换热装置的工艺设计课件.ppt

换热装置的工艺设计,主 讲：谭 志 伟 二零一六年秋,换热装置的工艺设计主 讲：谭 志 伟,1概述 换热装置是以传递热量为主要功能的通用机械,通常称为热交换器,简称换热器。换热器在化工、石油、制冷、动力、食品等部门中均有广泛的应用。它们的设计、制造和运行对生产过程起着十分关键的作用。在化工厂的建设中,换热器约占工程总投资的11%;通常,换热器约占炼油及化工装置设备总投资的40%。因此,换热器的设计、制造、结构改进及传热机理研究,在节省投资、降低能耗等方面将发挥日益重要的作用。(1)换热装置的分类 根据换热的目的和工艺要求不同,换热器的结构型式必然是五花八门,其分类也是多种多样。,1概述,按冷热物料接触方式可分为:直接接触式、蓄热式和间壁式。按换热器的使用功能又可分为:加热器、冷却器、再沸器、冷凝器、蒸发器、空冷器、凉水塔、废热锅炉等。按换热器换热面紧凑程度又可分为:紧凑式换热器(换热面积密度700m2/m3)和非紧凑式换热器(换热面积密度700m2/m3)。按流体流动方式又可分为:单程型换热器和多程型换热器。,按冷热物料接触方式可分为:,按换热器结构型式又可分为:管式换热器(主要有管壳式、套管式、螺旋盘管式或蛇管式换热器);板式换热器(主要有板式、螺旋板式、伞板式、板壳式换热器);扩展表面式换热器(主要有板翅式和管翅式换热器);蓄热式换热器(主要有回转式和固定格室式换热器);其他(孔块式换热器、空冷器及薄膜式换热器等)。其结构分类详见表1。,按换热器结构型式又可分为:,表3-1以结构分类的常见换热器及应用场合,表3-1以结构分类的常见换热器及应用场合管式管壳式固定管板,续表3-1以结构分类的常见换热器及应用场合,续表3-1以结构分类的常见换热器及应用场合热管式吸液芯热管,续表3-1以结构分类的常见换热器及应用场合,续表3-1以结构分类的常见换热器及应用场合蓄热式回转式盘式,(2)换热装置的选型 传热设备选型时需要考虑的因素是多方面的,主要有:热负荷及流量大小;流体的性质;温度、压力及允许压降范围;对清洗、维修的要求;设备结构材料、尺寸、重量;价格、使用安全性和寿命等。,(2)换热装置的选型,流体的性质对换热器类型的选择往往会产生重大影响,如流体的物理性质(如比热容、热导率、黏度)、化学性质(如腐蚀性、热敏性)、结垢情况以及是否有磨蚀性颗粒等因素。如用于硝酸的加热器,流体的强腐蚀性决定了设备的结构材料,限制了可能采用的结构范围。又如对于热敏性大的液体,能否精确控制它在加热过程中的温度和停留时间,往往就成为选型的主要前提。流体的清净程度和易否结垢,有时在选型上也起决定性的作用,如对于需要经常清洗换热面的物料,就不能选用高效的板翅式或其他不可拆卸的结构。同样,换热介质的流量、工作温度、压力等参数在选型时也很重要,例如板式换热器虽然高效紧凑、性能很好,但是由于受结构和垫片性能的限制,当压力或温度稍高,或者流量很大时就不适用了。,流体的性质对换热器类型的选择往往会产生重大影响,2管壳式换热器的工艺设计 管壳式换热器(也称列管式换热器)是一种广泛使用的换热设备。管壳式换热器是把换热管束与管板连接后,再用筒体与管箱包起来,形成两个独立的空间:管内的通道及相连通的管箱,称为管程空间(简称管程);换热管束外的通道及其相贯通的部分,称为壳程空间(简称壳程)。管壳式换热器的设计资料较完善,已有系列化标准。目前我国管壳式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式换热器”标准(GB 1512019)执行。,2管壳式换热器的工艺设计,(1)管壳式换热器型号的表示方法 按GB 1512019标准,将管壳式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构(包括管束)三部分(参见表3-8)。该标准将换热器分为、两级,级换热器采用较高级冷拔换热管,适用于无相变传热和易产生振动的场合。级换热器采用普通级冷拔换热管,适用于再沸、冷凝和无振动的一般场合。管壳式换热器型号的表示方法如下:,(1)管壳式换热器型号的表示方法,换热装置的工艺设计课件,换热器的公称直径DN:按该标准,对DN做如下规定：卷制圆筒：以圆筒内径作为换热器公称直径,mm;钢管制圆筒：以钢管外径作为换热器的公称直径,mm。换热器的传热面积A：计算传热面积,是以传热管外径为基准,扣除伸入管板内的换热管长度后,计算所得到的管束外表面积的总和(m2)。公称传热面积,指经圆整后的计算传热面积。,换热器的公称直径DN:按该标准,对DN做如下规定：,换热器的公称长度LN:以传热管长度(m)作为换热器的公称长度。传热管为直管时,取直管长度;传热管为U形管时,取U形管的直管段长度。如AES500-1.6-54-4表示:平盖管箱,公称直径500mm,管程和壳程设计压力均为1.6MPa,公称换热面积54m2,碳素钢较高级冷拔换热管外径25mm,管长6m,4管程,单壳程的浮头式换热器(参见表3-8)。