列管换热器选用设计指导书.docx

管壳式换热器的设计和选用1设计和选用时应考虑的问题(1) 冷热流体流动通道的选择a、 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但U形管式的不宜走管程；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，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出；e、 被冷却的流体宜走壳程，便于散热；f、 若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减 小热应力；g、 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re > 100即可达到湍流但这不 是绝对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更 高的给热系数以C各点常常不可能同时满足，而且有时还会相互矛盾，故应根据具体情况，抓住主要 方面，作出适宜的决定2) 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，对流传热系数越大，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3) 换热管规格和排列选择换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大因此对于洁净的流体可完管径可取 得小些但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞为了制造和维修的方 便，我国目前试行的系列标准规定采用(|)19X2mm和(|)25 X 2.5mm两种规格，管长有1.5、2.0、 3.0、6.0m,排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列，见图2-11) 正三角形排列 (2)正方形排列(3)正方形错列图2-1换热管排列方式各种排列方式的优点： '正方形排列：易清洗，但给热效果较差,正方形错列：可提高给热系数等边三角形：排列紧凑，管外流体湍流程度高，给热系数大(4) 折流挡板安装折流挡板的目的是为提高壳程对流传热系数，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2-2可 以看出，弓形缺口太大或太小都会产生”死区"，既不利于传热，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 0.2-1.0 倍b.切除适当 c.切除过多图2-2挡板切除对流动的影响2管壳式换热器的给热系数给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学 过，而壳程的给热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因 素有关壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当 Re > 100即可达到湍流状态2. 1流体在圆形直管内的强制湍流N" =0.023Re°£pr*tz = 0.023-(^)°-8(^)' d n 2使用范围：Re> 10000, 0.750注意事项：(1) 定性温度取流体进出温度的算术平均值0；(2) 特征尺寸为管内径W(3) 流体被加热时，k=0.4,流体被冷却时，k=0.3；上述n取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响当管内流体被加 热时，靠近管壁处层流底层的温度高于流体主体温度；而流体被冷却时，情况正好相反对 于液体，其粘度随温度升高而降低，液体被热时层流底层减薄，大多数液体的导热系数随温 度升高也有所减少，但不显著，总的结果使对流传热系数增大。

液体被加热时的对流传热系 数必大于冷却时的对流传热系数大多数液体的Pr>l,即Pr°4>Pr°3因此，液体被加热时， n取0.4；冷却时，n取0.3对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层 增厚，气体的导热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少气体被加热 时的对流传热系数必小于冷却时的对流传热系数由于大多数气体的Pr

c. 流体在弯管中的对流传热系数先按直管计算，然后乘以校正系数// = (1 + 1.77^-)式中 d——管径；R——弯管的曲率半径由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，a增大2. 2流体在圆形直管内的强制层流特点：1)物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响2) 层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高3)层流要求的进口段 长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高1)Gr<2500时，自然对流影响小可忽略Nu = 1.86(RePr-)1/3(^-)014/ 丹，适用范围:定性温度、对于液体,(RePry) >10 , l/d>60特征尺寸取法与前相同，时按壁温确定，工程上可近似处理为:加热时：(^-)014 =1.05 ,冷却时：(^-)014 =0.95人， 人，Re<2300,(2) Gr>25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数/= 0.8(1+ 0.015Gr1/3)在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小, 从而使总传热系数也很小2. 3流体在换热器管壳间流动一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形和圆缺形两种。

