熱交換器的教案

熱交換器的教案第1頁/共144頁固定管板式換熱器缺點：

（1）殼程不能用機械方法清洗，應走清潔流體。（2）不設膨脹節(jié)時，管、殼程可能產生較大的溫差應力。

優(yōu)點：（1）結構簡單緊湊，制造成本低。（2）與其它類型換熱器相比，在相同殼體直徑下，排管數目最多。（3）管內便于清洗。第2頁/共144頁帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器第3頁/共144頁特點：部分消除了溫差應力、便于清洗和檢修；結構復雜、成本高；適用：應用廣泛。b）浮頭式換熱器

一端可以沿軸向自由浮動第4頁/共144頁浮頭式換熱器第5頁/共144頁第6頁/共144頁第7頁/共144頁第8頁/共144頁優(yōu)點：（1）殼體和管束熱變形自由，不產生熱應力。（2）管束可從殼體中抽出，便于殼程的檢修和清洗。缺點：（1）結構復雜，造價高。（2）為使一端管板浮動，需增加一個內浮頭蓋及相關連接件以保證密封，操作時，如果內浮頭蓋連接處泄漏將無法發(fā)現，所以應嚴格保證其密封性能。（3）為使浮頭管板和管束檢修時能夠一起抽出，在管束外緣與殼壁之間形成寬度為16~22mm的環(huán)隙，這樣不僅減少了排管數目，而且增加了旁路流路，降低了換熱器的熱效率。浮頭式換熱器第9頁/共144頁U形管式換熱器第10頁/共144頁第11頁/共144頁優(yōu)點：（1）結構簡單，省去一塊管板和一個管箱，造價低。（2）管束和殼體分離，熱膨脹時互不約束，消除熱應力。（3）管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便。

缺點：（1）彎管必須保持一定曲率半徑，管束中央會存在較大的空隙，流體易走短路，對傳熱不利。（2）管內不能用機械方法清洗，宜走清潔流體。（3）管子泄漏損壞時，只有最外層管子可以更換，其他管子只能堵死，會減小換熱面積。U形管式換熱器：適用：可用于高溫高壓，適用于管程為潔凈而不易結垢的流體。第12頁/共144頁填料函式換熱器對分流殼體第13頁/共144頁第14頁/共144頁第15頁/共144頁第16頁/共144頁填料函第17頁/共144頁優(yōu)點：（1）結構比浮頭式換熱器簡單，殼體和管束熱變形自由，不產生熱應力。（2）管束可從殼體中抽出，殼程的檢修和清洗方便。缺點：

填料函處形成動密封，殼程介質易泄漏，要求殼程介質溫度和壓力不能過高，且無毒、非易燃和易爆。填料函式換熱器通常只適用于低壓和小直徑場合。填料函式換熱器第18頁/共144頁主要部件的分類及代號第19頁/共144頁零部件名稱表見教材P42第20頁/共144頁問題：AES500-1.6-54-6/25-4I第21頁/共144頁管殼式換熱器的設計、制造標準美國的TEMA標準，日本的JISB8249標準，英國的BS5500標準國標GB151-1999：適用范圍(1)公稱直徑DN≤2600mm；（2）公稱壓力PN≤35MP；（3）公稱直徑和公稱壓力的乘積≯1.7×104第22頁/共144頁2.1.2管子在管板上的固定與排列一、管子在管板上的固定根據換熱器的使用條件不同,加工條件不同,連接的方法基本上分為脹接、焊接和脹焊結合三種,由于脹接法能承受較高的壓力,特別適用于材料可焊性差的情況。

1.脹管法第23頁/共144頁

脹管前后示意圖（a）脹管前（b）脹管后1)過程：最普通的是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時產生彈性變形，取去脹管器后，管板與管子產生一定的擠壓力，貼在一起達到密封緊固連接的目的。

2）適用范圍：換熱管為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設計壓力≤4MPa，設計溫度≤300℃，且無特殊要求的場合。外徑d＜14mm，不適合脹接。3）要求管板硬度大于管子硬度，否則將管端退火后再脹接。

