列管式换热器结构设计示例.ppt

第三章 列管换热器设计示例,一、设计计算基本步骤（续）,(8)计算管子数和管长，对管子进行排列，确定壳体直径(9)根据管长与壳体直径的比值，确定管程数：(10)计算管程和壳程压力降，若压力降不符合要求，调整流速，再确定管程数或折流板的间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压力降直至满足要求为止；,一、设计计算基本步骤（续）,(11)计算管程和壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，计算得到总传热系数K，比较 初设值K与计算值K，若KK1.151.25，则初选或初步设计的换热器合适；如果不满足上述要求，用计算值代替初设值，从步骤(6)起，重复以上计算，直到满足要求为止。上述步骤为一般原则，设计换热器时，可视具体情况灵活变动。,一、设计计算基本步骤（续）,二、操作条件的确定,1、换热器内流体通入空间的选择 在列管式换热器中，哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程，一般可从下列几方面考虑：(1)不洁净的或易结垢的流体走易于清洗的一侧；对于固定管板式换热器一般走管程；U形管换热器，一般走壳程。(2)粘性大的或流量小的流体，宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，一般在雷诺数(Rel00)以下，即可达到湍流，有利于提高传热系数。,二、操作条件的确定,1、换热器内流体通入空间的选择（续）(3)有腐蚀性的流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的材料。(4)压力高的流体走管程，因为管子直径小，承受压力的能力好，还避免了采用高压壳体和高压密封。(5)有毒的流体走管程，减少泄漏的机会。(6)饱和蒸汽一般走壳程，便于冷凝液的排出(7)被冷却的流体走壳程，便于散热。,二、操作条件的确定,1、换热器内流体通入空间的选择（续）(8)对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管程，这样可以降低管壁与壳壁的温差，减少热应力。以上原则，在实际中不可能同时兼顾，对具体情况仔细分析，抓住主要方面。例如首先从流体的压力、腐蚀性以及情况等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当的选择。,二、操作条件的确定,2、流速的选择 换热器内流速的大小必须通过经济核算进行选择。因为流速增加，传热系数增大，同时亦减少了污垢在管子表面沉积的可能性，降低了垢层阻力，从而使总传热系数提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但随着流速的增加，流动阻力也相应增加，动力消耗增大，使操作费用增加。因此，选择适宜的流速是十分重要的。表1和表2列出了一些经验数据，可供设计时参考。,二、操作条件的确定,2、流速的选择（续）对低粘度流体，一般尽可能使Rel0000；对高粘件流体常按滞流设计。,二、操作条件的确定,2、流速的选择（续）流体在换热据中合理的流速也可通过允许压力降来决定。在一般的情况下，由操作压力决定一合理的压力降，然后通过计算得到相应的流速。合理压力降的规定可参考表3,二、操作条件的确定,二、操作条件的确定,3、载热体的选择（续）在选择时应考虑以下几个原则：(1)载热体能满足工艺上的要求达到的加热(冷却)温度(2)载热体的温度易于调节；(3)载热体的饱和蒸汽压小，加热过程不会分解；(4)载热体的毒性小对设备的腐蚀性小；(5)载热体不易爆炸；(6)载热体的价格低廉，来源充分。,二、操作条件的确定,3、载热体的选择（续）工业上常用的载热体及其适用场合列于表3，供选用时参考。,二、操作条件的确定,二、操作条件的确定,二、操作条件的确定,4、换热终温的确定 另外在决定换热终温时，一般不希望冷流体的出口温度高于热流体的出口温度，否则会出现反传热现象，当遇到达种情况时，可采用几个换热器串联的方法解决。为了合理地规定换热终温，可参考下述数据。,二、操作条件的确定,4、换热终温的确定（续）(1)热端的温差20。(2)冷端的温差分三种情况考虑：两种工艺流体换热时，在一般情况下，冷端温差20；两种工艺流体换热时，若热流体尚需进一步加热，则冷端温差15；采用水或其他冷却剂冷却时，冷端温差5。,二、操作条件的确定,4、换热终温的确定（续）如果超出上述数据，应通过技术经济比较来决定换热终温。(3)冷却水的出口温度不宜太高，否则会加快水垢的生成。对于经过良好净化的新鲜水，出口温度可达到45或稍高一些；对于净化较差的冷却水，出口温度建议不要超过40。,三、传热计算基本方程,1、传热速率方程 在稳态下，当总传热系数随温度变化不大时Q=KAtm式中 Q热负荷，W；K总传热系数，W(m2K)；A与K对应的基准传热面积，m2 tm有效平均温差，K.,三、传热计算基本方程,2、热负荷 无相变时Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t1-t2)式中 Wh热流体的流量，kgs；Wc冷流体的流量，kgs；T1、T2热流体的进出口温度，K或；t1、t2冷流体的进出口温度，K或;Cph、Cpc热、冷流体的换热系数。,三、传热计算基本方程,2、热负荷（续）有相变时Q=Wr式中 W热或冷流体的流量，kg/s r冷凝或蒸发潜热，J/kg,三、传热计算基本方程,3、有效平均温差 在无相变的纯粹逆流或并流换热器中，或一侧为恒温的其他流向的换热器中，其有效平均温差采用对数平均温差,三、传热计算基本方程,3、有效平均温差（续）当 时，可采用算术平均温差,在其他流向的换热器中，当无相变时，有效平均温差为,三、传热计算基本方程,3、有效平均温差（续）各种流动情况x下的校正系数可根据R和P两个参数查图得到，也可以用数学解析法计算得到,三、传热计算基本方程,3、有效平均温差（续）对应m壳程，2mn管程(ml，2，3)换热器的温差校正系数为 当R1时,其中,三、传热计算基本方程,3、有效平均温差（续）当R=1时,其中,三、传热计算基本方程,4、总传热系数 基本条件(设备型号、雷诺数、流体物性等)相同时，总传热系数可直接采用经验数据，否则应用传热膜系数的关联式，并选择合适的热阻值计算得到总传热系数。（1）总传热系数的经验值 总传热系数的经验值见表4，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考。