管壳式热交换器设计全解.ppt

1,第二章 管壳式热交换器,2,与换热系数有关的几个问题,定性温度,取法,流体的平均温度,壁面温度,流体和壁面的平均温度,油类高粘度流体,卡路里温度,流体进出口的算数平均温度,分段计算,3,卡路里温度特点,传热系数可以被视为常量,传热系数和平均对数平均温差的乘积等于变化的传热系数和实际温差的乘积。,卡路里温度公式,热流体的平均温度,冷流体的平均温度,卡路里分数,FC,4,壳侧流体被冷却时,Fc=0.3；,壳侧流体被管程的水蒸气加热时,Fc=0.55,壳侧和管侧均为油时,Fc0.45,粘度在10-3Pas以下的低粘性液体,Fc=0.5,定型尺寸,选取原则,对流体运动或传热发生主要影响的尺寸,圆管内的换热过程,取管子内径di,圆管管外强迫流动换热,管子外径d0,5,非圆形管道,当量直径d0,当量直径,A流体的流通截面积,式中：,U湿周边或热周边长,阻力,它是全部湿润周边,传热,参与传热的周边,6,粘度修正,非定温流动,热流方向,因子修正项,Pr的不同方次,加热,冷却,壁温未知试差法,近似值,液体,冷却,气体,加热,7,液体,加热,冷却,气体,同时存在对流换热与辐射换热的处理,具有辐射能力的气体,温度较高,辐射,对流,总换热系数,8,辐射,C0黑体辐射常数，其值为5.67W/(m2k4),n换热系统的组合黑度；,角系数,T1,T2两辐射物体的绝对温度,式中：,9,三、壁温的计算,放热侧壁温,吸热侧壁温,式中：,rs,1,rs,2分别为放热侧、吸热侧污垢热阻,K，应在同一基准表面计算,注意：,10,试算法,壁温,换热系数,步骤,假定一侧壁温(如tw1),求这侧的换热系数（1）,计算另一侧壁温（tw2）,算另一侧的换热系数2,算另一侧的单位面积传热量（q2）,假定壁温正确,q1=q2,q1q2,结束,重新假定壁温(如tw1),11,注意,假设壁温时，假设值应接近值大的那种流体的温度。,如果要考虑污垢热阻时，应该加入污垢热阻的因素。,牛顿迭代法。,作图,方法,12,在某一钢制立式管壳式热交换器中用饱和温度ts=111.38的蒸汽加热某种溶液，已知其管径为322mm，管高l=1.5m，材料的导热系数=52w/(m),管内溶液的平均温度t2=68,换热系数2=3348w/(m2)求蒸汽侧的管壁温度tw1。,溶液侧单位传热面的传热量,解,凝结液膜的平均温度,13,蒸汽与壁面温差,蒸汽凝结的换热系数,蒸汽侧单位面积的传热量,比较q1与q2是否相等最终求得壁温tw1=98,q89000w/m2,14,第四节 管壳式热交换器的流动阻力计算,黏性,流动阻力产生的根源,流动阻力产生的条件,固体壁面,流动阻力大小的决定因素,物理性质,流动状况,壁面因素,热交换器流动阻力分类,摩擦阻力,局部阻力,15,管壳式热交换器的阻力,管程阻力,壳程阻力,阻力不允许超过允许范围,一、管程阻力的计算,沿程阻力Pi,回弯阻力Pr,进出口连接管阻力PN,16,沿程阻力Pi,莫迪圆管摩擦系数,wt管内流体流速,式中：,i管内流体粘度校正因子,当Re2100 i（/w）-0.14,当Re2100 i（/w）-0.25,17,回弯阻力Pr,zt管程数,进出口连接管阻力,气体非等温流动,附加阻力Pa,内阻力Ps,总阻力,PPiPlPa+Ps,18,p1流体流经直管的压力降，N/m2；p2流体流经回弯管时的压力降，N/m2；Ft结垢修正系数，252.5mm1.4，192mm1.5；Ns串联的壳程数；Np管程数。,直管压力降 p1 可按流体力学的一般公式进行计算；,回弯管中的压力降 p2 由下面的经验公式估算：,对于多管程换热器，流体总阻力应等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和（通常忽略进、出口阻力）：,19,二、壳程阻力的计算,无折流板,管程阻力公式计算壳程阻力,壳程的摩擦系数,管程摩擦系数,壳程的压降,管程的压降,壳程的压降,管程的压降,雷诺数相同,光滑管,圆管,错流,Re=1025*104,顺列管束,20,错列管束,式中：,N表示流体横掠过管排的数目,wmax最窄流通截面处的流速，m/s,弓形折流板的壳程阻力,贝尔法,理想管束的摩擦系数图查取理想管束的摩擦系数fk,计算每一理想错流段阻力Pbk,Ms壳程流体质量流量，Kg/s.,21,计算每一理想缺口阻力Pwk,当Re100时,Re100,折流板泄漏,旁路,进出口段折流板间距,校正,22,折流板泄漏,旁路,折流板泄漏对阻力的影响校正系数,图2.37,旁路对阻力的影响的校正系数,图2.38,进出口段折流板间距,当Re100时，n=1.6,当Re100时，n=1,23,壳程的总阻力,24,埃索法计算壳程压降 p0 的公式：,p1 流体横过管束的压力降，N/m2；p2 流体通过折流板圆缺时的压力降，N/m2；Fs 壳程压力降的结垢修正系数，对于液体取1.5,对于气体或可凝蒸汽取1.0。