,换热器的公称长度LN:以传热管长度(m)作为换热器的公称,又如AKT-90-2表示:平盖管箱,管箱内直径600mm,圆筒内直径1200mm,管程设计压力2.5MPa,壳程设计压力1.0MPa,公称换热面积90m2,碳素钢普通级冷拔换热管,管外径25mm,管长6m,2管程的釜式再沸器(参见表3-8)。(2)管壳式换热器的分类 管壳式换热器种类很多,若以热量传递为主要目的且按其温差补偿的结构来划分,主要有以下5种类型:固定管板式换热器;浮头式换热器;U形管式换热器;填料函式换热器;釜式换热器。,又如AKT-90-2表示:平盖管箱,管,(3)管壳式换热器工艺设计的主要内容 管壳式换热器的工艺设计主要包括以下内容:根据换热任务和有关要求确定设计方案;初步确定换热器的结构和尺寸;核算换热器的传热面积和流体阻力;确定换热器的工艺结构。,(3)管壳式换热器工艺设计的主要内容,1确定设计方案 对于管壳式换热器,确定其设计方案应从7个方面着手:选择换热器类型;选择流体流动空间;选择流体流速;选择加热剂和冷却剂;确定流体进出口温度;选择材质;确定管程数和壳程数。,1确定设计方案,选择换热器类型 要正确合理地选择换热器类型,必须了解各类换热器的结构和特点。(1)固定管板式换热器 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜,但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两端,并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体设有流体进出口接管。通常在管外设置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体。因此,当管壁与壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生了很大的温差应力,以致管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏换热器。,选择换热器类型,为了克服温差应力必须设有温差补偿的装置(见图3-1),一般在管壁与壳壁温度相差50以上时,为安全起见,换热器应有温差补偿装置。但补偿装置(波形膨胀节)只能用于壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压力不高的情况。一般壳程压力超过0.6MPa时,由于补偿圈过厚难以伸缩,会失去温差补偿作用,此时就应考虑其他结构。,图3-1带膨胀节温差补偿型固定管板式换热器(零部件名称见表3-2,下同),为了克服温差应力必须设有温差补偿的装置(见图,(2)浮头式换热器 如图3-2所示,换热器的一块管板用法兰与外壳相连接,另一块管板不与外壳连接,以使管子受热或冷却时可以自由伸缩,但在这块管板上连接一个顶盖,称为“浮头”,所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是:管束可以拉出,以便清洗;管束的膨胀不受壳体约束,因而当两种换热介质的温差大时,不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂,造价高,且浮头管板和浮头盖连接处发生泄漏时不易检查。,(2)浮头式换热器,图3-2浮头式换热器,需要说明的是为克服装配与检修时抽装管束的困难,避免损坏折流板和支撑板,当换热器直径较大或管束较长时,需在管束下方安装滑道。,图3-2浮头式换热器 需要说明的是为克服装配与检,(3)U形管式换热器 U形管式换热器结构如图3-3所示,每根管子都弯成U形,两端固定在同一块管板上,每根管子皆可自由伸缩,从而解决热补偿问题。管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难,管子更换困难,管板上排列的管子少。优点是结构简单,质量轻,适用于高温高压条件。,图3-3U形管式换热器,(3)U形管式换热器图3-3U形管式换热器,(4)填料函式换热器 这类换热器管束一端可以自由膨胀,结构比浮头式简单,造价也比浮头式低。但壳程内介质有外泄的可能,壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。,图3-4填料函式换热器,(4)填料函式换热器图3-4填料函式换热器,(5)釜式再沸器 釜式再沸器是管壳式换热器中的一种特殊形式,其结构如图3-5所示,相关特性将在后面介绍。,图3-5釜式再沸器,(5)釜式再沸器图3-5釜式再沸器,除此之外,工业上广泛使用的废热锅炉和蒸发器等也多以管壳式结构为主。管壳式换热器零部件名称汇总见表3-2所示。