列管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計示例課件

第三章列管換熱器設(shè)計示例一、設(shè)計計算基本步驟（續(xù)）(8)計算管子數(shù)和管長，對管子進行排列，確定殼體直徑(9)根據(jù)管長與殼體直徑的比值，確定管程數(shù)：(10)計算管程和殼程壓力降，若壓力降不符合要求，調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板的間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓力降直至滿足要求為止；一、設(shè)計計算基本步驟（續(xù)）二、操作條件的確定1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇在列管式換熱器中，哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程，一般可從下列幾方面考慮：(1)不潔凈的或易結(jié)垢的流體走易于清洗的一側(cè)；對于固定管板式換熱器一般走管程；U形管換熱器，一般走殼程。(2)粘性大的或流量小的流體，宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，一般在雷諾數(shù)(Re＜l00)以下，即可達到湍流，有利于提高傳熱系數(shù)。二、操作條件的確定1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇（續(xù)）(3)有腐蝕性的流體應(yīng)走管程，這樣，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蝕的材料，而殼體及管外空間的其他零件都可以使用比較便宜的材料。(4)壓力高的流體走管程，因為管子直徑小，承受壓力的能力好，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。(5)有毒的流體走管程，減少泄漏的機會。(6)飽和蒸汽一般走殼程，便于冷凝液的排出(7)被冷卻的流體走殼程，便于散熱。二、操作條件的確定1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇（續(xù)）(8)對于固定管板式換熱器，若兩流體的溫差較大，對流傳熱系數(shù)較大者宜走管程，這樣可以降低管壁與殼壁的溫差，減少熱應(yīng)力。以上原則，在實際中不可能同時兼顧，對具體情況仔細分析，抓住主要方面。例如首先從流體的壓力、腐蝕性以及情況等方面考慮，然后再對壓力降和傳熱系數(shù)等方面要求進行校核，以便作出較恰當?shù)倪x擇。二、操作條件的確定2、流速的選擇（續(xù)）對低粘度流體，一般盡可能使Re＞l0000；對高粘件流體常按滯流設(shè)計。二、操作條件的確定2、流速的選擇（續(xù)）流體在換熱據(jù)中合理的流速也可通過允許壓力降來決定。在一般的情況下，由操作壓力決定一合理的壓力降，然后通過計算得到相應(yīng)的流速。合理壓力降的規(guī)定可參考表3二、操作條件的確定二、操作條件的確定3、載熱體的選擇（續(xù)）工業(yè)上常用的載熱體及其適用場合列于表3，供選用時參考。二、操作條件的確定二、操作條件的確定二、操作條件的確定4、換熱終溫的確定（續(xù)）(1)熱端的溫差＜20℃。(2)冷端的溫差分三種情況考慮：①兩種工藝流體換熱時，在一般情況下，冷端溫差＞20℃；②兩種工藝流體換熱時，若熱流體尚需進一步加熱，則冷端溫差＞15℃；③采用水或其他冷卻劑冷卻時，冷端溫差＞5℃。二、操作條件的確定4、換熱終溫的確定（續(xù)）如果超出上述數(shù)據(jù)，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較來決定換熱終溫。(3)冷卻水的出口溫度不宜太高，否則會加快水垢的生成。對于經(jīng)過良好凈化的新鮮水，出口溫度可達到45℃或稍高一些；對于凈化較差的冷卻水，出口溫度建議不要超過40℃。三、傳熱計算基本方程1、傳熱速率方程在穩(wěn)態(tài)下，當總傳熱系數(shù)隨溫度變化不大時Q=KAΔtm式中Q——熱負荷，W；K——總傳熱系數(shù)，W／(m2·K)；A——與K對應(yīng)的基準傳熱面積，m2

Δtm——有效平均溫差，K.三、傳熱計算基本方程2、熱負荷（續(xù)）有相變時Q=W·r式中W——熱或冷流體的流量，kg/sr——冷凝或蒸發(fā)潛熱，J/kg三、傳熱計算基本方程3、有效平均溫差在無相變的純粹逆流或并流換熱器中，或一側(cè)為恒溫的其他流向的換熱器中，其有效平均溫差采用對數(shù)平均溫差三、傳熱計算基本方程3、有效平均溫差（續(xù)）

當時，可采用算術(shù)平均溫差在其他流向的換熱器中，當無相變時，有效平均溫差為

三、傳熱計算基本方程3、有效平均溫差（續(xù)）對應(yīng)m殼程，2mn管程(m＝l，2，3……)換熱器的溫差校正系數(shù)為當R≠1時其中三、傳熱計算基本方程3、有效平均溫差（續(xù)）當R=1時其中三、傳熱計算基本方程2、總傳熱系數(shù)的計算

注意：

在通常的操作過程中，傳熱系數(shù)是個變量，由于污垢熱阻是變化的，因此設(shè)計中選擇污垢熱阻時，應(yīng)結(jié)合清洗周期來考慮。若污垢熱阻選得太小，清洗周期會很短，所需傳熱面積會較小；反之，所需傳熱面積會較大，所以應(yīng)該全面衡量，作出選擇。三、傳熱計算基本方程2、總傳熱系數(shù)的計算（續(xù)）總傳熱系數(shù)的計算公式為式中K——總傳熱系數(shù)，W／(m2·K)；