,式中：,25,F 管子排列方法对压力降的修正系数，对于正三角形排列 F=0.5，对于正方形排列 F=0.3，对于正方形斜转 45 度 F=0.4；f0 壳程流体的摩擦系数；nC 横过管束中心线的管子数；NB 折流挡板数；h 折流板间距；u0 按壳程流通截面积计算的流速，,通常，液体流经换热器的压力降为0.11atm,气体为0.010.1atm,设计时，换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。,式中：,26,第五节 管壳式热交换器的合理设计,一、流体在热交换器内流动空间的选择,原则,1、提高传热系数受到限制的那一侧的换热系数，使传热面两侧的传热条件尽量接近。,2、节省金属材料,3、清洗污垢方便,4、减少热量，冷量损失,5、减少壳体和管子因受热不同而产生的温差应力,6、在高压下工作的热交换器，使密封简单可靠,7、便于流体的流入，分配和排出,27,流体流动通道的选择,1、不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；,2、需通过增大流速提高 对流换热系数的 的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速；,3、腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；,4、压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压,5、饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其与流速无关；,6、被冷却的流体一般走壳程，便于散热,7、粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在 Re100 即可达到湍流。,28,不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择,从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，,再考虑满足其他方面的要求。,二、流体温度和终温的确定,流动方式,传热面积,已知,平均温差,传热单元数法,顺流,29,逆流,30,可以参考数据选择流体度和换热终温:,热端温差不小于20,冷端温差不小于5,冷却器,冷凝器,冷流体的初温应高于热流体的凝固点,含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求低于被冷凝气体的露点以下5,空冷式热交换器,热流体出口和空气进口之间的温差不低于20,31,多管程热交换器,尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端温差加大到20以上,三、管子直径的选择,小管径,优点：,增强传热,增大单位体积传热面积,缺点：,流动阻力增大,管子与管板连接处的泄漏的可能性增大,容易积垢,管长与管径的比例关系：,32,单管程,流速一定，流通截面积At，管子数为,传热面积F,管长L应为,略去内径与计算直径的差别,33,四、流体流动速度的选择,流体的流动速度要尽量使流体呈湍流状态,避免产生过大压降,考虑机械条件与结构要求,机械条件限制,流速的提高应当避免发生水力冲击，振动以及冲蚀等现象,提高流速时，管数少，为保证所需要的传热面积必须增大管子的长度，增加程数。但是要考虑到清洗和拆换的不便。,实际选用的流速低于最佳流速，但流速的低限应该保持在湍流范围内。,34,五、管壳式热交换器的热补偿问题,热交换器所受的应力,周向力,轴向力,温差应力,拉脱力,周向力、轴向力产生原因：,热交换器,内压,外压,壳壁,管壁,周向力,轴向力,35,内压薄壁圆筒,周向力,pD/2s0,D为平均直径,s0为计算壁厚,s0为计算壁厚,p筒体的设计压力，pa,Di筒体的内径，m,s筒体的壁厚，m,焊缝系数；,【】在设计温度下筒体材料的许用应力，Pa；,式中：,36,轴向力,压力引起的轴向力值为,ps、pt壳侧压力、管侧压力，pa,di,d0管子的内外径，m,n管子的根数,壳程流体压力作用于管板的净表面上,管程压力作用于两端封头和包括管截面在内的管板上,式中：,轴向力,壳体,管子,F 1,和,37,壳体与管子的应力分配与弹性模数成正比,壳体应力,管子应力,式中：,f-截面积，m2,E-弹性模数，Pa,38,温差应力,定义,由温差引起的力称为温差应力或热应力、温差轴向应力。