,除此之外,工业上广泛使用的废热锅炉和蒸发器等也,表3-2管壳式换热器部分零部件名称汇总表(参见图3-1图3-5),表3-2管壳式换热器部分零部件名称汇总表(参见图3-1图,选择流体流动空间 在管壳式换热器的计算中,何种流体走管程,何种流体走壳程,这需遵循一些一般性原则。应尽量提高两侧传热系数中较小的一个,使传热面两侧的传热系数接近。在运行温度较高的换热器中,应尽量减少热损;而对于一些制冷装置,应尽量减少其冷损。管程和壳程的确定应做到便于清洗除垢和维修,以保证运行的可靠性。,选择流体流动空间,应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说,顺流式就优于逆流式,因为顺流式进出口端的温度比较平均,不像逆流式那样,冷、热流体的高温部分均集中于一端,低温部分集中于另一端,易因两端胀缩不同而产生热应力。对于有毒介质或气相介质,应特别注意其密封性能,密封不仅要可靠,而且应尽可能简便。应尽量避免采用贵重金属,以降低成本。以上这些原则有些是相互矛盾的,所以在具体设计时应综合考虑。究竟哪一种流体走管程,哪一种流体走壳程,下面给出一些参考。,应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说,(1)宜于走管程的流体 不清洁的流体因为在管内易实现较高流速,流速高时悬浮物不易沉积,且管内空间也便于清洗。体积流量小的流体因为管内空间的流通截面往往比管外空间的截面小,流体易获得必要的理想流速,而且也便于做成多程流动。有压力的流体因为管子承压能力强,而且还简化了壳体密封的要求。腐蚀性强的流体因为只有管子及管箱才需用耐腐蚀材料,而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造,所以造价可以降低。此外,在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便,并容易检查。与外界温差大的流体因为可以减少热量的逸散。,(1)宜于走管程的流体,(2)宜于走壳程的流体 当两流体温度相差较大时,值大的流体走管间这样可以减少管壁与壳壁间的温度差,因而也减少了管束与壳体间的相对伸长,故温差应力可以降低。若两流体给热性能相差较大时,值小的流体走管间此时可以用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件,使之相互接近。饱和蒸汽对流速和清理无甚要求,并易于排除冷凝液。黏度大的流体管间的流通截面和方向都在不断变化,在低雷诺数下,管外给热系数比管内的大。泄漏后危险性大的流体可以减少泄漏机会,以保安全。,(2)宜于走壳程的流体,此外,易析出结晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流体,最好通入更容易进行机械清洗的空间。在管壳式换热器中,一般易清洗的是管内空间。但在U形管、浮头式换热器中易清洗的都是管外空间。确定流体流速 当流体不发生相变时,介质的流速高,换热强度大,从而可使换热面积减少、结构紧凑、成本降低,一般也可抑止污垢的产生。但流速大也会带来一些不利的影响,诸如压降p增加,泵功率增大,且加剧了对传热面的冲刷。换热器常用流速的范围见表3-3和表3-4。,此外,易析出结晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流,表3-3换热器常用流速的范围,表3-4列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速,表3-3换热器常用流速的范围介质流速循环水新鲜水一般液体易,选择加热剂和冷却剂 在换热过程中,加热剂和冷却剂的选用根据实际情况而定。除应满足加热和冷却温度外,还应考虑来源方便,价格低廉,使用安全。在化工生产中常用的加热剂是饱和水蒸气与导热油,冷却剂是水与冷冻盐水。确定流体出口温度 工艺流体的进出口温度由工艺条件决定,加热剂或冷却剂的进口温度也是确定的,但其出口的温度是由设计者选定的。该温度直接影响加热剂或冷却剂的耗量和换热器的大小,所以此温度的确定有一个优化问题。加热温度一般由热源温度确定,对于采用冷却水换热,其两端温差不应低于5,对严重缺水地区,尤其是采用河水时,为避免产生严重结垢,其出口温度不应超过50。,选择加热剂和冷却剂,选择材质 在进行换热器设计时,换热器各种零部件的材料,应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等要求来选取。当然,最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度,即从设备的强度或刚度角度来考虑,是比较容易达到的,但材料的耐腐蚀性能,有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周,选材不妥,不仅会影响换热器的使用寿命,而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能,则与换热器的具体结构有着密切关系。