列管式换热器的设计和选用.ppt

1、列管式换热器的设计和选用,一、列管式换热器的选用原则 1. 冷、热流体流动通道的选择的一般原则a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。e) 流量小而粘度大（）的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热

2、应力。g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。,2. 流速的选择,流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数（给热系数），而且影响污垢热阻，从而影响总传热系数的大小。特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。根据经验，表1及表2列出一些工业上常用的流速范围，以供参考。,列管式换热器内常用的流速范围,不同粘度液体的流速,3. 传热总系数的确定,计算值的基准面积，习惯上常用管子的外表面积。当设计对象的基准条件（设备型式、雷诺准数Re、流体物性等）与某已知值的生产设备相同或相近时

3、，则可采用已知设备值的经验数据作为自己设计的值。表3为常见列管式换热器值的大致范围。由下表选取大致值。,当有污垢热阻时，用下式进行值核算。 式中：给热系数，W/m2.； R污垢热阻，m2.W； 管壁厚度，mm； 管壁导热系数，W/m.； 当管壁较薄时，近似按平壁计算，即： 在用上式计算值时，污垢热阻、通常采用经验值，常用的污垢热阻大致范围下表。,常见流体的污垢热阻,4. 流动方式的选择除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增

4、加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正。,冷却介质的选择是一个经济上的权衡问题，按设备费用和操作费用的最低原则确定冷却介质的最优出口温度,根据一般经验过程要有一定的推动力，,冷却介质若是工业用水，含有 、 等盐类，其溶解度随着温度上升而降低，为了防止盐类析出，形成垢层，工业冷却水出口温度应小于,若根据 、 在图上找不到相应的点，表明此种流型无法完成指定换热任务，应改为其他流动方式。 若 ，经济上不太合理，且操作温度变化时，可能使 急剧下降，影响操作的稳定性，应改为其他流动方式。,5.换热

5、管规格换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。 目前我国试行的系列标准规定采用252.5和192两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有382.5，572.5的无缝钢管和252, 382.5的耐酸不锈钢管。按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为46。,6

6、.换热管的排列管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图a，图b）。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45安装（图c），可在一定程度上提高表面传热系数。,对正方形,对正三角形,为相邻两管的中心距， 为管外径， 两块挡板间距离，为壳体直径,7.折流挡板安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图3可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生死区，既不利于传

7、热，又往往增加流体阻力。,挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七种浮头式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八种。,8. 流体通过换热器时阻力的计算换热器管程及壳程的流动阻力，常常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值时，则应修改设计参数或重新选择其他规格的换热器。按一般经验，对于液体常控制在10410

8、5 Pa范围内，对于气体则以103104Pa为宜。此外，也可依据操作压力不同而有所差别，参考下表。,（1）管程阻力损失,管程阻力损失可按一般摩擦阻力计算式求得。但管程总的阻力Pt应是各程直管摩擦阻力Pi、每程回弯阻力Pr以及进出口阻力PF三项之和。而PF相比之下常可忽略不计。因此可用下式计算管程总阻力损失Pt：,式中 Pi每程直管阻力：Pr每程回弯阻力：Ft结构校正系数，无因次，对于252.5的管子Ft=1.4；对于192的管子，Ft=1.5Ns串联的壳程数或串联的换热器数 Np管程数,（2）壳程阻力损失,图4. 壳程摩擦系数f0与Re0的关系,二.设计步骤,1.计算换热器的热通量,2.作出适

9、当的选择并计算,3.根据经验估计传热系数 ，计算传热面积,4.计算冷、热流体与管壁的,5.压降校核,6.计算传热系数，校核传热面积,1.计算换热器的热通量,根据已知条件 、 、 、 、 ， 求,2.作出适当的选择并计算,流向的选择,确定冷却介质出口温度 ，求对数平均推动力,对 进行 修正,查图得到,一般逆流优于并流,实例,3.根据经验估计传热系数 ， 计算传热面积,根据 初选换热器,实例,4.计算冷、热流体与管壁的,确定冷、热流体走管程或壳程,确定管内流速,根据所选换热管确定管子的排列,目前我国国标采用 和,管长 有1.5、2、3、4.5、6、9m,核定管壳式换热器内常用流速范围,管程数,管子

10、数,折流挡板,安装折流挡板的目的是为了提高管外 对圆缺形挡板，弓形缺口的常见高度,国标挡板间距：,取壳体内径的20%和25%,固定管板式：100、150、200、300、450、600、700mm,浮头式：100、150、200、250、300、350、450 （或480）、600mm,管程给热系数,若 ，则改变管程数重新计算或重新估计,物性系数在定性温度下求得,实例,壳程给热系数,若 太小，则可减少挡板间距,实例,5.压降校核, 管程阻力校核,管程数,管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5，正方形排列取1.4,改变管程数，应兼顾传热与流体压降两方面的损失,必须调整管程数目重新计算,实例, 壳

11、程阻力损失,可增大挡板间距,折流板数目,横过管束中心线的管子数,折流板间距,壳体内径,按壳程流动面积 计算所得的壳程流速,管子排列形式对压降的校正系数,壳程流体摩擦系数,实例,6.计算传热系数 校核传热面积,根据流体的性质选择适当的 垢层热阻,否则重新估计 ，重复以上计算,实例,三、设计范例,要求将温度为 的某液态有机物冷却至 ，此有机物的流量为 。现拟用温度为 的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过 。已知有机物在 时物性数据如下：,流程,管路布置如图（参考图），已知泵进口段管长 ， 泵出口段管长 。（均不包括局部阻力损失）,初选换热器,选冷凝水出口温度 定性温度,计算,据此定性温度，查表得水的物性数据,初拟定采用单壳程，偶数管程的浮头式换热器。 由图查得 修正系数。,参照表，初步估计 ，传热面积,由换热器系列标准，初选 型换热器,根据经验估计传热系数 ，计算传热面积,管程流动面积,管内冷却水流速,管程给热系数,管程给热系数计算,壳程给热系数