《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计.ppt

1,第二章 管壳式热交换器,2,管程与管束中流体相通的空间,壳程换热管外面流体及相通空间,管程,壳程,管程,二、结构设计,3,1.管程结构,(1)管束分程(分程隔板):,条件:当换热器所需换热面，而管子又不能太长时，,管程数: 一般有1，2，4，6，8，10，12等七种, 最简单、 最常用的是单管程。,分程的要求:,a.避免流体温差较大的两部分管束紧邻,b.程与程之间温差不宜过大, 不超过28,c.应尽可能使各管程的换热管数大致相同,d.分程隔板槽形状简单, 密封面长度较短,4,5,管束分程布置图,流向,6,分程隔板与管板的连接形式:,隔板密封面通常10mm; 对卧式换热器:设置6mm的排液孔, 其位置按具体情况而定,7,壳体,折流板,折流杆,防短路结构,壳程分程,2.壳程结构,壳体,接管焊在壳体上，供壳程流体进、出。,防冲挡板,作用:减小流体的不均匀分布和对管束的侵蚀和震动， 在壳程进口接管处设置防冲挡板.,固定形式,8,9,设置条件:a.当壳程进口管流体的v2值为下列数值时， 应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒 (i)非腐蚀, 非磨蚀性单相流体v22230kg/(m.s2) (ii)其他液体，包括沸点下液体v2740kg/(m.s2) b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物， 应设置防冲板,导流筒,作用:a.充分利用换热面积, 减小壳程进出口处死区 b.也起防冲作用 c.减少壳程进出口处压降(外导流结构),条件: 当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时， 应设置导流筒,分类：内导流筒和外导流筒两种。,10,11,12,作用: a.提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流 体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数； b.减少结垢。 c.支承管束,折流板、支持板,折流板,结构形式,13,过程设备设计,弓形缺口高度h,应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近 缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示， 如单弓形折流板，h=(0.200.45)Di，最常用0.25Di。,15,圆盘-圆环形折流板,16,图2-22 单弓形折流挡板,图2-24 圆盘圆环形折流挡,17,18,布置原则: a.一般应按等间距布置 b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管,折流板缺口布置原则: a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口 (卧式） 应水平上下布置。 若气体中含有少量液体, 应在缺口朝上的 折流板最低处开设通液口; 若液体中含有少量气体，应在缺口朝下 的折流板最高处开通气口; b.壳程介质为气液共存或液体中含有固体 颗粒时，折流板应垂直左右布置，并在 折流板最低处开通液口;,c.间距：Lmin不小于0.2管内径Di，且不小于50mm； Lmax不大于Di；,19,过程设备设计,壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置,折流板缺口布置,(a),(b),20,过程设备设计,卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口,折流板缺口布置,(c),21,折流板上管孔与换热管 折流板与壳体内壁之间,过大泄露严重,不利传热; 易引起振动。 过小安装困难。,折流板的排列方式：,22,缺口左右方交错排列。,卧式热交换器中的排列方式,缺口上下方交错排列,23,折流板的安装,d14mm时,24, 折流板的固定 折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。,拉杆结构,25,26,支持板,设置条件: 当换热器在工艺上无须设置折流板， 但管子又比较长，超过最大无支撑跨距时， 需设置一定数量的支持板，按照折流板处理.,作用: a. 减小跨距防振 b.