一般换热器常用的材料有碳钢和不锈钢。碳钢价格低,强度较高,对碱性介质的化学腐蚀比较稳定,很容,选择材质,易被酸腐蚀,在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管,其常用的材料为10号和20号碳钢。不锈钢奥氏体系不锈钢以1Cr18Ni9为代表,它是标准的18-8奥氏体不锈钢,有稳定的奥氏体组织,具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。确定管程数和壳程数管程数和壳程数的确定与换热器的结构有关,将在下节中介绍。,易被酸腐蚀,在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热,2管壳式换热器的结构 管壳式换热器的结构可分成管程结构和壳程结构两大部分,主要由壳体、换热管束、管板、管箱、隔板、折流板、定距管(杆)、导流筒、防冲板、滑道等部件组成(详见表3-2)。管程结构 管程主要由换热管束、管板、封头、盖板、分程隔板与管箱等部分组成。(1)换热管束的布置和排列常用换热管规格有19mm2mm、25mm2mm(1Cr18Ni9Ti)、25mm2.5mm(10号碳钢),另一些换热管的规格见表3-5。,2管壳式换热器的结构,表3-5常用换热管的规格和尺寸偏差,表3-5常用换热管的规格和尺寸偏差材料钢管标准外径厚度/,不锈钢GB2270101.50.15+12%0.20,换热管在管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列,如图3-6所示。,图3-6换热管的排列方式,正三角形排列结构紧凑;正方形排列便于机械清洗;同心圆排列用于小壳径换热器,外圆管布管均匀,结构更为紧凑。我国换热器系列中,固定管板式多采用正三角形排列;浮头式则以正方形错列排列居多,也有正三角形排列。,换热管在管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角,对于多管程换热器,常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列,而在各程之间为了便于安装隔板,采用正方形排列方式。管间距(管中心的间距)t与管外径do的比值,焊接时为1.25,胀接时为1.31.5。常用的换热管中心距见表3-6。,表3-6常用的换热管的管中心距单位:mm,对于多管程换热器,常采用组合排列方式。每程内都,值得注意的是:换热器管间需要机械清洗时,应采用正方形排列,相邻两管间的净空距离不宜小于6mm,对于外径为10mm、12mm和14mm的换热管的中心距分别不得小于17mm、19mm和21mm;外径为25mm的换热管,当用转角正方形排列(即正方形错列)时,其分程隔板槽两侧相邻的管中心距应为32mm32mm正方形的对角线长,即32 mm。管子材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。应根据工作压力、温度和介质腐蚀性等条件决定。,值得注意的是:,此外，还有一些非金属材料,如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。在设计和制造换热器时,正确选用材料很重要。既要满足工艺条件的要求,又要经济。对化工设备而言,由于各部分可采用不同材料,应注意由于不同种类的金属接触而产生的电化学腐蚀作用。如果换热设备中的一侧流体有相变,另一侧流体为气相,可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积,以利于热量的传递。翅片可在管外,也可在管内。翅片与管子的连接可用紧配合、缠绕、粘接、焊接、电焊、热压等方法来实现。,此外，还有一些非金属材料,如石墨、陶瓷、聚四,装于管外的翅片有轴向的、螺旋形的与径向的见图3-7(a)、(b)、(c)。除连续的翅片外,为了增强流体的湍动,也可在翅片上开孔或每隔一段距离令翅片断开或扭曲图3-7(d)、(e)。必要时还可采用内、外都有翅片的管子。,图3-7各类翅片,装于管外的翅片有轴向的、螺旋形的与径向的见,(2)换热管与管板的连接 换热管与管板的连接有胀接、焊接和胀焊并用三种形式。无论采取何种形式,要求满足的基本条件有两个:一是良好的气密性;二是足够的结合力。胀接胀接是用胀管器将管板孔中的管子强行胀大,使之发生塑性变形,并与仅发生弹性变形的管板孔紧密贴合,借助于胀接后管板孔的收缩所产生的残余应力箍紧管子四周,从而实现管子与管板的连接。由于胀接靠的是残余应力,而残余应力会随着温度的升高而降低,所以胀接的使用温度不能大于300,设计压力不超过4MPa,而且操作中应无剧烈的振动,无过大的温度变化及无严重的应力腐蚀。