选择时，除要考虑流体物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。,三、传热计算基本方程,三、传热计算基本方程,2、总传热系数的计算 注意：在通常的操作过程中，传热系数是个变量，由于污垢热阻是变化的，因此设计中选择污垢热阻时，应结合清洗周期来考虑。若污垢热阻选得太小，清洗周期会很短，所需传热面积会较小；反之，所需传热面积会较大，所以应该全面衡量，作出选择。,三、传热计算基本方程,2、总传热系数的计算（续）总传热系数的计算公式为,式中 K总传热系数，W(m2K)；i、0分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W(m2K),三、传热计算基本方程,2、总传热系数的计算（续）,Ri、R0分别为管程和壳程的污垢热阻，KW；A、A0、Am分别为管程、壳程及管壳平均的传热面积，m2；A任一选定的作为计算K值的基准传热面积，m2；m管壁的导热系数，W(mK)；b管壁的厚度，m。,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算 传热膜系数的关联式与传热过程是否存在相变、换热器的结构及流动状态等因素有关；关于传热膜系数的关联式很多，在选用时应注意其适用的范围，对传热膜系数的关联式在此不作详细的介绍，只列出常用的无相变的传热膜系数关联 其他形式的传热膜系数关联式可参考相关文献。,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）（1）管程传热膜系数 1)层流流动区域 当雷诺数Re2300，普朗特数Pr0.66700，Re/Pr d/L100时，传热膜系数为,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）式中 传热膜系数，W(m2K)；流体的导热系数，W(mK)d管内径，m；u管内流速，ms；流体的密度，kgm3；流体的粘度，Pas；L管子的长度，m；w壁温下流体的粘度，Pas,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）定性温度：除 w取壁温外，其余均取流体进出口的算术平均温度。2)湍流流动区域 对于低粘度流体(小于水的粘度的两倍)，当Re10000，Pr=0.7120，d/L60时,式中流体被加热时，n0.4；流体被冷却时n0.3。,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）当d/L60时，必须考虑进口效应，可用下式进行校正,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）3)高粘度液体 当Re10000，Pr=0.716700，d/L60时,式中(/w)0.14考虑热流方向的校正项 液体被加热时，(/w)0.14 1.05；液体被冷却时，(/w)0.14 0.95；对于气体，不论是加热还是冷却，(/w)0.14 1,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）4)过渡流区域 当Re 230010000,式中 过渡流区域管程传热膜系数；由前面式求得,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数 当换热器内无挡板时，壳程流体可按平行管束流动考虑，仍可用上述管程传热膜系数关联式进行计算，需将式中管内径用壳程管子当量直径de代替即可,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)当换热器内有挡板时，对于弓形挡板，当Re=320000时,当Re=10060000时,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)式中 u0基准流道截面Sm计算的流速 Sm的计算式为,三、传热计算基本方程,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)R壳体半径，m；b弦长，b2Rsin(/2)，m；hd弓高，hd 2Rsin2(/2),m；圆心角，rad。设计时应尽可能使sls2，以减少阻力损失。,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)对于圆盘圆环形挡板，当Re320000时,此时,三、传热计算基本方程,5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续),三、传热计算基本方程,6、传热污垢热阻的确定 积存在传热表面的污垢，对传热会产生附加的热阻，在估算总传热系数时，一般不能忽略。通常选用经验值(见表5)作为计算依据。,四、流体流动阻力(压力降)的计算,1、管程流体阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其总阻力pi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故有,四、流体流动阻力(压力降)的计算,1、管程流体阻力（续）式中 p1、p2分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Ft结垢校正系数，无因次，对于25mm25mm管子取为14；对于 19mm2mm管子，取为15 Np管程数；Ns壳程数；摩擦阻力系数，无因次 流体的密度，kgm3。,四、流体流动阻力(压力降)的计算,2、壳程流体阻力 当壳程无挡板时，流体顺着管束流动，此时壳程流体阻力可按直管阻力的方法计算，但应以当量直径代替圆管内径。当壳程有挡板时，总的壳程流体阻力由流体垂直流经管束的阻力、经过挡板缺口转向阻力和壳程出入口的阻力加和而得,四、流体流动阻力(压力降)的计算,2、壳程流体阻力（续）,四、流体流动阻力(压力降)的计算,2、壳程流体阻力（续）流体垂直流过管束一次的压力降p1为,四、流体流动阻力(压力降)的计算,2、壳程流体阻力（续）式中 M流体垂直于管束流动时，沿流动方向上管子的排数；对于弓形挡板，M等于对角线上的管于数；对于圆盘-圆环形挡板，M等于六角形的圈数；u0流体横过管束流道截面积Sl处的流速；对于弓形挡板，Sl按式 计算；对于圆盘-圆环形挡板，Sl按式 计算；C常数，与管心距a与管外径d0的比值有关，具体数值见表6。,四、流体流动阻力(压力降)的计算,2、壳程流体阻力（续）,1、2为局部阻力系数，其值可由表7得到,