热交换器原理与设计管壳式热交换器设计 2.12.3

1、1第二章第二章 管壳式热交换器管壳式热交换器2管程管程与管束中流体相通的空间与管束中流体相通的空间壳程壳程换热管外面流体及相通空间换热管外面流体及相通空间（ a) bem立 式 固 定 管 板 式 换 热 器二、结构设计二、结构设计31.1.管程结构管程结构 (1)管束分程管束分程( (分程隔板分程隔板):):条件条件: :当换热器所需换热面当换热器所需换热面，而管子又不能太长时，而管子又不能太长时， 就要就要管数管数n (v ) n (v ) 为使管内为使管内vv提高传热效果提高传热效果需分程需分程 管程数管程数: : 一般有一般有1 1，2 2，4 4，6 6，8 8，1010，1212等

2、七种等七种, , 最简单、最简单、 最常用的是单管程。最常用的是单管程。隔板布置方式隔板布置方式平行布置法平行布置法 t t形布置法形布置法分程的要求分程的要求: :a.避免流体温差较大的两部分管束紧邻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程与程之间温差不宜过大, , 不超过不超过2828c.应尽可能使各管程的换热管数大致相同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分程隔板槽形状简单, , 密封面长度较短密封面长度较短4隔板(a)(b)隔板箱盖（ 2）（ 1）(c)隔 板箱 盖管 板(d)隔 板 (a) （b） (c) (d) 图图 6-17 管管 箱箱 结

3、结 构构 形形 式式 5管束分程布置图管束分程布置图图序管箱隔板介质返回侧隔板管程数流动顺序214612123414231432213546146325bacdefg流向流向6分程隔板与管板的连接形式分程隔板与管板的连接形式:隔板密封面通常隔板密封面通常10mm;对卧式换热器对卧式换热器: :设置设置6mm6mm的排液孔的排液孔, , 其位置按具体情况而定其位置按具体情况而定7壳体壳体折流板折流板折流杆折流杆防短路结构防短路结构壳程分程壳程分程2.壳程结构壳程结构 壳体壳体接管接管焊在壳体上，供壳程流体进、出。焊在壳体上，供壳程流体进、出。防冲挡板防冲挡板作用作用: :减小流体的不均匀分布和对

4、管束的侵蚀和震动，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在壳程进口接管处设置防冲挡板防冲挡板. .固定形式固定形式焊接在拉杆、定距管、折流板上焊接在拉杆、定距管、折流板上焊接在圆筒上焊接在圆筒上用用u u型螺栓固定在换热管上型螺栓固定在换热管上89设置条件设置条件: :a.当壳程进口管流体的当壳程进口管流体的vv2 2值为下列数值时值为下列数值时， 应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒 (i)非腐蚀非腐蚀, , 非磨蚀性单相流体非磨蚀性单相流体v22230kg/(m.s2) (ii)其他液体，包括沸点下液体其他液体，包括沸点下液体v27

5、40kg/(m.s2) b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物， 应设置防冲板应设置防冲板导流筒导流筒作用作用: :a.a.充分利用换热面积充分利用换热面积, , 减小壳程进出口处死区减小壳程进出口处死区 b.b.也起防冲作用也起防冲作用 c.c.减少壳程进出口处压降减少壳程进出口处压降( (外导流结构外导流结构) )条件条件: : 当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时， 应设置导流筒应设置导流筒分类分类：内导流筒和外导流筒两种内导流筒和外导流筒两种。101112作用作用: :a.提高壳程流体流速

6、，增加湍动程度；使壳程流提高壳程流体流速，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；体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；b.b.减少结垢。减少结垢。c.c.支承管束支承管束折流板、支持板折流板、支持板折流板折流板结构形式结构形式弓形弓形圆盘圆盘- -圆环形圆环形堰形折流板堰形折流板13过程设备设计过程设备设计(b)双弓形水平竖直转角（a） 单弓形（c）三弓形（d）四弓形(b)双弓形水平竖直转角（a） 单弓形（c）三弓形（d）四弓形(a)单弓形单弓形(d)圆盘圆盘-圆环形圆环形(c)三弓形三弓形(b)双弓形双弓形弓形缺口高度弓形缺口高度h h应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速

7、相近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，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，如单弓形折流板，h=(0.20h=(0.200.45)0.45)d di i，最常用，最常用0.250.25d di i。1415圆盘圆盘- -圆环形折流板圆环形折流板16图图2-22 2-22 单弓形折流挡板单弓形折流挡板图图2-24 2-24 圆盘圆盘圆环形折流挡圆环形折流挡1718布置原则布置原则: : a.a.一般应按等间距布置一般应按等间距布置 b.b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接