外径小于14mm的换热管与管板的连接也不宜采用胀接。,(2)换热管与管板的连接,当管板与换热管采用胀接时,管板的硬度应大于换热管的硬度,以保证管子发生塑性变形时管板仅发生弹性变形。同时还需要考虑管板与换热管两种材料的线膨胀系数的差异大小。由于胀接时的室温与换热器的操作温度往往相差很大,如果管板与换热管材料的线膨胀系数值相差较大,那么在二者之间产生过大的热应力,从而影响胀接的强度与气密性。采用胀接连接的换热管材料一般选用10、20优质碳钢,管板则用25、35、Q255或低合金钢16Mn、Cr5Mo等。,当管板与换热管采用胀接时,管板的硬度应大于换热,焊接焊接与胀接相比,管孔不需开槽且其表面粗糙度要求不高,管子端部不需退火和磨光,因此制造加工较简便,强度高、抗拉脱力强,而且气密性也好。缺点是管子破漏需拆卸更换时,若无专用刀具,则比拆卸胀接管子要困难,故一般采用堵死的方法。另外,焊接残余应力和应力集中有可能带来应力腐蚀与疲劳破坏。只要材料的可焊性允许,多数情况下均采用焊接方式。但是,由于单纯的焊接连接在管子与管板孔之间形成环隙,为了减少间隙腐蚀,提高连接的强度,改善连接的气密性,可以采用胀、焊并用的结构。胀焊并用根据对胀、焊所起作用的要求不同,胀焊并用结构又可分成两种:强度胀加密封焊,对胀接的要求是承受管子载荷,保证连接处的密封,而焊接起的作用仅仅是辅助性的防漏,这种连接的结构形式见图3-8(a);,焊接焊接与胀接相比,管孔不需开槽且其表面粗糙度要求不高,强度焊加贴胀,用焊接保证强度和密封,贴胀是为了消除换热管与管板孔间的环隙,以防止产生间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏能力,这种连接的结构形式见图3-8(b)。,图3-8换热管与管板之间的强度胀加密封焊(a)和强度焊加胀接(b),强度焊加贴胀,用焊接保证强度和密封,贴胀是为了消除换热管与管,(3)封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端,其作用是控制及分配管程流体。封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接,封头与壳体之间用螺纹连接,以便卸下封头,检查和清洗管子。管箱壳径较大的换热器大多采用管箱结构。管箱具有一个可拆盖板,因此在检修或清洗管子时无须卸下管箱。管程分程隔板当需要的换热面很大时,可采用多管程换热器。对于多管程换热器,在管箱内应设分程隔板,将管束分为顺次串接的若干组,各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速,增强传热。管程多者可达16程,常用的有2、4、6程,其布置方案见表3-7。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置,以增强传热,同时应严防分程隔板的泄漏,以防止流体的短路。,(3)封头和管箱,表3-7管束分程布置,从制造、安装、操作的角度考虑,偶数管程有更多的方便之处,因此用得最多。但程数不宜太多,否则隔板本身占去相当大的布管用空间,且在壳程中形成旁路,影响传热。,表3-7管束分程布置程数1246流动顺序,壳程结构 壳程主要由壳体、折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板、缓冲板及导流筒等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用场合不同,壳程内对各种元件的设置形式亦不同,以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置,按其不同的作用可分为两类:一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动,来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板,如折流板、纵向挡板、旁路挡板等;另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨(滑道)以及缓冲板等。,壳程结构,(1)壳体与壳径 壳体是一个圆筒形容器,壳壁上焊有接管,供壳程流体进入和排出之用。当壳体公称直径DN400mm时,常以100mm为进级挡,必要时也可采用50mm为进级挡,用钢板卷焊制成。DN400mm的壳体通常用无缝钢管制成,换热器壳体的最小壁厚远大于一般容器。,(1)壳体与壳径,表3-8管壳式换热器前端、壳体和后端结构型式及分类代号,表3-8管壳式换热器前端、壳体和后端结构型式及分类代号前,续表3-8管壳式换热器前端、壳体和后端结构型式及分类代号,续表3-8管壳式换热器前端、壳体和后端结构型式及分类代号B,续表3-8管壳式换热器前端、壳体和后端结构型式及分类代号,续表3-8管壳式换热器前端、壳体和后端结构型式及分类代号D,壳体材料应根据工作温度选择,有防腐要求时,大多考虑使用复合金属板。