参考第6章换热器

1、第6章换热器第6章换热器6.16.26.36.4概述管壳式换热器的基本结构管壳式换热器的选用及校核计算传热过程的强化及新型换热器的简介6.1换热器及其作用概述6.1.11.换热器：实现热量传递过程的装置。2.作用：加热原料，如原油被加热；冷却，如、煤油、柴油等的冷却；回收余热，如常、减压炉顶部的烟气余热回收系统6.1.2换热器的分类6.1.2.1按用途分加热器，冷却器，冷凝器，再沸器，蒸发器等6.1.2.2按冷热流体接触直接混合式：冷热流体直接混合蓄热式：冷、热流体通过蓄热材料进行热量交换。间壁式：冷、热流体通过管壁进行换热，不直接进行接触，使用最多。6.1.3间壁式换热器的类型6.1.3.1

2、夹套式换热器结构：夹套式换热器主要用反应过程的加热或冷却，是容器外壁安装夹套制成。优点：结构简单。缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。夹 套 式 换 热 器6.1.3.2蛇管换热器1.沉浸式蛇管换热器结构：多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。蛇 管 的 形 状缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。2. 喷淋式蛇管换热器结构：将蛇管成排地固定于钢架上，被冷却的流体在管内，冷却水由管上方的喷淋装置中均匀淋下，故又称喷淋式冷却器。喷 淋 式 冷 却 器优点：传热推动力大，传热效果好，便于检修

3、缺点：喷淋不易均匀。和。6.1.3.3套管换热器结构：将两种直径大小不同的直管装成同心套管， 并可用U形肘管把管段串联起来。优点：进行热交换时使一种流体在内管流过，另一种则在套的环隙中通过。流速高，表面传热系套 管 式 换 热 器数大，逆流，平均温差最大，结构简单，能承受高压，应用方便。缺点：构不紧凑接头多，易泄漏，结6.1.3.4管壳式换热器结构：壳体与管束。一种流体在管内，称为管程；另一种流体在管外，称为壳程。通过管壁进行换热。优点：体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。1.固定管板式换热器特点：结构简单，成本低；可能

4、产生较大的热应力；壳程不易机械的场合。；适用于壳程流体不易结垢或容易化学2.浮头式换热器特点：结构复杂；成本高；消除了温差应力；应用广泛。3.U型管式换热器特点：兼顾两者特点 ，但管程程流体清洁的场合。，适用于管6.2管壳式换热器的基本结构6.2.1管束6.2.1.1管板及管子排列方式管子胀接在管板上而形成管束，管子排列方式有三角形和 正方形两种。正方形直列正方形错列三角形直列三角形错列6.2.1.2折流挡板作用：提高壳程流体湍动程度，强化传热。形式：圆缺式、圆盘式、缺角式等。国内常用的为圆缺式。圆盘式圆缺式单壳程圆盘形折流板管壳式换热器流体在壳内的6.2.2管箱与浮头管程隔板布置图6.2.3

5、壳体与封头作用：用以约束壳程流体的。椭圆封头壳体6.3管壳式换热器的选用及校核计算6.3.1管壳式换热器的选用及设计原则6.3.1.1 形式与结构的选定1. 换热器形式的选择：综合考虑冷热流体的温差及壳程流体的性质；2. 管子的规格及排列方式：规格：19×2mm25×2.5mm两种长度：1.5m、2m、3m、6m，其中3m、6m较多用排列方式：正三角形排列、正方形直列、正方形错列排列3.壳径的确定：通常等于或稍大于管板直径4. 管程和壳的确定：为了提高管内流速，可采用多管程。但是过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用

6、的面积减少，设计 时应考虑这些问题。有1、2、4和6程等四种。列管式换热器的系列标准中管采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。6.3.1.2管程和壳程的确定1.净或易结垢的液体宜在管程，因管内方便。2.腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。3.高的流体宜在管内，以免壳体承受。4.饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出。5.流量小而粘度大的流体一般以壳。6.需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。7.流体宜走管程，以减少向环境泄露的机会。8.若两流体的温差较大，大的流体宜走壳程，以减小管壁和壳壁的温度差。6.3.1.3操作条件的确定1.流速流速u增大，将增大对流传热系数

7、，降低污垢热阻，K增加，从而可减小传热面积A ；但u增加，阻力增大，动力消耗增加。适宜的流速既要考虑权衡又要兼顾结构上的要求，充分利用工艺上原则。2.换热终温的压强降来选择较高的流速是换热器设计的一条重要换热器冷热流体两端的温度由工艺条件规定。但对加热介质或冷却介质出口温度需由设计者确定。设计中，冷却水两端 温差可取5-10。6.3.2无相变时管壳式换热器的对流传热系数6.3.2.1管程对流传热系数i按管内对流传热系数公式计算。Re>10000时，对低粘度流体：cp mlldura = 0.023(0.80.30.4)()md对高粘度流体：dur )0.8 ( cp m )0.33 (

8、m )0.14la = 0.027(mlmwd6.3.2.2壳程对流传热系数o对具有圆缺形折流挡板的壳程对流传热系数的计算，可采用(Donohue)法:1mcö 3 æ0ö . æ6m 0ö.14ldæGma 0= .23 çogm÷ç p÷ç÷ølmodèøèøèow式中 Ggm流体横过管束与通过折流板缺口时的平均质量流速，kg/m2·s。ms(n)G=BD-'SdgmS×Scseocb

9、其中 Sc两折流板间，靠近管壳中心线处的流通面积。p= KD2 -n×2×'Sdbswo4Sb折流板缺口的公式的适用范围为：流通面积。<3 doGgm2<´104m由公式可见，o与do、B及K之间的关系为：4 (×B×' )K0-.3a µd0- .oo6.3.3管壳式换热器的平均温度差换热器中上常见的几种形式逆流与并流时的tm可用第5章的公式计算。对于错流和折流的情况，可以加一个系数进行。= y × D t逆Dtm式中 温差校正系数，可根据流型及两参数P与R查得。-P = t2t1 =冷流体温升