8、管 折流板缺口布置原则折流板缺口布置原则: a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口壳程为单相清洁流体时，折流板缺口 ( (卧式）卧式） 应应水平上下水平上下布置。布置。 若气体中含有少量液体若气体中含有少量液体, , 应在缺口朝上的应在缺口朝上的 折流板最低处开设折流板最低处开设通液口通液口; 若液体中含有少量气体，应在缺口朝下若液体中含有少量气体，应在缺口朝下 的折流板最高处开的折流板最高处开通气口通气口; ; b.壳程介质为气液共存或液体中含有固体壳程介质为气液共存或液体中含有固体 颗粒时，折流板应垂直颗粒时，折流板应垂直左右布置左右布置，并在，并在 折流板折流板最低最低处开通液口处开通液口

9、; ;c.间距：间距：l lminmin不小于不小于0.20.2管内径管内径didi，且不小于，且不小于50mm50mm； l lmaxmax不大于不大于didi；19过程设备设计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折流板缺口布置(a)(b)20过程设备设计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最低处开通液口通液口通液口折流板缺口布置折流板缺口布置(c)2

10、1折流板上管孔与换热管折流板上管孔与换热管折流板与壳体内壁之间折流板与壳体内壁之间（a) bem立式固定管板式换热器过大过大泄露严重泄露严重, ,不利传热不利传热; ; 易引起振动。易引起振动。过小过小安装困难。安装困难。间隙间隙折流板的排列方式：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折流板的安装折流板的安装d14mm时时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。 拉杆结构拉杆结构 2526支持板支持板设置条件设置条件: : 当换热器在工艺上无须设置折流板，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，但管子又比较长，

11、超过最大无支撑跨距时， 需设置一定数量的支持板，按照折流板处理需设置一定数量的支持板，按照折流板处理. .作用作用: a. : a. 减小跨距减小跨距防振防振 b.b.支承管子支承管子增加管子刚度，防止管子产生过大挠度增加管子刚度，防止管子产生过大挠度形状尺寸形状尺寸: : 同折流板同折流板 最大无支撑跨距最大无支撑跨距: :换热管外径10121416192532384557 最大无支撑跨距钢管-11001300150018502200250027503200有色金属管750850950110013001600190022002400280027过程设备设计过程设备设计a a、换热管外径、换热

12、管外径14mm14mm时时点焊结构点焊结构b、换热管外径换热管外径 14mm14mm时时拉杆拉杆- -定距管结构定距管结构dndnd+1d点焊dndnd+1d点焊dndn折流板、支持板固定方式：折流板、支持板固定方式：28拉杆数量拉杆数量: : 与拉杆直径，壳体与拉杆直径，壳体dndn有关有关拉杆布置拉杆布置: :尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的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应布置适当数量的拉杆折流杆折流杆123针对传统折流板针对传统折流板: : 有传热死区有传热死区, , 流体阻力流体阻

13、力, , 易产生管振动等缺点易产生管振动等缺点开发开发 新型折流杆新型折流杆结构结构:1 1支撑杆支撑杆2 2折流杆折流杆3 3滑轨滑轨2930优点优点: a.传热量相同下，传热量相同下，pp比弓形折流板降低比弓形折流板降低50%50%； b.没有传热死区没有传热死区 c.结垢速度快结垢速度快； d.管束不易振动管束不易振动( (壳程流体流向由横流变为轴流壳程流体流向由横流变为轴流) )(4)防短路结构防短路结构目的目的: : 防止壳程流体，在某些区域短路防止壳程流体，在某些区域短路使传热效率增加使传热效率增加结构结构： 旁路挡板旁路挡板 图图挡管挡管 图图中间挡板中间挡板 图图31折流板旁路

14、挡板旁路挡板旁路挡板折流板折流板旁路挡板旁路挡板为了防止为了防止壳程边缘壳程边缘介质短路介质短路32挡管挡板挡管挡管挡挡管管挡管结构挡管结构防止管间短路防止管间短路；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。拉杆（带定距管或不带定距管）代替。挡管每隔挡管每隔3 34 4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处33中间挡板中间挡板中间挡板中间挡板u u形管束中心