脹接時管板上的孔可以是光孔，也可開槽。

第24頁/共144頁脹接管孔結構強度脹適用范圍：P≤4.0MPat≤300oC第25頁/共144頁第26頁/共144頁第27頁/共144頁

焊接法第28頁/共144頁優(yōu)點：（1）強度高，抗拉脫力強。（2）修理、更換方便。缺點：（1）焊接殘余應力可能導致應力腐蝕和疲勞破壞。（2）間隙腐蝕問題。第29頁/共144頁

焊接+脹接第30頁/共144頁焊脹結合前面我們講了脹接、焊接后，會發(fā)現它們各自有優(yōu)、缺點，因而目前廣泛應用了脹焊并用的方法，這種方法能提高連接處的抗疲勞性能，消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。脹焊并用連接形式主要有：①先焊后脹：強度焊＋貼脹高溫高壓換熱器中大多用厚壁管，脹接時要使用潤滑油，進入接頭后縫隙中會在焊接時生成氣體，惡化焊縫質量，只要脹接過程控制得當，先焊后脹可避免這一弊病。第31頁/共144頁②先脹后焊：強度脹＋密封焊適用于管子與管板材料焊接性能較差的材料，脹接時不用潤滑油，可防止產生焊接裂紋。第32頁/共144頁

概念解釋：密封焊—不保證強度，只防漏；強度焊—既防漏，又保證抗拉脫強度；貼脹—只消除間隙，不承擔拉脫力；強度脹—既消除間隙，又滿足脹接強度。目前，先焊后脹與先脹后焊兩派學說仍處于爭議之中。第33頁/共144頁換熱管在管板上的排列方式:在確定管子在管板上的排列方式時，應該考慮下列原則:

(1)要保證管板有必要的強度，而且管子和管板的連接要堅固和緊密;(2)設備要盡量緊湊，以便減小管板和殼體的直徑，并使管外空間的流通截面減小，以便提高管外流體的流速;(3)要使制造、安裝和修理、維護簡便這些要求能否滿足，關鍵在于管子的排列方式和管間距的正確選擇。第34頁/共144頁流體流動方向流體流動方向正三角形轉角正三角形第35頁/共144頁正三角形最普遍，因為在相同的管板面積上排管最多，結構緊湊，但管外清洗不方便；

當殼程流體不是污染性介質時，采用正三角形排列法。正三角形排列法在一定的管板面積上可以配置較多的管子數，且由于管子間的距離都相等，在管板加工時便于畫線與鉆孔。

我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列

第36頁/共144頁第37頁/共144頁正方邊形第38頁/共144頁流體流動方向流體流動方向正方形轉角正方形正方形排管少，結構不夠緊湊，但管外清洗較方便。此排列法在浮頭式和填料函式換熱器中用得較多。若將正方形排列的管束旋轉45?安裝，可適當提高殼程對流傳熱系數。

我國換熱器系列中，浮頭式則以正方形錯列排列居多

第39頁/共144頁同心圓形

第40頁/共144頁

在制氧設備中，有采用同心圓排列法，這種排列法比較緊湊，且靠近殼體的地方布管均勻；在小直徑的換熱器中，按此法在管板上布置的管數比按正三角形排列的還多。

我國換熱器系列中，同心圓排列法用于用于小殼徑換熱器。

第41頁/共144頁組合的排列例如在多管程熱交換器中，每一程都采用等邊三角形排列，而在各程相鄰管排間，為便于安裝隔板，則采用正方形排列第42頁/共144頁換熱管中心距

常用的換熱管中心距的值如表2.3所示。第43頁/共144頁管間距應考慮使管橋具有一定的強度和穩(wěn)定性，同時便于清洗。要求：中心距P≥1.25d0第44頁/共144頁注意①當管束采用正方形排列（管間需要機械清洗）時，相鄰管間的凈空距離不宜小于6mm，對于外徑為l0mm、12mm、14mm的換熱管的中心距分別不得小于17mm、19mm和2lmm。②當采用轉角正方形排列時，其分程隔板兩側相鄰的管中心距應為32mmⅹ32mm正方形的對角線。第45頁/共144頁（1）我國管殼式換熱器標準規(guī)定采用無縫鋼管作為換熱管，主要規(guī)格有（外徑×壁厚）：φ19×2.0；φ25×2.5；φ38×2.5；φ57×3.5等；（2）換熱管長度可根據工藝計算確定，但應考慮管材的合理使用。我國軋制鋼管長度系列一般為：1.5m、2.0m、3.0m、4.5m、6.0m、9.0m等。（3）換熱管排列方式考慮原則：使換熱管在換熱器橫截面上均勻而緊湊地分布，同時應考慮流體的性質及結構設計等方面的問題，如管束是否分程、是否有縱向隔板等。（4）管子在管板上要保證一定的管間距要求換熱管中心距P≥1.25d0