αi、α0——分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W／(m2·K)

三、傳熱計算基本方程2、總傳熱系數(shù)的計算（續(xù)）

Ri、R0——分別為管程和殼程的污垢熱阻，K／W；

A、A0、Am——分別為管程、殼程及管殼平均的傳熱面積，m2；A——任一選定的作為計算K值的基準傳熱面積，m2；

λm——管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m·K)；b——管壁的厚度，m。三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式與傳熱過程是否存在相變、換熱器的結(jié)構(gòu)及流動狀態(tài)等因素有關(guān)；關(guān)于傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式很多，在選用時應(yīng)注意其適用的范圍，對傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式在此不作詳細的介紹，只列出常用的無相變的傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)其他形式的傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式可參考相關(guān)文獻。三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）

（1）管程傳熱膜系數(shù)

1)層流流動區(qū)域當雷諾數(shù)Re＜2300，普朗特數(shù)Pr＝0.6—6700，Re/Prd/L＞100時，傳熱膜系數(shù)α為三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）式中α——傳熱膜系數(shù)，W／(m2K)；

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m·K)d——管內(nèi)徑，m；u——管內(nèi)流速，m／s；ρ——流體的密度，kg／m3；

μ——流體的粘度，Pa·s；L——管子的長度，m；

μ

w——壁溫下流體的粘度，Pa·s三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）

定性溫度：除μw取壁溫外，其余均取流體進出口的算術(shù)平均溫度。

2)湍流流動區(qū)域?qū)τ诘驼扯攘黧w(小于水的粘度的兩倍)，當Re＞10000，Pr=0.7～120，d/L＞60時式中流體被加熱時，n＝0.4；流體被冷卻時n＝0.3。三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）當d/L＜60時，必須考慮進口效應(yīng)，可用下式進行校正三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）3)高粘度液體

當Re＞10000，Pr=0.7～16700，d/L＞60時式中(μ/μw)0.14——考慮熱流方向的校正項

液體被加熱時，(μ/μw)0.14

＝1.05；液體被冷卻時，(μ/μw)0.14

＝0.95；

對于氣體，不論是加熱還是冷卻，(μ/μw)0.14

＝1三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）4)過渡流區(qū)域

當Re＝2300～10000式中α’——過渡流區(qū)域管程傳熱膜系數(shù)；

α——由前面式求得三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（2）殼程傳熱膜系數(shù)當換熱器內(nèi)無擋板時，殼程流體可按平行管束流動考慮，仍可用上述管程傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式進行計算，需將式中管內(nèi)徑用殼程管子當量直徑de代替即可三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）

（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))當換熱器內(nèi)有擋板時，對于弓形擋板，當Re=3～20000時當Re=100～60000時三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）

（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))式中u0——基準流道截面Sm計算的流速Sm的計算式為三、傳熱計算基本方程三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）

（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))R——殼體半徑，m；b——弦長，b＝2Rsin(θ/2)，m；hd——弓高，hd＝2Rsin2(θ/2),m；θ——圓心角，rad。設(shè)計時應(yīng)盡可能使sl＝s2，以減少阻力損失。三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）

（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))對于圓盤—圓環(huán)形擋板，當Re＝3～20000時此時三、傳熱計算基本方程5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）

（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))三、傳熱計算基本方程6、傳熱污垢熱阻的確定積存在傳熱表面的污垢，對傳熱會產(chǎn)生附加的熱阻，在估算總傳熱系數(shù)時，一般不能忽略。通常選用經(jīng)驗值(見表5)作為計算依據(jù)。四、流體流動阻力(壓力降)的計算1、管程流體阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對于多程換熱器，其總阻力ΣΔpi等于各程直管阻力、回彎阻力及進、出口阻力之和。一般進、出口阻力可忽略不計，故有四、流體流動阻力(壓力降)的計算1、管程流體阻力（續(xù)）式中Δp1、Δp2——分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，F(xiàn)t——結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對于φ25mm×2．5mm管子取為1．4；對于φ19mm×2mm管子，取為1．5Np——管程數(shù)；Ns——殼程數(shù)；

λ——摩擦阻力系數(shù)，無因次ρ——流體的密度，kg／m3。四、流體流動阻力(壓力降)的計算2、殼程流體阻力當殼程無擋板時，流體順著管束流動，此時殼程流體阻力可按直管阻力的方法計算，但應(yīng)以當量直徑代替圓管內(nèi)徑。當殼程有擋板時，總的殼程流體阻力由流體垂直流經(jīng)管束的阻力、經(jīng)過擋板缺口轉(zhuǎn)向阻力和殼程出入口的阻力加和而得四、流體流動阻力(壓力降)的計算2、殼程流體阻力（續(xù)）

四、流體流動阻力(壓力降)的計算2、殼程流體阻力（續(xù)）

流體垂直流過管束一次的壓力降Δp1’為四、流體流動阻力(壓力降)的計算2、殼程流體阻力（續(xù)）式中M——流體垂直于管束流動時，沿流動方向上管子的排數(shù)；對于