15、部分存在较大间隙形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路；，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定中间挡板一般与折流板点焊固定；壳体壳体dn500mmdn500mm时时设置设置1 1块挡板块挡板500dn1000mm时时设置设置2 2块挡板块挡板dn1000mm时时设置不少于设置不少于3 3块挡板块挡板34(5)壳程分程壳程分程( (纵向隔板纵向隔板) )目的目的: a.: a.满足工艺设计要求满足工艺设计要求 b.b.增大壳程流体传热系增大壳程流体传热系数数型式型式: e: e型、型、f f型、型、g g型、型、h h型型保证隔板与壳体间密封保证隔板与壳体间密封防介质短路防介质短路纵向

16、隔板与壳体的连接形式纵向隔板与壳体的连接形式: : 焊接焊接将隔板与壳体内壁焊接将隔板与壳体内壁焊接 可拆可拆有密封元件有密封元件壳程分程较管程分程困难，所以一般壳程壳程分程较管程分程困难，所以一般壳程22注注: : 折流板仅改变流向而不是分程折流板仅改变流向而不是分程35壳程分程壳程分程对分流对分流双分流双分流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：37ttttwma/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

17、的密度，kg/m3；wt为管程流体的流速，m/s；需管数n21td/4an式中：d1管子内径，m；38每根管子的长度l为dn/fl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：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。直径作为计算直径。39换热管的长度与壳体直径的比值在换热管的长度与壳体直径的比值在425之间；之间；一般为一般为610，对于立式热交换器而言比值为，对于立式热交换器而言比值为46。若算得的

18、管长过长，则应该做成多程的热交换器。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：换热管长度取值：管程数管程数zt为为：ll/zt式中：l所确定的管子的长度所确定的管子的长度ml管程总长管程总长，m；40管子的总根数ttnzn n每程管数每程管数式中式中：流程数的选取：流程数的选取：过多过多隔板隔板在管板上占去过多的面积，管板排管数降低在管板上占去过多的面积，管板排管数降低增加流体穿过增加流体穿过隔板隔板垫片短路的机会垫片短路的机会增加流体的转弯次数及流动阻力增加流体的转弯次数及流动阻力流程数适中流程数适中41程数宜取偶数，以使流体的进、出口程数宜取偶数，以使流体的进、出口连接管

19、做在同一封头管箱上，便于制造。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内径方法方法作图（可靠，准确）估算bsbds2142式中：b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离，管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离，b（11.5）d0(d0为管外径为管外径)。b 沿六边形对角线上的管数。沿六边形对角线上的管数。估算估算 当管子按照等边三角形排列时，当管子按照等边三角形排列时， ； 当管子接正方形排列时当管子接正方形排列时tnb1 . 1tnb19. 1壳体的外径强度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公称直径小于或等于400mm400mm的热交换器，可以采用无

20、缝钢管的热交换器，可以采用无缝钢管制作圆筒，卷制圆筒的公称直径以制作圆筒，卷制圆筒的公称直径以400mm400mm为基础，以为基础，以100mm100mm，为进级档，必要的时候允许以为进级档，必要的时候允许以50mm50mm为进级档。为进级档。三、壳程流通截面积的计算内容：内容：确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。纵向隔板sssswma/式中：a as s为壳程流通截面积，为壳程流通截面积，m m2 2；m ms s壳程流体的质量流量，壳程流体的质量流量，kg/skg/s；s s壳程流体的密度，壳程流体的密度，kg/mkg/m3 3w ws s壳程流体的流速，壳

21、程流体的流速，m/sm/s；44纵向隔板长度确定的纵向隔板长度确定的基本原则基本原则：流体在纵向隔板转弯时的流流体在纵向隔板转弯时的流速速各流程中顺管束流动时速度。各流程中顺管束流动时速度。壳程流通截面积壳程流通截面积2024dndzatsss20224dndaztsss流程数流程数45弓形折流板缺口高度缺口高度缺口处的流通截面积缺口处的流通截面积两折流板间错流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。截面积与流体在两折流板间错流

22、的流通截面积接近。46流体在缺口处的流通截面积流体在缺口处的流通截面积abwtwgb缺口处管子所占面积a缺口总截面积aa472sin212142sswgdhdactwtfnda1820缺口总截面积缺口总截面积缺口处管子所占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为错流区内管子数占总管数的百分数式中：lslslscdhddhddhdf2arccos22arccossin221h表示折流板缺口高度，表示折流板缺口高度，m；ds表示热交换器壳体内径表示热交换器壳体内径，m；式中：dl表示最大布管圆直径表示最大布管圆直径，m48折流板切口中心角，弧度；折流板切口中心角，弧度；sdh2