一般容器壳体壁厚主要是由环向薄膜应力决定的。对于固定管板式换热器,由于壳体与管束通过管板刚性连接在一起有热应力存在,除了需依据壳体环向应力给出的厚度计算公式确定壁厚外,还应视情况校核其轴向应力。由于管程和壳程所承受压力大小的不同及流经介质温度的不同,壳体的轴向应力可能是拉伸应力(多数情况),也可能是压缩应力(少数情况)。当壳体受轴向拉伸时,要进行强度校核;当壳体受轴向压缩时,要进行稳定校核。,壳体材料应根据工作温度选择,有防腐要求时,大多考虑使用复,为降低壳程压降,可采用分流或错流等型式。单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧,则可用纵向隔板分隔成双壳程型式,用两个换热器串联也可得到同样的效果。壳程分程及前后端管箱型式如表3-8所示,E型最为普通,为单壳程。F型与G型均为双壳程,它们的不同之处在于壳侧流体进出口位置不同。G型壳体又称为分流壳体;当它用作水平的热虹吸式再沸器时,壳程中的纵向隔板起着防止轻组分的闪蒸与增强混合的作用。H型与G型相似,只是进出口接管与纵向隔板均多一倍,故称之为双分流壳体。G型与H型均可用于以压力降作为控制因素的换热器中。考虑到制造上的困难,一般的换热器壳程数很少超过2程。壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t,计算公式如下。,为降低壳程压降,可采用分流或错流等型式。单壳,单管程 D=t(nc-1)+2b(3-1)式中,nc为横过管束中心线上的管数;t为管中心距,mm;b为管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离,可取b=(11.5)do,mm;do为管外直径,mm。正三角形排列:nc=1.1(3-2)正方形排列:nc=1.19(3-3),单管程,多管程D=1.05(3-4)式中,NT为排列管子数目;为管板利用率。正三角形排列:2管程,=0.70.85;4管程,=0.60.8。正方形排列:2管程,=0.550.7;4管程,=0.450.65。壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。,多管程,(2)壳程折流挡板与分程隔板 列管式换热器的壳程流体流通面积比管程流通截面积大,当壳程流体符合对流传热条件时,为增大壳程流体的流速,加强其湍动程度,提高壳程给热系数,需设置横向折流挡板和纵向分程隔板。,(2)壳程折流挡板与分程隔板,图3-9常用折流板型式,图3-9常用折流板型式,壳程折流挡板折流挡板一般横向设置,故又称为横向折流挡板。横向折流挡板同时兼有支承传热管、抑制管束振动和管子弯曲的作用。横向折流挡板的型式有圆缺型(也称弓型)、环盘型和孔流型等多种型式(见图3-9)。a.圆缺型折流挡板又称弓型折流板,应用最多。折流板缺口位置有水平切口、垂直切口和转角切口。水平切口宜用于单相流体。在壳程进行冷凝时,采用垂直切口,有利于冷凝液的排放。对正方形排列的管束,采用与水平成45的倾斜切口折流板,可使流体流过管束成错列流动,有利于传热。,壳程折流挡板折流挡板一般横向设置,故又称为横向折流挡板,如壳程允许压降小时,可采用双缺口折流板。如要求压降特别低时,还可采用三缺口折流板和缺口不布置管子的型式。缺口的大小用切除高度与壳体内径的比值来表示,一般为20%25%。对于低压气体系统,为减少压降,缺口大小可达40%45%。折流板之间的间距比较理想的是使缺口的流通截面积和通过管束的错流流动截面积大致相等,这样可以减小压降,并有利于传热。一般,折流板间距应不小于壳体内径的1/5或50mm。由于折流板有支撑管子的作用,折流板间的最大间距,对于钢管为171d0.74(d为管子外径,单位为mm);对于铜、铝及其合金管子为150d0.74。折流板上管孔与管子之间的间隙及折流板与壳体内壁之间的间隙应合乎要求。间隙过大,泄漏严重,对传热不利,还易引起振动。间隙过小,安装困难。,如壳程允许压降小时,可采用双缺口折流板。如要求压降特别低时,b.环盘型折流板环盘型折流板压降较小,但传热效果也差些,应用较少。c.孔流型折流板流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动,压降大,仅适用于清洁流体,其应用更少。,b.环盘型折流板环盘型折流板压降较小,但传热效果也差些,应,壳程分程隔板分程隔板一般纵向设置,故又称为纵向分程隔板。分程隔板主要用于管程与壳程的分程,从而实现多管程和多壳程结构。用于管程分程的隔板一般设置在换热管束的前端管箱和后端结构之中,将单管程结构变成多管程结构(见管程结构及表3-7和图3-8)。