換熱管的選用：第46頁/共144頁第47頁/共144頁布管限定圓第48頁/共144頁管板管板作用是固定換熱管束，并用來作為換熱器兩端間壁將殼、管程流體相互分開，一般多采用單層管板，但對有危險或腐蝕性的物料或當管、殼程流體一旦相互滲漏就會產生危險的場合，可采用雙層隔板。第49頁/共144頁第50頁/共144頁第51頁/共144頁第52頁/共144頁用于高溫高壓場合第53頁/共144頁管板與殼體的連接方式第54頁/共144頁2.1.4分程隔板

當換熱器所需的換熱面積較大，而管子又不能做得太長時，就得增大殼體直徑，排列較多的管子。此時，為了減少管程流體截面積、增加管程流速，提高傳熱效果，須將管束分程，使流體依次流過各程管子。

（一）分程原因

（二）分程隔板

雙層隔板與管板的密封

單層隔板與管板的密封第55頁/共144頁

（1）管程數目不能太多，否則會使管箱結構復雜，給制造帶來困難，同時流體阻力也會增大。

（2）管程數目一般為偶數程（單程除外），這樣可以使管程的進出口設置在同一端管箱上，便于制造、操作和維修。

（3）盡可能使各程換熱管數目大致相等，以減小流體阻力。

（4）相鄰管程流體間溫度差不宜過大（不超過28℃），以避免產生過大熱應力。

管束分程的原則：第56頁/共144頁管程布置表分析管程數為4的分程隔板布置方式的優(yōu)劣第57頁/共144頁2.1.5縱向隔板、折流板和支持板

目的：為了提高流體的流速和湍流程度，強化殼程流體的傳熱，在殼程常設置縱向隔板或折流板。

縱向隔板在U型管殼式換熱器內常有應用。其最小厚度為6mm，當殼程壓降較大時，需適當加厚.

折流板是設置在殼體內與管束垂直的弓形或圓盤－圓環(huán)形平板。折流板常用形式有：弓形折流板、盤環(huán)形折流板、扇形折流板和管孔形折流板等幾種。

弓形折流板又分單弓、雙弓、三弓型三種。在弓形折流板中，流體流動死角較小，結構簡單，用的最多。盤環(huán)形結構復雜，不便清洗，一般用在壓力較高和物料比較清潔的場合；扇形和管孔形應用較少。什么時候用支持板?

第58頁/共144頁缺口弦高一般為殼體內徑的20%-45%第59頁/共144頁與傳統弓形折流板不同第60頁/共144頁第61頁/共144頁第62頁/共144頁第63頁/共144頁尺寸①厚度與殼體直徑和折流板間距有關；折流板最小厚度按下表選取。第64頁/共144頁②弓形折流板間距：最小間距≥{max0.2Di，50mm}。最大間距：按下表規(guī)定選取，且≤Di第65頁/共144頁③間隙：折流板外徑與殼體之間的間隙要適當，因為過小給安裝帶來困難，過大又影響傳熱效率，詳見下表。折流板的材料不能過硬也不能過軟？第66頁/共144頁折流板的固定①拉桿－定距管結構（適用于換熱管外徑≥19mm的管束）折流板和支承板的固定是通過拉桿和定距管來實現的。第67頁/共144頁②拉桿點焊結構，適用于換熱管外徑≤14mm的管束。拉桿的數量不少于四根，直徑不小于10mm。應盡量布置在管束的外邊緣，對于大直徑換熱器，在布管區(qū)或靠近折流板缺口處也應布置適當數量的拉桿。第68頁/共144頁第69頁/共144頁2.1.6擋管和旁路擋板擋管和旁路擋板同是為換熱器內防止流體短路的結構件。旁路擋板第70頁/共144頁作用阻止流體短路，迫使殼體流體通過管束進行熱交換結構及安裝加工成規(guī)則的長條狀，長度等于折流板或支承板的板間距，兩端焊在折流板或支承板上。旁路擋板在有相變發(fā)生的設備中，是否需要設旁路擋板或擋管？殼側換熱系數對換熱器的換熱效果不器控制作用時，是否需要設？第71頁/共144頁旁路擋板折流板旁路擋板的結構第72頁/共144頁2.1.7防沖板與導流筒處于流體進口處的管束，經常受到高流速流體的沖刷，故在進口處設一防沖板，以減少流體的不均勻分布和對換熱管的沖蝕，起一個防護作用。防沖板可以焊在定距管和拉桿上，也可焊在殼體上。第73頁/共144頁第74頁/共144頁

