管壳式换热器的结构计算.pdf

2.2 管壳式换热器的结构计算管壳式换热器的结构计算• 在换热器设计中，传热计算之后即是结构 计算在换热器设计中，传热计算之后即是结构 计算 • 结构计算的任务在于确定设备的主要尺 寸，对于管壳式换热器，主要包括：结构计算的任务在于确定设备的主要尺 寸，对于管壳式换热器，主要包括： • 1）计算管程截面积（管子尺寸、数目及程 数，管子排列方式））计算管程截面积（管子尺寸、数目及程 数，管子排列方式） • 2）壳体直径）壳体直径 • 3）壳程截面积）壳程截面积 • 4）计算进出口连接管尺寸）计算进出口连接管尺寸2.2.1 管程流通截面积管程流通截面积• 基本方程为连续性方程 单管程换热器的管程流通截面积为：基本方程为连续性方程 单管程换热器的管程流通截面积为：smwmkgskgMmAwMAtttttttt//,//32管程流体流速，管程流体密度管程流体质量流量，管程流通截面积，−−−−−−−−=ρρ()外直径的平均值两层数值接近，则取内值；若取换热系数小一侧的数换热管计算直径，一般为：每根管子的长度传热面为满足传热计算结果的换热管内径，需管数为：和流速通过换热器，则为保证流体以上述流量−−=⇒×=×=−−=⇒×⎟ ⎠⎞⎜⎝⎛×=ddnFLndLnRLFLmFmddAnndAiiti tπππππ/2,/42222• 管长的选用应考虑管材的合理使用和清洗 方便，管长的选用应考虑管材的合理使用和清洗 方便， • 目前换热管长度与壳体直径之比一般在目前换热管长度与壳体直径之比一般在4～～ 25，通常为，通常为6～～10，立式换热器以，立式换热器以L/D＝＝ 4～～6为宜。

为宜 • 因我国生产的钢管长度多为因我国生产的钢管长度多为6m，故系列标 准中的管长有，故系列标 准中的管长有1.5，，2，，3或或6m四种，其中 以四种，其中 以3m和和6m最为普遍最为普遍 • 如果按上式算出管长过长，则需分程如果按上式算出管长过长，则需分程上，便于制造一封头管箱便进出口连接管做在同所以程数宜取偶数，以增加使流动阻力数多增加流体转弯次数同时短路机会增加；程管数减少，占据管板过多面积，排程数过多导致分程隔板每程管数每程管长；管程总长；为：于是管子总数＝为：后，管程数管子的长度选为−−−−−−=nmlmLnlLlttttt Znn/ZZ2.2.2壳体直径的确定壳体直径的确定• 换热器壳体内径应等于或稍大于管板直 径，通常是根据管径，管数和管子的排列 方法，用作图法确定当管数较多又要反 复计算时，可参考系列标准或通过估算初 选外壳直径，待设计完成后再用作图法画 出管子的排列图为使管子均匀排列，防 止流体走换热器壳体内径应等于或稍大于管板直 径，通常是根据管径，管数和管子的排列 方法，用作图法确定当管数较多又要反 复计算时，可参考系列标准或通过估算初 选外壳直径，待设计完成后再用作图法画 出管子的排列图。

为使管子均匀排列，防 止流体走“短路短路”，可以适当增减一定数目 的管子或安排一些拉杆可以适当增减一定数目 的管子或安排一些拉杆• 初步设计中，可采用下式估算外壳直径：初步设计中，可采用下式估算外壳直径： • DS=(b-1)s+2b′ 式中：′ 式中： DS—— 壳体内径，壳体内径，m；； s—— 管中心距，管中心距，m；； b′′—— 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距 离，管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距 离，m，一般取，一般取b′′=(1～～1.5)do；； b —— 位于管束中心线上管数，其值可由以下公式计算位于管束中心线上管数，其值可由以下公式计算：： 管子按等边三角形排列时，管子按等边三角形排列时，b=1.1nt0.5 管子按正方形排列时，管子按正方形排列时，b=1.19nt0.5 式中：式中： nt—— 换热器的总管数 根据计算得到的壳径应圆整到国家规定的标准换热器的总管数 根据计算得到的壳径应圆整到国家规定的标准2.2.3 壳程流体截面积的计算壳程流体截面积的计算壳程流通截面积的计算在于确定纵向隔板或折流板 的数目与尺寸壳程流通截面积的计算在于确定纵向隔板或折流板 的数目与尺寸。