10、T1-1t两流体最初温差-R =TT2 = 热流体温降1-t2t1冷流体温升6.3.4换热器的压降6.3.4.1管程压降由三部分阻力组成。1.直管阻力piu2mLNpDp = l i × r × Nu = sSi =×di2itr × Sid2iNt4i式中 L一根换热管的长度，m；ui流体通过管内的流速，m/s。Si管程流通面积2.局部阻力pru2p =xr× iD× N ×多管程：34；单管程：2。rt23.流体通过接管的阻力pNu2r ×Dp1=.5 ×NN2式中 uN管内流速。考虑管内结垢对阻力影

11、响时，则总压降为：æö u2LDp = F (Dp + Dp ) = F N × r × ç l+ x ÷i ttirttd2èøi式中 Ft管程结垢阻力校正系数。气体，Ft=1；FtFB及固定管板系列：Ft=1.4；液体F及FA系列：Ft=1.5。6.3.4.2壳程压降公式计算式：=F(D)pp Dp + Dss1ss 2式中 ps换热器壳压降2u()= lr×p D+F0 cnN1 c 2p 流体通过管束外阻力s1Bs1æ2B ö u2=N3ç÷ B ×

12、; rps2流体通过折流板缺口阻力D5 -p.s 2BD2èøs流体流经换热器时的阻力不应太大：液体：P=10.13101.3kPa(0.11atm)；气体：P=1.01310.13kPa(0.010.1atm)；6.3.5管壳式换热器的选用与设计计算步骤6.3.5.1试算并初选设备规格1.确定流体在换热器中的Q ；途径，根据传热任务计算热负荷2.确定流体在换热器两端的温度，选择列管式换热器的型式；3.计算tm ，并根据温度校正系数0.8的原则，决定壳；4.选定K值，由QKAtm初步算出A，并确定换热器的基本尺寸或按系列标准选择设备规格。6.3.5.2核算总传热系数K计算i

13、 和o，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算K，比较K的初始值和计算值，若K/K1.151.25，则初选的设备合适。 否则需另设K值，重复以上计算步骤。6.4.5.3 核算传热面积A计算所需传热面积Ac ，与换热器实际面积Aa相比，当(Aa- Ac)/Ac=0.10.2，所选换热器适宜，否则重复前述步骤。6.4.5.4 计算管、壳程压强降若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管或折流板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。AEDABCB-KAA.计=15.c =1(11.25)a00.2EK初AcDC6.5传热过程的强化及新型换热器简介强化传热的途径6.5.1Q = KAD

14、tm传热速率方程：强化途径：增加K、A、tm。1.增大总传热系数K提高流速及流体的扰动程度，采用相变、l较大的流体，减小壁厚、防止结垢和及时清除垢层。重点从设备的结构入手，提高体积的传热面积，如采用螺旋管、波纹管、翅片管等2.增大传热面积A温度一般由生产工艺条件所规定，可调范围有限，尽可能逆流操作3.增大平均温差tm6.5.2新型换热器简介6.5.2.1 螺旋折流板换热器1983年由捷克人提出，美国ABB公司并申请了专利。基本结构为 ：将圆截面的特制板安装在 “拟螺旋 折流系统”中，每块折流板占换热器壳横剖面的14，其倾角朝向换热器的轴线 ，即与换热器轴线保持一定倾斜度 。相邻折流板的周边相接

15、 ，与外圆处成连续螺旋状 。弓形折流板换热器的技术特点a单弓形折流板换热器结构简单，安装方便；a不足的是容易出现死区、旁流和漏流等情况，降低了传热系数；a容易结垢导致热阻增加，换热效率降低；损失较大，能耗增加。a螺旋折流板换热器优点：1、介质在壳体内连续平稳螺旋，避免了横向折生的严重损失，因而具有压降低的特点；2、在同样的压降下，可大幅度提高壳程介质的流速，从 而提高Re，使介质传热能力增大；3、由于壳程介质螺旋前进，因而在径向截面上产生速度热管表面滞留底层减薄，有在滞热阻适用时可大大减少停车次数。6.5.2.2 螺旋扁管换热器Allares公司首先提出、美国Brown公司（休 斯顿的布朗公司

16、） 经过改进的一种换热管。结构先将扭曲时按管束件， 管外触点优点：1.在管程，流体的螺旋提高了其湍流程度，减薄了作为传热主要热阻的滞流内层的厚度，使管内传热得以强化。2. 在壳程，因螺旋扁管之间的流道也呈螺旋状，流体在 其间运动时受离心力的作用而周期性地改变速度和方向，从而加强了流体的纵向混合。3. 流体经过相邻管子的螺旋线接触点时形成脱离管壁的尾流，增强了流体自身的湍流程度，破坏了流体在管壁 上的传热边界层，因而使得壳程的传热也得以强化。6.5.2.3 波纹管换热器结构特点：在保持管壳式换热器总体结构不变的基础上，对传热元件进行开发设计，用的设备将薄壁不锈成内外均为连续波纹曲线的波纹管。优点：1.传热系数高：波纹管换热器的传热系数是传统管 壳式换热器的1.2-2.4倍；2.具有很好的温差应力补偿能力，适用于大温差场合；3.有自能力，可有效地防止结垢，延长换热器的操作周期 ；4.体积传热面积大。6.5.2.4 板翅式换热器在两块平行的薄金属板(平隔板)间，夹入波纹状的片，两边以侧条密封，组成一个单元体。将各单元体进