支承管子增加管子刚度，防止管子产生过大挠度,形状尺寸: 同折流板,最大无支撑跨距:,27,过程设备设计,A、换热管外径14mm时点焊结构,B、换热管外径 14mm时拉杆-定距管结构,折流板、支持板固定方式：,28,拉杆数量: 与拉杆直径，壳体DN有关,拉杆布置:尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的 换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处 应布置适当数量的拉杆,折流杆,针对传统折流板: 有传热死区, 流体阻力, 易产生管振动等缺点开发 新型折流杆,结构:,1支撑杆 2折流杆 3滑轨,29,30,优点: a.传热量相同下，p比弓形折流板降低50%； b.没有传热死区 c.结垢速度快； d.管束不易振动(壳程流体流向由横流变为轴流),(4)防短路结构,目的: 防止壳程流体，在某些区域短路使传热效率增加,结构：,31,旁路挡板,为了防止 壳程边缘 介质短路,32,挡管,挡 管,挡管结构,防止管间短路； 分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管； 挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用 拉杆（带定距管或不带定距管）代替。 挡管每隔34排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处,33,中间挡板,中间挡板,U形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路； 中间挡板一般与折流板点焊固定； 壳体DN500mm时设置1块挡板 500DN1000mm时设置2块挡板 DN1000mm时设置不少于3块挡板,34,(5)壳程分程(纵向隔板),目的: a.满足工艺设计要求 b.增大壳程流体传热系数,型式: E型、F型、G型、H型,保证隔板与壳体间密封 防介质短路,壳程分程较管程分程困难，所以一般壳程2,注: 折流板仅改变流向而不是分程,35,壳程分程,对分流,双分流,36,第二节 管壳式热交换器的结构计算,任务:确定设备的主要尺寸,内容 :,管程流通截面积,确定壳体直径,壳程流通截面积,进出口连接管尺寸,一、管程流通截面积的计算,单管程热交换器的管程流通截面积为：,37,式中：,At为管程流通截面积，m2；,Mt为管程流体的质量流量，Kg/s；,t为管程流体的密度，Kg/m3；,Wt为管程流体的流速，m/s；,需管数n,式中：,d1管子内径，m；,38,每根管子的长度L为,式中：,F热计算所需要的传热面m2；,d管子的计算直径，m,计算直径的选取方法：,一般情况下，管子的计算直径取换热系数小的 那一侧的，只有在两侧的换热系数相近时才取平均 直径作为计算直径。,39,换热管的长度与壳体直径的比值在425之间；,一般为610，对于立式热交换器而言比值为46。,若算得的管长过长，则应该做成多程的热交换器。,换热管长度取值：,管程数Zt为：,式中：,l所确定的管子的长度m,L管程总长，m；,40,管子的总根数,n每程管数,式中：,流程数的选取：,过多,隔板在管板上占去过多的面积，管板排管数降低,增加流体穿过隔板垫片短路的机会,增加流体的转弯次数及流动阻力,流程数适中,41,程数宜取偶数，以使流体的进、出口 连接管做在同一封头管箱上，便于制造。,二、壳体直径的确定,内径 方法,作图（可靠，准确）,估算,42,式中：,b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离， b（11.5）d0(d0为管外径)。,b 沿六边形对角线上的管数。 估算 当管子按照等边三角形排列时， ； 当管子接正方形排列时,壳体的外径,强度,钢制压力容器标准的规定加以确定,43,公称直径小于或等于400mm的热交换器，可以采用无缝钢管 制作圆筒，卷制圆筒的公称直径以400mm为基础，以100mm， 为进级档，必要的时候允许以50mm为进级档。,三、壳程流通截面积的计算,内容：,确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。,纵向隔板,式中：,AS为壳程流通截面积，m2；,Ms壳程流体的质量流量，Kg/s；,s壳程流体的密度，Kg/m3,ws壳程流体的流速，m/s；,44,纵向隔板长度确定的基本原则：,流体在纵向隔板转弯时的流速,各流程中顺管束流动时速度。,壳程流通截面积,流程数,45,弓形折流板,缺口高度,缺口处的流通截面积,两折流板间错流的流通截面积,缺口高度确定原则,为避免流动速度变化引起压降，流体在缺口处的流通 截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积接近。