smwmkgskgMmAwMAssssssss///;/132壳程流体流速；壳程流体的密度；壳程流体的质量流量；壳程流通截面积用连续性方程确定其长度，计算时采、对于纵向隔板，主要−−−−−−−−′=′ρρ()()2 022 0244dnDAZdnDZAts ssts ss−′−=′ππ＝或流程数：截面积相等：程的流通设纵向隔板后，每一流速度基本相等即在装流动时的持与各流程中顺着管束折流板转弯时的流速保体在经过度的基本原则是要使流确定纵向折流板所需长2）弓形折流板 其缺口高度（）弓形折流板 其缺口高度（h）应能保证流体在缺口 处的流通截面积与流体在两折流板之间错 流的流通截面积接近，避免流动速度变化 而引起压降 当选好壳程流体的流速后，就可方便地 确定为保证此流速所需的基准流通截面积 （）应能保证流体在缺口 处的流通截面积与流体在两折流板之间错 流的流通截面积接近，避免流动速度变化 而引起压降 当选好壳程流体的流速后，就可方便地 确定为保证此流速所需的基准流通截面积 （As）)⎥ ⎦⎤ ⎢ ⎣⎡ ⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛−×××−×⎟ ⎠⎞⎜⎝⎛=⇒⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−=∴−=−==2sin212422sin2222121arccos2;212/2/ 2cos22θθθθθθθθsssss wgsssswgwtwgbbDhDhDDDADh Dh DhDAAAAAQ的等腰三角形面积的扇型面积－角度为弧度为积－缺口处管子所占截面＝缺口总截面积通截面积，则表示流体在缺口处的流若以()折流板切口中心角布管限定圆直径壳体内径折流板缺口高度＋＝数的百分数。

错流区内管子数占总管＝弓形部分管子根数−−−−−−−−⎭⎬⎫ ⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−−⎥ ⎦⎤ ⎢ ⎣⎡ ⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−⎩⎨⎧ ⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−−−−×=θππππLsLsLsLs ccctwtDDhDhD DhD DhDFFFnddA2arccos22arccossin2211842 02 0流体在两折流板间错流的流通截面积以流体在两折流板间错流的流通截面积以AC表示表示()()cbscbsnosooL Lssco noL LsscAAAAAAssdldssdDDDlAdssdDDDlA×−−−−−−⎥⎥ ⎦⎤⎢⎢ ⎣⎡ −⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−+−=⎥ ⎦⎤ ⎢ ⎣⎡−⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−+−=＝之间满足关系：、、管间距与流向垂直的管间距；管子外径－－折流板间距；列时：当排列方式为三角形排转或直列排列时：当排列方式为正方形斜与流向垂直的管间距的算术平均值与盘径－－环内径或使＝＝则应：积面减去该处管子所占面表示盘周至圆筒内壁截流通面积，表示盘板和环板之间的面积，表示环板圆孔处的流通若以盘环形折流板−−⎟⎟ ⎠⎞ ⎜⎜ ⎝⎛−==nmno mSsDDDsdhDaaaAaaaaaa212323213211;)3π2.2.4 进出口连接管直径的计算进出口连接管直径的计算流口）立式换热器可设置溢为口，最小直径气口，最低点设置排液和壳程的最高点设置放，应在管程行放气和排液的换热器）对于不能利用接管进面计接口接口、压力表接口和液）必要时要设置温度计时，应采用对焊法兰）设计温度对接管的要求：到最接近的标准管径。