管箱的作用：將進入管程的流體均勻分布到各換熱管，把管內流體匯集在一起送出換熱器。在多管程換熱器中，管箱還可通過設置隔板起分隔作用。管箱結構如圖2.5所示，一類適用較清潔的介質，因檢查管子及清洗時只能將管箱整體拆下，故不太方便（如A)；第二類在管箱上裝有平蓋，只要將平蓋拆下即可進行清洗和檢查，所以工程應用較多，但材料消耗多（如b)；第三類是將管箱與管板焊成一體，這種結構密封性好，但管箱不能單獨拆下，檢修、清洗都不方便，實際應用較少。2.1.8管箱第75頁/共144頁管箱第76頁/共144頁2.2管殼式熱交換器的結構計算

在換熱器設計中，傳熱計算之后即是結構計算。結構計算的任務在于確定設備的主要尺寸，對于管殼式換熱器，主要包括：計算管程截面積（管子尺寸、數目及程數，管子排列方式）殼體直徑殼程截面積計算進出口連接管尺寸第77頁/共144頁2.2.1管程流通截面積基本方程為連續(xù)性方程單管程換熱器的管程流通截面積為：第78頁/共144頁第79頁/共144頁2.2.2殼體直徑的確定

換熱器殼體內徑通常是根據管徑、管數和管子的排列方法，用作圖法確定。當管數較多又要反復計算時，可參考系列標準或通過估算初選外殼直徑，待設計完成后再用作圖法畫出管子的排列圖。為使管子均勻排列，防止流體走“短路”，可以適當增減一定數目的管子或安排一些拉桿.初步設計中，可采用下式估算外殼直徑：

DS=(b-1)s+2b′

第80頁/共144頁2.2.3殼程流體截面積的計算殼程流通截面積的計算在于確定縱向隔板或折流板的數目與尺寸。1）對于縱向隔板，主要確定其長度，計算時采用連續(xù)性方程確定縱向隔板長度的基本原則：使流體在縱向隔板轉彎時的流速與各流程中順管束流動時速度基本相等。第81頁/共144頁2）弓形折流板第82頁/共144頁第83頁/共144頁第84頁/共144頁3）盤環(huán)形折流板第85頁/共144頁2.2.4進出口連接管直徑的計算第86頁/共144頁2.3管殼式換熱器的傳熱計算

目的在于使所設計的換熱器能在傳熱系數、傳熱面積和平均溫差等方面的綜合結果滿足傳熱方程式。2.3.1傳熱系數的確定傳熱計算時，總傳熱系數K的來源有三個方面：選用生產實際的經驗數據實驗測定K值的計算第87頁/共144頁2.3.2換熱系數的計算1）管內外換熱系數流體流過各種形式傳熱壁面時的α，一般是在試驗數據的基礎上，把它的變化規(guī)律整理成努賽爾準數（Nu）或傳熱因子（Jh）與雷諾數（Re)之間的關系用公式或線圖的形式表現出來。（P58-59）殼側換熱系數主要用下列公式計算第88頁/共144頁第89頁/共144頁流路A、B、C、D、E介紹第90頁/共144頁貝爾法介紹在介紹貝爾法以前，須解決一些結構參數：第91頁/共144頁第92頁/共144頁分別介紹以上六個因子的確定管內對流換熱準則方程式見表2.8第93頁/共144頁幾個注意事項：

