热交换器原理与设计- ppt课件

1、第二章第二章 管壳式热交换器管壳式热交换器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、构造设计二、构造设计1.1.管程构造管程构造 (1)管束分程(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: 普通有普通有1，2，4，6，8，10，12等七种等七种, 最简单、最简单、 最常用的是单管程。最常用的是单

2、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.防止流体温差较大的两部分管束紧邻防止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, 不超越不超越28c.应尽可以使各管程的换热管数大致一样应尽可以使各管程的换热管数大致一样d.分程隔板槽外形简单分程隔板槽外形简单, 密封面长度较短密封面长度较短隔 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 结结 构构 形形 式式 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

3、流动顺序214612123414231432213546146325bacdefg流向流向分程隔板与管板的衔接方式分程隔板与管板的衔接方式: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6mm的排液孔的排液孔, 其位置按详细情况而定其位置按详细情况而定壳体壳体折流板折流板折流杆折流杆防短路构造防短路构造壳程分程壳程分程2.壳程构造壳程构造 壳体壳体接纳接纳焊在壳体上，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， 在壳程进口接纳处设置防冲挡板在壳程进口接

4、纳处设置防冲挡板. .固定方式固定方式焊接在拉杆、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设置条件设置条件:a.:a.当壳程进口管流体的当壳程进口管流体的v2v2值为以下数值时，值为以下数值时， 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) (i)非腐蚀非腐蚀, , 非磨蚀性单相流体非磨蚀性单相流体v2v22230kg/(m.s2)2230kg/(m.s2) (ii) (ii)其他液体，包括沸点下液体其他液体，包括沸点下液体v2v2740kg/(m.s2)740kg/(m.s2) b.

5、 b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，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( (外导流构造外导流构造) )条件条件: : 当壳程进出口接纳距管板较远，流体停滞区过大时，当壳程进出口接纳距管板较远，流体停滞区过大时， 应设置导流筒应设置导流筒分类：内导流筒和外导流筒两种。分类：内导流筒和外导流筒两种。作用作用: :a.a.提高壳程流体流速，添加湍动程度；使壳程流

6、提高壳程流体流速，添加湍动程度；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构造方式构造方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相近应使流体流过缺口时与横向

7、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)Di0.45)Di，最常用，最常用0.25Di0.25Di。圆盘圆盘- -圆环形折流板圆环形折流板图图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布置原那么布置原那么: a.: a.普通应按等间距布置普通应按等间距布置 b. b.管束两端的折流板尽可以接近壳程进出口接纳管束两端的折流板尽可以接近壳程进出口接纳 折流板缺口布置原那么折流板缺口布置原那么: a

8、.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 应程度上下布置。应程度上下布置。 假设气体中含有少量液体假设气体中含有少量液体, 应在缺口朝上的应在缺口朝上的 折流板最低处开设通液口折流板最低处开设通液口; 假设液体中含有少量气体，应在缺口朝下假设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折流板最低处开通液口;c.间距：间距：Lmin不小于不小于0.2管内径管内

9、径Di，且不小于，且不小于50mm； Lmax不大于不大于Di；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)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)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

10、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。间隙间隙折流板的陈列方式：缺口左右方交错陈列。卧式热交换器中的陈列方式缺口上下方交错陈列折流板的安装折流板的安装d14mm时时 折流板的固定 折流板的固定是经过拉杆和定距管来实现的。 拉杆构造 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，超越最大无支撑跨距时，但管子又比较长，超越最大无支撑跨距时， 需设置一定数量的支持板，按照折流板处置需设置一定数量的支持板，按照折流板处置. .作用作用: a. : a. 减小跨

11、距减小跨距防振防振 b. b.支承管子支承管子添加管子刚度，防止管子产生过大挠度添加管子刚度，防止管子产生过大挠度外形尺寸外形尺寸: : 同折流板同折流板 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7508509501100130016001900220024002800过程设备设计过程设备设计A A、换热管外径、换热管外径14mm14mm时时点焊构造点焊构造B、换热管外径、换热管外径 14mm时时拉杆拉杆-定距管构造定距管构造dndnd+1d点焊dndnd+1d点焊dndn

