(fù)合金屬板。介質(zhì)在殼程的流動(dòng)方式有多種型式， 單殼程型式應(yīng)用最為普遍。 如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小 于管側(cè)， 則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。 用兩個(gè)換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果

20、。 為降 低殼程壓降，可采用分流或錯(cuò)流等型式。殼體內(nèi)徑 D取決于傳熱管數(shù) N、排列方式和管心距 t 。計(jì)算式如下：?jiǎn)喂艹藾=t ( nc-1)+(23) d0(2-1)式中 t 管心距， mm；d0換熱管外徑， mm；nc橫過(guò)管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。正三角形排列： 2-2)正方形排列：多管程(2-4)式中 N排列管子數(shù)目； 管板利用率。正角形排列： 2 管程 =0.70.854 管程 ? =0.60.8正方形排列： 2 管程 =0.550.74 管程 ? =0.450.65殼體內(nèi)徑 D 的計(jì)算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。( 2)折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流

21、體橫向流過(guò)管束，增加流體速度， 以增強(qiáng)傳熱；同時(shí)起支撐管束、防止管束振動(dòng)和管子彎曲的作用。折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種，如圖2-4(a) 、(b) 所示。切缺率 (切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比 ) 通常為 20 50。垂直圓缺用 于水平冷凝器、 水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。 垂直圓缺時(shí)， 不 凝氣不能在折流板頂部積存， 而在冷凝器中， 排水也不能在折流板底部積存。 弓形折流板有 單弓形和雙弓形，如圖 2-5 ，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。環(huán)盤型折流板如圖 2-4(C) 所示，是由圓板

22、和環(huán)形板組成的，壓降較小，但傳熱也差些。 在環(huán)形板背后有堆積不凝氣或污垢，所以不多用?？琢餍驼哿靼迨沽黧w穿過(guò)折流板孔和管子之間的縫隙流動(dòng)， 壓降大，僅適用于清潔流體， 其應(yīng)用更少。折流板的間隔， 在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。 一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi) 徑的 1/5 或者不小于 50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。( 3)緩沖板在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板， 或稱緩沖板。 它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造 成管子的侵蝕和管束振動(dòng)， 還有使流體沿管束均勻分布的作用。 也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒， 不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。( 4)其他主要附

23、件旁通擋板 如果殼體和管束之間間隙過(guò)大，則流體不通過(guò)管束而通過(guò)這個(gè)間隙旁通， 為了防止這種情形，往往采用旁通擋板。 假管 為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。假管的表面形狀為 兩端堵死的管子， 安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過(guò)管板， 可與折流板焊接以便固 定。假管通常是每隔 34 排換熱管安置一根。拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。(a) (b) (c) 圖 2-4 折流板型式(a) 水平圓缺 ? (b) 垂直圓缺 ? (c) 環(huán)盤形(a)圖 2-5 弓形折流板型式(a) 單弓形 (b) 雙弓形(b)(5)殼程接管殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計(jì)

24、直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時(shí)， 對(duì)換熱管會(huì)造成很大的沖刷， 所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大， 即將 接管做成喇叭形，以起緩沖的作用， 如圖 2-6 所示；或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板，其結(jié)構(gòu) 如圖 2-7 、圖 2-8 、圖 2-9 所示。圖 2-7 左圖的結(jié)構(gòu)為筒形， 常稱為導(dǎo)流筒， 它可將加熱蒸汽或流體導(dǎo)至靠近管板處才進(jìn) 入管束間， 更充分地利用換熱面積， 目前常用這種結(jié)構(gòu)來(lái)提高換熱器的換熱能力。 通常采用 的擋板還有圓形和方形， 圖 2-8 為圓形擋板， 為了減少流動(dòng)阻力， 擋板與換熱器殼壁的距離 e 不小于 30mm，至少應(yīng)保持此處的通道截面積