用于壳程分程的隔板尚需分隔前端管箱、换热管束和后端结构,从而将单壳程结构变成多壳程结构。单壳程的换热器仅需设置横向折流挡板,多壳程换热器不但需要设置横向折流挡板,而且还需要设置纵向折流隔板将换热器分为多壳程结构。对于多壳程换热器,设置纵向折流隔板的目的不仅在于提高壳程流体的流速,而且是为了实现多壳程结构,减小多管程结构造成的温差损失。实际生产过程中,如果没有特别的要求,出于设计、制造、安装、清洗和检修的方便,对于多壳程换热器,通常情况下不是采用单壳程换热器隔板分程的方式,而是多台单壳程换热器的组合。,壳程分程隔板分程隔板一般纵向设置,故又称为纵向分程隔板,(3)其他主要部件 缓冲板与导流筒在壳程进口接管处常装有防冲挡板,或称缓冲板。它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动,还有使流体沿管束均匀分布的作用。也有在管束两端放置导流筒,不仅起防冲板的作用,还可改善两端流体的分布,提高传热效率。图3-10所示为两种进口接管和防冲板的布置。图3-10(a)是普通接管,进口处抽出一些管子,以减少局部阻力,致使传热面积略有减少。图3-10(b)是一扩大型接管,防冲板放在扩大部分,不影响管数。,(3)其他主要部件,图3-10进口接管及防冲板布置,图3-10进口接管及防冲板布置,图3-11导流筒结构示意图,图3-11为两种不同结构的导流筒,图3-11(a)结构较简单,但要抽出一部分管子,图3-11(b)是在壳体外焊有一段环状夹套,在原壳体壁面上沿圆周开有方形或长方形孔,孔的总面积远远大于进口接管的截面积。(b)型结构可作为气体或蒸气进口的分布器。导流筒不仅用于进口,也可用于出口。大型换热器在高流速下工作时,导流筒更显示出其优越性。,图3-11导流筒结构示意图 图3-11为两种不,旁流挡板与假管当管束与壳体之间的间隙较大时,会形成旁流,影响传热,其间应设置旁流挡板,或称密封条。当管束中间由于管程分程隔板而引起较大的空隙时,可装一些假管,以减少旁流。假管是一些不穿过管板的管子,它们的一端或两端都是封闭的,没有流体通过,不起换热作用。3管壳式换热器的工艺设计计算设计步骤,拉杆和定距管折流板用拉杆和定距管连接在一起。拉杆的数量取决于壳体的直径,从4根到10根,直径1012mm。定距管直径一般与换热管相同。有时也可将折流板与拉杆焊在一起而不用定距管。,旁流挡板与假管当管束与壳体之间的间隙较大时,会形成旁流,管壳式换热器国家已有系列标准,设计中应尽可能选用系列化的标准产品,这样可简化设计和加工。但是实际生产条件千变万化,当系列化产品不能满足需要时,仍应根据生产的具体要求自行设计非标准系列的换热器。此处将扼要介绍这两者设计计算的基本步骤。(1)非标准系列换热器的一般设计步骤 了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。由热平衡计算传热量的大小,并确定第二种换热流体的用量。决定流体通入的空间。计算流体的定性温度,以确定流体的物性数据。,管壳式换热器国家已有系列标准,设计中应尽可能选,初算有效平均温差。一般先按逆流计算,然后再校核。选取管径和管内流速。计算传热系数K值,包括管程对流传热系数i和壳程对流传热系数o的计算。由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关,因此一般先假定一个壳程对流传热系数,以计算K值,然后再作校核。初估传热面积。考虑安全系数和初估性质,因而常取实际传热面积是计算值的1.151.25倍。选择管长L。计算管数N。,初算有效平均温差。一般先按逆流计算,然后再校核。,校核管内流速,确定管程数。画出排管图,确定壳径D和壳程挡板形式及数量等。校核壳程对流传热系数。校核有效平均温差。校核传热面积,应有一定安全系数,否则需重新设计。计算流体流动阻力,如阻力超过允许范围,需调整设计,直至满意为止。,校核管内流速,确定管程数。,(2)标准系列换热器的选型设计步骤与(1)中相同;选取经验的传热系数K值。计算传热面积。由标准系列选取换热器的基本参数。校核传热系数,包括管程、壳程对流传热系数的计算。假如核算的K值与原选的经验值相差不大,就不再进行校核;如果相差较大,则需重新假设K值并重复上述以下步骤。校核有效平均温差。,(2)标准系列换热器的选型设计步骤,校核传热面积,使其有一定安全系数,一般安全系数取1.11.25,否则需重行设计。计算流体流动阻力,如超过允许范围,需重选换热器的基本参数再行计算。从上述步骤来看,换热器的传热设计是一个反复试算的过程,有时要反复试算23次。所以,换热器设计计算实际上带有试差的性质。,校核传热面积,使其有一定安全系数,一般安全系数取1.1,传热计算主要公式传热计算是以传热速率式(3-5)为核心展开的。,传热速率式:Q=KAtm(3-5)式中,Q为传热速率,W;K为总传热系数,W/(m2);A为总传热面积,m2;tm为总平均温差,。