23、1arccos2两折流板间错流的流通截面积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00dssddddlanllssc三角形排列时00dssddddlallssc49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cbsaaa as为保证流速所需要的流通截面积为保证流速所需要的流通截面积 a ab b流体在缺口处的流通截面积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两折流板间错流的流通截面积50（3）盘环形折流板）盘环形折流板环板圆孔处的流通面积环板圆孔处的流通面积a1盘板的流通面积盘板的流通面积a2环板的流通面积环板的流通

24、面积a3321aaa32aaasnmsdhda021a3盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积dm环内径环内径d1和盘径和盘径d2的算术平均值的算术平均值sn 与流向垂直的管间距与流向垂直的管间距51第三节第三节 管壳式热交换器的传热计算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attttaqwwww2121间壁材料ar52圆管iwwddttlq021ln2attaq1流体与洁净壁面lddri2ln0ar1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

25、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ararddd传热量aarttqdw1传热公式mtkfqktqm1kr12、圆管的传热系数确定54以外表面积为基准时：0110001ln211jjnjiiidddddk式中：0表示管外；i表示管内；以内表面为基准时00111ln211dddddkijjnjjiii55近似计算外表面00,00,00111smwwiisiirddddrddk内表面0000 ,111ddddrddrkiismiwwisii（管壁比较薄）式中r rs,is,i管内壁的污垢热阻，管内壁的污垢热阻，m m2 2/w/w；r rs,os,o管外壁的污垢热阻，管外

26、壁的污垢热阻，m m2 2/w/w；w w管壁厚度，管壁厚度，m m；w w管材的导热系数，管材的导热系数，w/mw/m；d dm m管子的平均直径管子的平均直径56iimddddd00lniik00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（在试验基础上，把它的变化规律用努谢尔准则数（nunu），），或传热因子（或传热因子（j jh h）与雷诺数）与雷诺数(re)(re)之间的关系用公式或之间的关系用公式或线图形式表示出来。线图形式表示出来。努谢尔准则

27、数对流换热强度lnu 58雷诺准则数流体的流动状态wlre 传热因子科恩传热因子14. 03/1/prwhnuj柯尔本传热因子14. 03/214. 03/2/pr/prprre/wwhwcnuj59关系rehhjj壳侧换热计算无折流板 有折流板纵向流过管束纵向流过管束当量直径当量直径管内湍流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=3210414. 0316 . 004 . 00000pr32. 1wfffavfgddsdsdg gavav平均质量流量平均质量流量，kg/(mkg/(m2 2s)s)式中：ashsashavgldlggldg4240g g0 0管孔间隙

28、中的质量流速，管孔间隙中的质量流速，kg/(mkg/(m2 2s)s)g ga a壳程流体顺流管束的质量流量，壳程流体顺流管束的质量流量，kg/(mkg/(m2 2s)s)20204ddnmghts612024dndmgtssam ms s壳程流体的质量流量壳程流体的质量流量dh折流板上管孔直径，折流板上管孔直径，m mls折流板间距，折流板间距，m m；盘环折流板re=3210414. 03/16 . 06 . 000pr08. 2wffmefgdd式中gm为平均质量流速，为平均质量流速，kg/(mkg/(m2 2s)s)62计算计算g gm m所用的基准面所用的基准面a as s32aaa

29、s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管子与折流板上的管孔之间存在间隙间隙流路流路a折流板前后存在折流板前后存在压差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。低，对传热不利。特点流路流路b横向流过管束横向流过管束特点对传热和阻力影响最大对传热和阻力影响最大流路流路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通

30、过设置旁路挡板，改善这个流路对传热的影响特点流路流路d折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流。折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流。特点漏流漏流温度发生畸变温度发生畸变64流路流路e多管程，安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所多管程，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向流的方向上它将会造成一股或多股旁路特点设置挡管设置挡管贝尔法贝尔法内容：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6566结构参数计算1 1、总管数、总管数n nt t; ;2 2、错流区排管总数、错流区排管总数n nc cpsscsdhdn21d ds s热交换器壳体内径热交换器壳体内径s sp p管间距，管间距，m m式中图中读出图中读出图中读出图中读出估算估算3 3、两折流板顶部错流面积占总面积的百分数、两折流板顶部错流面积占总面积的百分数f fc c67sssssswgcdhddhddhdrarf2arccos22arccossin221sin2224 4、错流区内管子数占总管数的百分数、错流区内管子数占总管数的百分数f fc clslslscdhddhdd