25、不小于流體進(jìn)口接管的截面積。若距離太大會(huì)妨礙管子的排列，減少傳熱面積。當(dāng)需要加大流道時(shí)，可在擋板上開(kāi)些圓孔。圖 2-9 是方形 擋板，上面開(kāi)了小孔以增大流體通過(guò)的截面積。圖 2-6? 緩沖接管圖 2-7 殼程入口擋板1.3 列管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算1.3.1 設(shè)計(jì)步驟 目前，我國(guó)已制訂了管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品， 這樣可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和加工。 但是實(shí)際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化， 當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時(shí)， 仍應(yīng) 根據(jù)生產(chǎn)的具體要求自行設(shè)計(jì)非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。 此處將扼要介紹這兩者的設(shè)計(jì)計(jì)算的基 本步驟。（1）非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般設(shè)計(jì)步驟 了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能

26、。 由熱平衡計(jì)算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。決定流體通入的空間。 計(jì)算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。 初算有效平均溫差。一般先按逆流計(jì)算，然后再校核。 選取管徑和管內(nèi)流速。 計(jì)算傳熱系數(shù) K 值，包括管程對(duì)流傳熱系數(shù)和殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。 由于殼程對(duì) 流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此一般先假定一個(gè)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，以計(jì)算 K 值，然后再作校核。 初估傳熱面積?？紤]安全系數(shù)和初估性質(zhì)，常取實(shí)際傳熱面積是計(jì)算值的 1.151.25 倍。 選擇管長(zhǎng) L。 計(jì)算管數(shù) N。校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。畫出排管圖，確定殼徑 D 和殼程擋板形式及數(shù)量等。 校核殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。

27、校核有效平均溫差。 校核傳熱面積，應(yīng)有一定安全系數(shù)，否則需重新設(shè)計(jì)。計(jì)算流體流動(dòng)阻力。如阻力超過(guò)允許范圍，需調(diào)整設(shè)計(jì)，直至滿意為止。 （2）系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器選用的設(shè)計(jì)步驟至步與 （1） 相同。 選取經(jīng)驗(yàn)的傳熱系數(shù) K 值。 計(jì)算傳熱面積。 由系列標(biāo)準(zhǔn)選取換熱器的基本參數(shù)。 校核傳熱系數(shù)， 包括管程、 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。 假如核算的 K 值與原選的經(jīng)驗(yàn) 值相差不大，就不再進(jìn)行校核；如果相差較大，則需重新假設(shè)K 值并重復(fù)上述以下步驟。 校核有效平均溫差。校核傳熱面積， 使其有一定安全系數(shù)， 一般安全系數(shù)取 1.1 1.25 ，否則需重行設(shè)計(jì)。 計(jì)算流體流動(dòng)阻力，如超過(guò)允許范圍，需重選換熱器的基

28、本參數(shù)再行計(jì)算。從上述步驟來(lái)看，換熱器的傳熱設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試算的過(guò)程，有時(shí)要反復(fù)試算 23 次。 所以，換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)際上帶有試差的性質(zhì)。2.3.2 傳熱計(jì)算主要公式傳熱速率方程式Q=KSt m(2-5)式中? Q傳熱速率 (熱負(fù)荷 )，W；K總傳熱系數(shù)， W/(m2) ；S與 K 值對(duì)應(yīng)的傳熱面積， m2； t m平均溫度差，。(1)傳熱速率 (熱負(fù)荷 )Q傳熱的冷熱流體均沒(méi)有相變化，且忽略熱損失，則Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc( t2-t1)(2-6)式中? W流體的質(zhì)量流量， kg/h 或 kg/s；cp流體的平均定壓比熱容， kJ/(kg ) ；T熱流體的溫度，；?t 冷

29、流體的溫度，。下標(biāo) h和 c分別表示熱流體和冷流體，下標(biāo)1和 2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，且冷凝液在飽和溫度下排出，則Q=Whr=Wccpc( t2-tl)(2-7)式中 ? W飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h或 kg/s ；r 飽和蒸汽的氣化熱， kJ/kg。(2)平均溫度差tm恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差 t m=T- t(2-8)變溫傳熱時(shí)的平均溫度差逆流和并流2-9)(2-10)式中 t1、t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差，。 錯(cuò)流和折流2-11)式中 ? 按逆流計(jì)算的平均溫差，；溫差校正系數(shù)，無(wú)量綱，(2-12)(2-13)溫差校正系數(shù)根據(jù)比值 P和 R，通