通过冷热流体的热量衡算方程式计算换热器的传热速率(或热负荷)Q。(1)传热速率(或热负荷)Q,传热计算主要公式 传热速率式:Q=K,冷热流体均无相变化,且忽略热损失,则Q=mhCph(T1-T2)=mcCpc(t2-t1)(3-6)流体有相变化,如饱和蒸汽冷凝,且冷凝液在饱和温度下排出,则Q=mhr=mcCpc(t2-t1)(3-7)式中,m为流体的质量流量,kg/h或kg/s;Cp为流体的平均定压比热容,kJ/(kg);r为冷凝潜热或汽化潜热;T、t分别为热、冷流体的温度,;下标h和c分别表示热流体和冷流体;下标1和2分别表示换热器的进口和出口。,冷热流体均无相变化,且忽略热损失,则,(2)传热平均温度差tm 恒温传热时的平均温度差 tm=T-t(3-8)变温传热时的平均温度差,简单流(逆流和并流):tm=tm=(3-9)式中,tm为传热平均温度差,;tm为逆流或并流传热时的对数平均温度差,;t1,t2分别为换热器两端热、冷流体的温差,。,(2)传热平均温度差tm简单流(逆流和并流):tm=,图3-12各种换热器的平均温度差校正系数,图3-12各种换热器的平均温度差校正系数,复杂流(错流和折流):tm=tm(3-10)式中,tm为按逆流计算的对数平均温差,;为温差校正系数,量纲为1,=f(P,R),P=R=(3-11)(3)温差校正系数常根据P和R参数,通过温差校正系数图查出(参考图3-12),亦可按复杂流公式计算。该值实际上表示特定流动形式在给定工况下接近逆流的程度。在设计中,除非出于必须降低壁温的目的,否则总要求0.8,如果达不到上述要求,则应改用其他流动形式。,复杂流(错流和折流):tm=tm,(4)总传热系数K(以外表面积为基准)=+Rso+Rsi+(3-12)式中,K为总传热系数,W/(m2);i、o分别为传热管内、外侧流体的对流传热系数,W/(m2);Rsi、Rso分别为传热管内、外侧表面上的污垢热阻,m2/W;di、do、dm分别为传热管内径、外径及对数平均直径,m;为传热管壁热导率,W/(m);b为传热管壁厚,m。,(4)总传热系数K(以外表面积为基准),(5)传热膜系数(或给热系数)不同流动状态下,传热膜系数的关联式不同,具体型式见表3-9。,图3-13壳程给热系数与折流板圆缺的关系,(5)传热膜系数(或给热系数)图3-13壳程给热系数与折,值得说明的是:壳程当量直径壳程当量直径与换热管的排列方式有关:正方形排列de=(3-13)正三角形排列de=(3-14)符号意义同前。,值得说明的是:,a.壳程流体无相变传热对于装有弓形折流板的管壳式换热器,壳程给热系数的计算有贝尔(Bell)法、克恩(Ken)法、多诺霍(Donohue)法。其中贝尔法精度较高,但计算过程很麻烦。目前设计人员较为常用的是克恩法和多诺霍法。其中克恩法最为简单便利,即表3-8中的式。但该式只适用于Reo=2(103106),弓形折流板圆缺高度为直径的25%的情况。若折流板割去的圆缺高度不是25%,而为其他值时,则可用图3-13先求出传热jH因子,再用式(3-15)求给热系数:,壳程给热系数,a.壳程流体无相变传热对于装有弓形折流板的管壳式,o=jHPr1/3(3-15)b.壳程为饱和蒸汽冷凝工业上冷凝器以采用水平管束和竖直管束居多,且管表面液膜多为层流。在这种情况下一般实测的传热膜系数多大于努塞尔特理论公式的计算值。德沃尔(Devore)基于努塞尔的理论公式和实测值,提出层流时的冷凝传热膜系数计算式如下:(a)水平管束外冷凝蒸汽在水平管外冷凝,其冷凝液膜的流动一,o=jHPr1/3(3-15),般为层流(Re2100)或(3-16)式中,*为量纲为1的冷凝传热膜系数;o为管外冷凝传热膜系数,W/(m2)。Re=M=(3-17),般为层流(Re2100),式中,m为冷凝液量,kg/s;L为传热管长,m;ns为当量管数,与传热管布置方式及总管数有关,可用下式求得:ns=(3-18)式中,NT为传热管的总根数。(b)竖直管束外冷凝与单根竖直管外冷凝相同。,式中,m为冷凝液量,kg/s;L为传热管长,m;ns为当量管,(3-19)Re=M=(3-20)(3-21),(3-19),对于底部已达湍流状态的竖壁冷凝换热,其沿整个壁面的平均传热膜系数可由下式求取:=+(3-22)式中,为层流段的平均传热膜系数;为湍流段的平均传热膜系数;xc为由层流转变为湍流的临界高度;L为竖壁总高度;为沿整个竖壁的平均传热膜系数。式(3-16)和式(3-19)仅适用于液膜沿管壁呈层流流动,即要求Re=4,对于底部已达湍流状态的竖壁冷凝换热,其沿整个壁面的平均传热,M/18002100的场合。(6)污垢热阻Rs在设计换热器时,必须采用正确可靠的污垢系数,否则热交换器的设计误差很大。因此污垢系数是换热器设计中非常重要的参数。污垢热阻因流体种类、操作温度和流速等不同而异,常见流体的污垢热阻可查阅有关文献。