12、折流板、支持板固定方式：折流板、支持板固定方式：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，在布管区内或接近折流板缺口处换热器，在布管区内或接近折流板缺口处 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, , 流体阻力流体阻力, , 易产生管振动等缺陷易产生管振动等缺陷开发开发 新型折流杆新型折流杆构造构造:1 1支撑杆支撑杆2 2折流杆折流杆3 3滑轨滑轨优点优点: a.传热量一样下，传热量一

13、样下，p比弓形折流板降低比弓形折流板降低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)防短路构造防短路构造目的目的: : 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添加使传热效率添加构造：构造： 旁路挡板旁路挡板 图图挡管挡管 图图中间挡板中间挡板 图图折流板旁路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挡管挡板挡管挡管挡挡管管挡管构造挡管构造防止管间短路；防止管间短路；分程隔板槽反面两管板之间设置两端堵

14、死的管子，即挡管；分程隔板槽反面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；挡管普通与换热管规格一样，可与折流板点焊固定，也可用挡管普通与换热管规格一样，可与折流板点焊固定，也可用拉杆带定距管或不带定距管替代。拉杆带定距管或不带定距管替代。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中间挡板中间挡板中间挡板中间挡板U U形管束中心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；中间挡板普通与折流板点焊固定；中间挡板普通与折流板点焊固定；壳体壳体DN500mmDN500mm时时设置设置1 1块挡板块挡板5005

15、00DNDN1000mm1000mm时时设置设置2 2块挡板块挡板DN1000mmDN1000mm时时设置不少于设置不少于3 3块挡板块挡板(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数增大壳程流体传热系数型式型式: 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隔板与壳体的衔接方式纵向隔板与壳体的衔接方式: : 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，所以普通壳程壳程分程较管程

16、分程困难，所以普通壳程2注注: : 折流板仅改动流向而不是分程折流板仅改动流向而不是分程壳程分程壳程分程对分流对分流双分流双分流第二节 管壳式热交换器的构造计算义务: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衔接纳尺寸一、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：ttttwMA/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n21td/4An式中：d1管子内径，m；每根管子的长度L为dn/FL式中：F热计算所需求的传热面m2；d管子的计算直径，m计算直径的选取

17、方法：计算直径的选取方法： 普通情况下，管子的计算直径取换热系数小的那一侧的，只需在两侧的换热系数相近时才取平均直径作为计算直径。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；普通为普通为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。假设算得的管长过长，那么应该做成多程的热交换器。假设算得的管长过长，那么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mL管程总长，m；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：过多过多隔板在管板上占去

18、过多的面积，管板排管数降低隔板在管板上占去过多的面积，管板排管数降低添加流体穿过隔板垫片短路的时机添加流体穿过隔板垫片短路的时机添加流体的转弯次数及流动阻力添加流体的转弯次数及流动阻力流程数适中流程数适中程数宜取偶数，以使流体的进、出口程数宜取偶数，以使流体的进、出口衔接纳做在同一封头管箱上，便于制造。衔接纳做在同一封头管箱上，便于制造。二、壳体直径确实定内径内径方法方法作图可靠，准确估算bsbDs21式中：b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁间隔，b11.5d0(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陈列时， ； 当管子接正方形陈列时tnb1 . 1tnb19

19、. 1壳体的外径强度强度钢制压力容器规范的规定加以确定 公称直径小于或等于公称直径小于或等于400mm400mm的热交换器，可以采用无缝钢管的热交换器，可以采用无缝钢管制造圆筒，卷制圆筒的公称直径以制造圆筒，卷制圆筒的公称直径以400mm400mm为根底，以为根底，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：ASAS为壳程流通截面积，为壳程流通截面积，m2m2；MsMs壳程流体的质量流量，壳程流