由于装有不同 形式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的Re下(Re=100)即可达到湍流圆缺形折流挡板，弓形高度25%D, a的计算式：Nu =0.36 Re0 55 Pr^(^-)014适用范围：Re=2xl03~106o定性温度：进、出口温度平均值；tw一特征尺寸：(1)当量直径de 八方参图"— W正方形排列：《="-了85仍图2-3 de的计算4(—Z2-O.785Jo2)正三角形排列：de =—2 ' ;rd0(2)流速U根据流体流过的最大截面积Smax计算Smax =硒(1 -牛)式中 h——相邻挡板间的距离；D——壳体的内径提高壳程a的措施：提高壳程uTa,仁但hf«u2, hfTT: de>LaT:加强壳程的湍动程度， 如加折流挡板或填充物3流体通过换热器的阻力损失3. 1管程阻力损失包括各程直管阻力损失外1、回弯阻力损失外2及换热器进出口阻力损失外3构成，其中/i/3 MJ 忽略不计hf[+hn)hNp式中f,——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；叭—管程数；式中 I—换热管长度，m；(h„包括回弯和进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和，取阻力系数为3)J J管程阻力损失也可写成Ap, = A —+ 3 ftNl d, r p 2由于 Uj cc Np ,所以 A/?, cc A^p o对同一换热器，若单程改为双程，阻力损失剧增为原来的8倍，而给热系数只增为原来 的1.74倍，因此在选择换热器管程数时，应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。

3.2壳程阻力损失壳程由于流动状态比较复杂，结构参数较多，提出的公式较多，但可归结为不同的计算公式，决定；和"的方法不同，计算结果往往不一致4对数平均温差的修正前面学过的对数平均温差仅适用于纯并流或纯逆流的情况，当采用多管程或多壳程 时，由于其内流动形式复杂，平均推动力△、的计算式相当复杂为了方便，可将这些复杂 流型的平均推动力的计算结果与进出口温度相同的纯逆流相比较，求出修正系数叶，即△'m =逆其中底的求法为:W = f(P,R)p _^2 -_ 冷流体温升一 7]-"—两流体最初温差r T]-T2二热流体温降 冷流体温升根据P, R值由图查出各种情况的“值0.90.80.7.6O.0.61.0图2-4对数平均温度差校正系数"的值(a)单壳程(b)二壳程(c)三壳程(d)四壳程在设计时注意应使叶＞0.8,为什么？因为①经济上不合理；②操作温度略有变动，则!/下降很快，使操作不稳定5管壳式换热器的设计和选用步骤① 由已知条件计算传热量及逆流平均温差逆Q = KAAtm = KA 甲叭逆由上式可知，要求A,必须知道K,材•,而K和咳则是由传热面积A的大小和换热器 结构决定的因此，在冷、热流体的流量及进出口温度已知的条件下，选用或设计换热器必 须通过试差计算。

② 初选换热器的尺寸规格a、 初步选定流体流动方式，由冷热流体的进出口温度计算温差修正系数收，应使 >0.8,否则应改变流动方式，重新计算；b、 依据经验估计总传热系数K估，估算传热面积A估；c、 根据A估，根据系列标准选定换热管的直径、长度及排列；如果是选用，可根据A估 在系列标准中选用适当的换热器型号；③ 计算管程的压降和给热系数；a、 根据经验选定流速，确定管程数目，并计算管程压降若允，必须调 整管程数目重新计算b、 计算管内给热系数a?,若a"估，则应改变管程数重新计算；若改变管程数使 AA>AP △已.允，可增大挡板间 距b、 计算壳程给热系数%,若％太小可减小挡板间距⑤ 计算传热系数，校核传热面积根据流体性质选择适当的垢层热阻R,由R、％、a?计算K计，再由传热基本方程计 算A汁当A计小于初选换热器实际所具有的传热面积A ,则计算可行考虑到所用换热器 计算式的准确度及其他未可预料的因素，应使选用换热器面积有15%~25%的裕度，即 A/Ai+=1.15-1.25,否则应重新估计一个K估，重复以上计算。

一、设计内容1. 设计方案1） 换热器类型2） 流程的选定2. 工艺计算1） 换热器传热面积计算2） 换热器规格的选定3） 换热器校核的计算4） 编制计算书 二、设计要求1在确定设计方案时既要考虑到工艺，操作的要求又要兼硕经济和安全上的要求2在亿工计算时要求掌握传热的基本理论.有关公式，要知道查哪些资料，怎样使用算 图以及范样选择经验公式.并进行优化设计.3要求根据国家有关标准来选择换热器的构件4要求一部分学生利用计算机来辅助设计及优化设计方案5要求必须掌握固定。