计算出的管径还应圆整仍采用连续性方程：42032300113. 14 22mmCwM wMDDwwsM°≥==⇒⎟ ⎠⎞⎜⎝⎛==ρπρπρρ2.3 管壳式换热器的传热计算目的在于使所设计的换热器能在传热系数、传热面积和平均温差等方面的综合结果满足传热方程式目的在于使所设计的换热器能在传热系数、传热面积和平均温差等方面的综合结果满足传热方程式•1.K的物理意义的物理意义 •当Δ当Δt=1℃时，℃时，K=dQ/dS •物理意义：冷热流体温度差为物理意义：冷热流体温度差为1℃时，单位面积单位时间内导入℃时，单位面积单位时间内导入(或 导出或 导出)的热量，的热量，J •或：总传热系数在数值上等于单位温度差下的总传热量或：总传热系数在数值上等于单位温度差下的总传热量 •2.K的倒数的含义的倒数的含义 •总传热系数倒数总传热系数倒数1/K代表间壁两侧流体传热的总热阻代表间壁两侧流体传热的总热阻 •3.K须和所选择的传热面积相对应须和所选择的传热面积相对应 •所选传热面积不同，所选传热面积不同，K的数值也不同：的数值也不同： •dQ=Ki(T-t)dSi=Ko(T-t)dSo=Km(T-t)dSm •∵∵dQ、、(T-t)与选择的基准面积无关与选择的基准面积无关omommooioioiiodd dSdS KKdd dLddLd dSdS KK===ππ==∴2.3.1 传热系数的确定传热系数的确定• 总传热系数总传热系数K的计算式的计算式 • 如前述，两流体通过管壁的 传热包括以下过程：如前述，两流体通过管壁的 传热包括以下过程： • 热流体在流动过程中把热量 传递给管壁的对流传热热流体在流动过程中把热量 传递给管壁的对流传热 • 通过管壁的热传导通过管壁的热传导 • 管壁与流动中的冷流体之间 的对流传热管壁与流动中的冷流体之间 的对流传热 • 以上过程用微分方程表示， 即：以上过程用微分方程表示， 即：管程 热流体壳程 冷流体TTWttWδowom wwwwiwidSttdQdStTdQdSTTdQ)()()(−=−=−=αδλα壳程冷流体：管壁：管程热流体：• 整理以上三式，得各过程推动力并相加，即：整理以上三式，得各过程推动力并相加，即：) 1 (1dd1KtdSKdQ1dd1dSdSdSdQdSdQ)11()()()(owooooowoowooowomwiiomwiiomwiioomwiiwwwwddddtdSdStdSdSdSdQttTtttTTTαλδ ααλδ ααλδ ααλδ α++=Δ=++Δ= ++Δ=++=Δ=−=−+−+−，得联立，得：，两边同除解得)3(d dd1K)2(dd11Kmwimmiiwioowioomwidddαλδ ααλδ α++=++=同理：以上三式均为总传热系数的计算式。

以上三式均为总传热系数的计算式) 1 (1dd1Koooomwwiiddαλδ α++=• 总传热系数也可以表示为热阻的形式，即：总传热系数也可以表示为热阻的形式，即：oowioomwiomwiddddαλδ ααλδ ααλδ αmwimmiiwiowiood dd K1dd1 K11d dd K1++=++=++=〖说明〗间壁两侧流体间传热的总热阻等于两侧流 体的对流传热的热阻及管壁热传导的热阻之和〖说明〗间壁两侧流体间传热的总热阻等于两侧流 体的对流传热的热阻及管壁热传导的热阻之和污垢热阻污垢热阻 • 换热器操作一段时间后，由于温度的关系或流体的不洁 净等，传热面上常有污垢积存这些垢层虽然不厚，但 由于其导热系数小，导热热阻很大，对传热产生附加热 阻，称为污垢热阻因此计算总传热系数时要考虑到污 垢热阻的影响，因垢层厚度及其导热系数难以确定，通 常是根据经验选用污垢热阻来作为计算依据若管壁两 侧污垢热阻分别用换热器操作一段时间后，由于温度的关系或流体的不洁 净等，传热面上常有污垢积存这些垢层虽然不厚，但 由于其导热系数小，导热热阻很大，对传热产生附加热 阻，称为污垢热阻因此计算总传热系数时要考虑到污 垢热阻的影响，因垢层厚度及其导热系数难以确定，通 常是根据经验选用污垢热阻来作为计算依据。

若管壁两 侧污垢热阻分别用rsi和和rso表示时，总热阻为：表示时，总热阻为：oso mwio si iirdddrdαλδ α1dd K1owoo++++=常见流体在壁面产生的污垢热阻大致数值范围见附表 实际选用时还要考虑操作条件以及使用时间对其的影 。