,46,流体在缺口处的流通截面积Ab,47,缺口总截面积,缺口处管子所占面积,FC为错流区内管子数占总管数的百分数,式中：,h表示折流板缺口高度，m；,Ds表示热交换器壳体内径，m；,式中：,DL表示最大布管圆直径，m,48,折流板切口中心角，弧度；,两折流板间错流的流通截面积AC,正方形斜转或直列排列时,三角形排列时,49,式中：,ls折流板间距；,d0管子外径；,s管间距；,sn与流向垂直的管间距。,As，Ab，Ac之间的关系,As为保证流速所需要的流通截面积,Ab流体在缺口处的流通截面积,AC两折流板间错流的流通截面积,50,（3）盘环形折流板,环板圆孔处的流通面积a1,盘板的流通面积a2,环板的流通面积a3,a3盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积,Dm环内径D1和盘径D2的算术平均值,sn 与流向垂直的管间距,51,第三节 管壳式热交换器的传热计算,一、传热系数的确定,1、确定传热系数的主要方法：,经验选用数据,实验测定,通过计算,热阻,间壁材料,52,圆管,流体与洁净壁面,流体与结垢壁面,定义: 热交换器运行一段时间后，壁表面会形成一 层污垢，引起附加热阻。,53,决定因素：污垢的导热系数d及污垢的厚度,污垢系数：rd=d/d,污垢热阻,传热量,传热公式,2、圆管的传热系数确定,54,以外表面积为基准时：,式中：,0表示管外；,i表示管内；,以内表面为基准时,55,近似计算,外表面,内表面,（管壁比较薄）,式中,rs,i管内壁的污垢热阻，m2/W；,rs,o管外壁的污垢热阻，m2/W；,w管壁厚度，m；,w管材的导热系数，W/m；,dm管子的平均直径,56,或者,金属壁面的导热热阻流体的对流换热热阻,对于新的热交换器,污垢热阻可以忽略不计,条件,d0di,非金属材料不适用,57,二、换热系数的计算,管内外换热系数,在试验基础上，把它的变化规律用努谢尔准则数（Nu）， 或传热因子（jh）与雷诺数(Re)之间的关系用公式或 线图形式表示出来。,努谢尔准则数,对流换热强度,58,雷诺准则数,流体的流动 状态,传热因子,科恩传热因子,柯尔本传热因子,59,关系,壳侧换热计算,无折流板,有折流板,纵向流过管束,当量直径,管内湍流,求出,按照,孔式折流板,盘环折流板,弓形折流板,60,孔式折流板,Re=32104,Gav平均质量流量，Kg/(m2s),式中：,G0管孔间隙中的质量流速，Kg/(m2s),Ga壳程流体顺流管束的质量流量，Kg/(m2s),61,Ms壳程流体的质量流量,dH折流板上管孔直径，m,ls折流板间距，m；,盘环折流板,Re=32104,式中,Gm为平均质量流速，Kg/(m2s),62,计算Gm所用的基准面As,弓形折流板,廷克壳侧流体流动模型,壳侧流体分为错流、漏流及旁流流路,流路A:,流路B,流路C,流路D,流路E,管子与折流板上的管孔之间存在间隙,流路A,折流板前后存在压差,泄漏,管外壁的结垢,63,流路在环形间隙内有较高的换热系数，主流速度低，对传热不利。,特点,流路B,横向流过管束,特点,对传热和阻力影响最大,流路C,管束最外层管子与壳体之间存在间隙而产生的旁路。,通过设置旁路挡板，改善这个流路对传热的影响,特点,流路D,折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流。,特点,漏流,温度发生畸变,64,流路E,多管程，安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所 占据的通道，若用来形成多管程的隔板设置在主横 向流的方向上它将会造成一股或多股旁路,特点,设置挡管,贝尔法,内容：,理想管束的传热因子,校正,错流通过理想管束,换器结构参数,操作条件,65,66,结构参数计算,1、总管数nt;,2、错流区排管总数NC,DS热交换器壳体内径,sP管间距，m,式中,图中读出,图中读出,估算,3、两折流板顶部错流面积占总面积的百分数FC,67,4、错流区内管子数占总管数的百分数FC,式中,h表示折流板缺口高度，m；,Ds表示热交换器壳体内径，m,DL表示最大布管圆直径，m；,68,5、每一缺口内的有效错流管排数NCW,6、错流面积中旁流面积所占分数FbP,若有E路存在时,式中,NE管程隔板所占的通道数，（E流路数）,LEE流道的宽度,69,9、流体通过缺口的流通面积Ab,10、缺口的当量直径DW(用于Re100的情况),11、折流板数目,如果进出口段板间距不等于ls,则,70,ls,i