定性溫度的確定（有三種取法。注意對油類等高粘度流體的定性溫度的選?。┒ㄐ统叽绲倪x取(當量直徑見附錄B）粘度的修正復合換熱的處理第94頁/共144頁2.2.3壁溫的計算

選擇熱交換器的類型和管子材料以及考慮熱膨脹的補償時均需知道壁溫。在一般請況下壁溫可通過下面的公式確定：放熱側壁溫：tw1=t1-K(1/α1+rs,1)Δtm=t1-q(1/α1+rs,1)吸熱側壁溫：tw2=t2＋K(1/α2+rs,2)Δtm=t1＋q(1/α2+rs,2)試算法的應用P67第95頁/共144頁2.4管殼式熱交換器的流動阻力計算

熱交換器內流動阻力引起的壓降，是衡量運行經濟效果的一個重要指標。如果壓降大,消耗的功率多，就需要配備功率較大的動力設備來補償因壓力降低所消耗的能量。由流體力學可知,產生流動阻力的原因與影響因素可歸納為：流體具有粘性，流動時存在著內摩擦，是產生流動阻力的根源；固定的管壁或其他形狀的固體壁面，促使流動的流體內部發(fā)生相對運動，為流動阻力的產生提供了條件。所以流動阻力的大小與流體本身的物理性質、流動狀況及壁面的形狀等因素有關。P68表2.10介紹第96頁/共144頁2.4.1管程阻力計算管殼式熱交換器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進、出口連接管阻力等三部分：ΔPt=ΔPi+ΔPr+ΔPNΔPt--管程總阻力ΔPi--沿程阻力ΔPr--回彎阻力ΔPN--進、出口連接管阻力第97頁/共144頁第98頁/共144頁2.4.2殼程阻力計算對于相同的雷諾數，殼程摩擦系數大于管程摩擦系數，因為流過管束的流動有加速、方向變化等。但殼程的壓降不一定大，因壓降與流速、水力直徑、折流板數、流體密度等有關、因此在同樣的雷諾數時，殼程壓降有可能比管程低。對于無折流板時：①可用管程阻力公式計算殼程阻力（但以殼程管束流道的當量直徑代替管程阻力公式中的di）②有的文獻推薦．錯流流過光滑圓管時，可用以下的公式計算殼程阻力（Re=102-5×104范圍內)：第99頁/共144頁，第100頁/共144頁第101頁/共144頁

2.4.3流路分析法簡介貝爾法的缺點是煩瑣、費時，同時此法并未把各流路的關系完全考慮在內，因此無法預測由于制造條件或結構等因素引起的各路流量及其相應阻力的變化，總的近似程度不如流路分析法好。流路分析法是利用廷克所提出的將殼程流動分成如圖2.27所示的五股流路.

第102頁/共144頁第103頁/共144頁第104頁/共144頁第105頁/共144頁第106頁/共144頁2.5管殼式熱交換器的合理設計2.5.1流體在熱交換器內流動空間的選擇

在設計熱交換器時必須正確選定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。這時要考慮下述一些原則：(1)要盡量提高使傳熱系數受到限制的那一側的換熱系數，使傳熱面兩側的傳熱條件盡量接近；(2)盡量節(jié)省金屬材料，特別是貴重材料，以降低制造成本；(3)要便于清洗積垢，以保證運行可靠(4)在溫度較高的熱交換器中應減少熱損失，而在制冷設備中則應減少冷量損失；第107頁/共144頁針對以上原則提問第108頁/共144頁2.5.2流體溫度和終溫的確定

當熱交換器的流動方式及傳熱面積已知時，流體的終溫可由平均溫差法或傳熱單元數法加以核定。在順流和逆流時．還可用以下根據平均溫差的指數規(guī)律而推導出來的公式直接計算終溫。第109頁/共144頁第110頁/共144頁第111頁/共144頁2.5.3管子直徑的選擇

換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，它直接與兩種介質接觸，所以換熱管的形狀和尺寸對傳熱有很大的影響。小管徑利于承受壓力，因而管壁較薄且在相同的殼徑內可以排列較多的管子，使換熱器單位體積的傳熱面積增大、結構緊湊，單位傳熱面積金屬耗量少，傳熱效率也稍高一些，但制造麻煩，且小直徑管子易結垢，不易清洗。所以一般對清潔流體用小直徑管子，粘性較大的或污染的流體采用大直徑管子。第112頁/共144頁第113頁/共144頁2.5.4流體流動速度的選擇