30、過(guò)圖2-10 圖 2-13 查出。該值實(shí)際上表示特定流動(dòng)形式在給定工況下接近逆流的程度。 在設(shè)計(jì)中， 除非出于必須降低壁溫的目的， 否則總要 求 ，如果達(dá)不到上述要求，則應(yīng)改選其他流動(dòng)形式。（4） 總傳熱系數(shù) K（ 以外表面積為基準(zhǔn) ）（ 5） 注意在通常的操作過(guò)程中， 傳熱系數(shù)是個(gè)變量， 由于污垢熱阻是變化的， 因此 設(shè)計(jì)中選擇污垢熱阻時(shí)，應(yīng)結(jié)合清洗周期來(lái)考慮。若污垢熱阻選得太小，清洗周期會(huì)很短， 所需傳熱面積會(huì)較?。环粗?，所需傳熱面積會(huì)較大，所以應(yīng)該全面衡量，做出選擇?？倐鳠?系數(shù)的計(jì)算公式為：圖 2-10 對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù) t圖 2-11 對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù) t圖 2-12 對(duì)數(shù)平

31、均溫差校正系數(shù) t圖 2-13 對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù) t(2-14)式中 K總傳熱系數(shù)， W/（m2） ；2i ， o傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m ） ；2Rsi ， Rso傳熱管內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻，m /W；di ， do， dm傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m； 傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù)， W/（m ）； b傳熱管壁厚， m?？倐鳠嵯禂?shù)的經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表 2-6 ，有關(guān)手冊(cè)中也列有其他情況下的總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。選擇時(shí)，除要考慮流體物性和操作條件外，還應(yīng)考慮換熱器的類型。表 2-6 總傳熱系數(shù)的選擇管程殼程總傳熱系數(shù) / W/2（m2K）水（流速為 0.9 1.5m/s

32、）水（流速為 0.9 1.5m/s ）582698水水（流過(guò)較高時(shí)）814 1163冷水輕有機(jī)物 l mPas116467鹽水輕有機(jī)物 0.5mPas233582有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑 0.3 0.55mPas198233輕有機(jī)物 0.5mPas輕有機(jī)物 lmPas重有機(jī)物 l mPas58 233水（流速為 1m/s ）水蒸氣（有壓力）冷凝23264652水水蒸氣（常壓或負(fù)壓）冷凝17453489水溶液 2mPas水蒸氣冷凝582 2908有機(jī)物 1mPas水蒸氣冷凝114349水有機(jī)物蒸汽及水蒸氣冷凝582 1163水重有機(jī)物蒸汽（常壓）冷凝116349水重有機(jī)物蒸汽（負(fù)壓）冷凝58 174水飽

33、和有機(jī)溶劑蒸汽（常壓）冷凝582 1163水含飽和水蒸氣的氯氣（10000, 0.7 Pr60 L/ di10000, 0.7 Pr60 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù) 平均值 （ W取壁溫 ）直 管 內(nèi) 滯 流管徑較小， 流體與壁面溫度差較小， / 較大； Re2300,0.6 Pr100; 特征尺寸： di定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù) 平均值 （ W取壁溫 ）直 管 內(nèi) 過(guò) 渡 流2300Re3000 特征尺寸：管外徑 do 流速取通道最狹窄處。間 流 動(dòng)殼方流體圓缺擋板（ 25%） , Re=21031106特征尺寸：當(dāng)量直徑 de 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù) 平均值 （ W取壁溫 ）用前面的管內(nèi)強(qiáng)制湍流或?qū)恿鞴接?jì)算 但要用當(dāng)量直徑 de 代替 d。無(wú)折流擋板圓缺形折流擋板Re=1026104 特征尺寸：當(dāng)量直徑 de 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù) 平均值 ( W取壁溫 )盤環(huán)形折流擋板Re=31022104 特征尺寸：當(dāng)量直徑 de 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù) 平均值 ( W取壁溫 )表 2-8 流體相變對(duì)流傳熱系數(shù)流動(dòng)狀