20、体的质量流量，Kg/sKg/s；ss壳程流体的密度，壳程流体的密度，Kg/m3Kg/m3wsws壳程流体的流速，壳程流体的流速，m/sm/s；纵向隔板长度确定的根本原那么：纵向隔板长度确定的根本原那么：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那么缺口高度确定原那么为防止流动速度变化引起压降，流体在缺口处的流通为防

21、止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的流通截面积接近。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AA2sin212142sswgDhDActwtFndA1820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，m；式中：DL表示最大布管圆直径，表示最大布管圆直径，m折

22、流板切口中心角，弧度；折流板切口中心角，弧度；sDh21arccos2两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正方形斜转或直列陈列时00dssdDDDlAnLLssc三角形陈列时00dssdDDDlALLssc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为保证流速所需求的流通截面积为保证流速所需求的流通截面积 Ab Ab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

23、的流通面积a2环板的流通面积环板的流通面积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、传热系数确实定1、确定传热系数的主要方法：阅历选用数据实验测定经过计算热阻AttttAQwwww2121间壁资料AR圆管iwwddttLQ021ln2AttAQ1流体与干净壁面LddRi2ln0AR1流体与结垢壁面定义: 热交换器运转一段时间后，壁外表会构成一层

24、污垢，引起附加热阻。决议要素：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以外外表积为基准时：0110001ln211jjnjiiidddddK式中：0表示管外；i表示管内；以内外表为基准时00111ln211dddddKijjnjjiii近似计算外外表00,00,00111smwwiisiirddddrddK内外表0000 ,111ddddrddrKiismiwwisii管壁比较薄式中rs,irs,i管内壁的污垢热阻，管内壁的污垢热阻，m2/Wm2/W；rs,ors,o管外壁的污垢热阻

25、，管外壁的污垢热阻，m2/Wm2/W；ww管壁厚度，管壁厚度，m m；ww管材的导热系数，管材的导热系数，W/mW/m；dmdm管子的平均直径管子的平均直径iimddddd00lniiK00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非金属资料不适用二、换热系数的计算管内外换热系数 在实验根底上，把它的变化规律用努谢尔准那么数Nu，或传热因子jh与雷诺数(Re)之间的关系用公式或线图方式表示出来。努谢尔准那么数对流换热强度lNu 雷诺准那么数流体的流动外形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

26、. 03/2/Pr/PrPrRe/wwHwcNuj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孔式折流板Re=3210414. 0316 . 004 . 00000Pr32. 1wfffavfGddsdsdGavGav平均质量流量，平均质量流量，Kg/(m2s)Kg/(m2s)式中：asHsasHavGldlGGldG4240G0G0管孔间隙中的质量流速，管孔间隙中的质量流速，Kg/(m2s)Kg/(m2s)GaGa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/(m2s)Kg/(m2

27、s)20204ddnMGHts2024dnDMGtssaMsMs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，mls折流板间距，折流板间距，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/(m2s)计算计算GmGm所用的基准面所用的基准面AsAs32aaAs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间隙管子与折流板上的管孔之间存在间隙流路流路A折流板前后存

28、在压差折流板前后存在压差泄漏管外壁的结垢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。经过设置旁路挡板，改善这个流路对传热的影响经过设置旁路挡板，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构成的漏流。折流板和壳体内壁间存在一定间隙所构成的漏流。特点漏流漏流温度发生畸变温度发生畸变流路流路E多管程，安排分程隔板而使壳程

29、构成了不为管子所多管程，安排分程隔板而使壳程构成了不为管子所占据的通道，假设用来构成多管程的隔板设置在主横占据的通道，假设用来构成多管程的隔板设置在主横向流的方向上它将会呵斥一股或多股旁路向流的方向上它将会呵斥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经过理想管束换器构造参数操作条件构造参数计算1 1、总管数、总管数nt;nt;2 2、错流区排管总数、错流区排管总数NCNCPsscsDhDN21DSDS热交换器壳体内径热交换器壳体内径sPsP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FCFCssssssWgcDhDDhDDhDRARF2arccos22arccossin221sin2224 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FC