一般情況下，流速的增加使換熱系數隨之俱增，但是增加流速將使流動阻力也隨之增大，且其增加的速率遠超過換熱系數的增加速率因此，所選擇的流速要盡量使流體呈湍流狀態(tài)，以保證設備在較大的傳熱系數下進行熱交換，為避免產生過大的壓降，才不得不選用層流狀態(tài)下的流速。流速的最大值又是由允許的壓降所決定的，當允許的壓降已經限定，則最大流速就可由阻力公式外算出來。如果所允許的壓降不是由生產條件來決定，則可根據技術經濟比較來確定最佳流速(或最經濟流速)，這時設備的投資費用與運行費用之和最低。第114頁/共144頁2.5.5熱補償問題第115頁/共144頁第116頁/共144頁第117頁/共144頁管殼式熱交換器的振動與噪聲（1）流體誘發(fā)振動的原因流動引起的振動：熱交換器的管束屬于彈性體，被流過的流體擾動，離開其平衡位置，管子產生振動，這種振動成為流動引起的振動。1）渦流脫落引起的振動與噪聲什么是卡門渦街？第118頁/共144頁卡門渦街第119頁/共144頁2）氣流彈性旋轉引起的振動3）湍流抖振第120頁/共144頁（2）振動的預防措施第121頁/共144頁第122頁/共144頁右圖中結構有效地消除了湍流抖振第123頁/共144頁2．6管殼式熱交換器的設計程序

一般的設計程序如下；(1)根據設計任務搜集有關的原始資料，并選定熱交換器的型式等。(2)確定定性溫度，并查取物性數據；(3)由熱平衡計算熱負荷及熱流體或冷流體的流量(4)選擇殼體和管子的材料(5)選定流動方式、確定流體的流動空間；(6)求出平均溫差；(7)初選傳熱系數K‘，并初算傳熱面積F’；(8)設計熱交換器的結構(或選擇標準型號）第124頁/共144頁計算程序原理框圖和計算表格介紹，P85-86第125頁/共144頁大作業(yè)題目：煤油冷卻器的設計任務及操作條件1、處理能力：10萬噸/年煤油2、設備形式：列管式換熱器3、操作條件：（1）煤油：入口溫度150℃，出口溫度40℃（2）冷卻介質：自來水，入口溫度25℃，出口溫度35℃（3）允許壓降：不大于100kPa（4）煤油定性溫度下的物性數據：密度825kg/m3，粘度7.15×10-4Pa·s，比熱容2.22kJ/（kg·℃），導熱系數0.14W/（m·℃）（5）每年按330天計算，每天24小時連續(xù)運行。列管換熱器的選擇與核算（1）傳熱計算（2）管、殼程流動阻力計算（3）管板厚度計算（4）U形膨脹節(jié)計算（5）管殼式換熱器零部件結構

第126頁/共144頁2.7管殼式冷凝器與蒸發(fā)器的工作特點

2.7.1管殼式冷凝器的工作特點工質由汽態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程叫凝結，當蒸汽與低于它的飽和溫度的流體和壁面接觸時，就會發(fā)生凝結并放出潛熱。蒸汽在冷壁凝結并放出潛熱，而冷卻流體在壁面的另一側吸收熱量，這就是冷凝器的工作原理。按被冷凝的物質進行分類，冷凝過程又可分為可凝蒸汽的冷凝和含有不凝氣蒸汽的冷凝?？赡羝梢允菃我怀煞值募儍粽羝?，也可能是多種組分的混合蒸氣。第127頁/共144頁1）純凈飽和蒸汽在冷凝器內的冷凝設計時應注意的問題：冷凝換熱過程的強化（如有機蒸氣-水換熱）管子的放置方式（橫管、豎管）

采用臥式冷凝器的原因蒸汽在水平管內冷凝可能出現的問題第128頁/共144頁（2）過熱蒸汽在冷凝器內的冷卻和冷凝