,产生原因,固定管板式热交换器的温差应力,假定,管子与管板都没有发生挠曲变形，每根管子所受力相同；,管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为各个壁面的计算温度。,在安装温度下,它们的长度均为L;当进行热交换时,壳体和管子的温度都升高,若管壁温度高于壳壁温度,则管子自由伸长量t和壳体自由伸长量s分别为：,39,t，s分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/；,t0安装时的温度，,tt，ts分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，;,管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳体的实际伸长量必须相等，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩，产生压应力。此拉、压应力就是温差应力。这就是温差应力产生的原因。,40,L,s,t,管板,壳体,接管,T0的自由膨胀,T0的刚性约束,温差应力产生的原因,41,温差应力的计算,温差轴向力F,由于温差而使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有管子被压缩的总压缩力，总拉伸力（或总压缩力）就是温差轴向力。符号规定F为+，表壳体被拉，管子被压；反之则反之。,虎克定律,管子被压缩的量为,壳体被拉伸的量为,42,t,s分别为管子与壳体材料的弹性模数，Pa；,ft,fs 分别为所有管子、壳体的断面积，m2；,F2管子所受的压缩力与壳体所受到的拉伸力，N；,合并，整理,温差应力,管壁所受到的压应力为,壳壁所受到的拉应力为,43,温差产生的轴向应力,性质,44,影响温差应力的因素,T愈大.则温差应力愈大,ft/fc愈大,则温差应力愈大,工程上常采用的措施,减少壳体与管束间的温度差,装设挠性构件：膨胀节,使壳体和管束自由热膨胀,双套管温度补偿,消除温差应力的方法,目的是解决,壳体与管束膨胀的不一致性,消除壳体与管束间的刚性约束。,使壳体与管束都能自由胀、缩。,45,压力与拉力的联合作用下，管子中所产生的应力为t,拉脱力,管子每平方米胀接周边上所受到的力,破坏性,对于焊接接头，拉脱力不足以引起接头的破坏。对于胀接接头，拉脱力则可能引起接头处密封性的破坏或使管子松动。,计算,在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力qt为,46,t管子的合成应力，Pa,a 单根换热管管壁的横截面积，m2,l胀接深度或焊接高度，m,式中：,在操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力qp为：,式中：,p设计压力，取管程压力pt和壳程压力ps二者 中较大值，Mpa；,f每四根管子之间的面积,47,管子拉脱力,由温差产生的管子周边力与压力产生的管子周边力可能是作用在同一方向的，也由可能是作用在相反方向的。若两者作用于管子周边力方向相同，管子的拉脱力为qpqt；反之，管子拉脱力为|qtqp|，方向同qp和qt两者中较大者。,校核,如果所计算出的拉脱力超过允许范围，则需要采取相应措施以减少拉脱力,管子拉脱力必须小于许用拉脱力，即qq,胀接法的许用拉脱力,管端不卷边，管板孔不开槽胀接,管端卷边，管板孔开槽胀接,q=0.2MPa,q=0.4MPa,48,焊接法的许用拉脱力,q=0.5ttt,t管子材料的许用应力，Pa；,热补偿措施,考虑热补偿的条件,当管子与壳体用同种材料，在壳壁与管壁的温差大于50时，就要考虑热补偿以解决膨胀的差异。,方法,减小管子与壳体的温差,49,管壁的温度总是接近于换热系数大的流体温度，让换热系数大的流体通过壳程，如果壳体温度低于管束温度时可以对壳体进行保温以减小与壳体的温差。,采用膨胀节,设置膨胀节的作用：（1）膨胀节是挠性构件，其轴向柔度大，在不大的轴向力作用下，可产生较大的轴向变形，可以有效地减小壳体和换热管由于温差产生的热应力。,50,（2）防止管子与管板连接处不被拉脱。,膨胀节的形式,51,52,各种膨胀节的特点及用途（1）平板焊接式 特点：简单，制造方便 用途：常压、低压（2）U形节 特点：简单，用量大，可制成单波、多波.用途：广泛（3）夹套式 特点：复杂，具有加强性能 用途：高压,53,判断是否需要设置膨胀节,1、温差引起的轴向力F1,54,2、介质压力引起的轴向力F2和F3,P,s,P,t,55,3、应力评定,56,s、t壳体、管子的轴向总应力，Pa；,s、t壳体、管子材料的许用应力，Pa；,当一个波不能满足需要时，可以用多波膨胀节,膨胀节的波数nex,1一个波的最大补偿量,L管子有效长度（即两管板内侧间的距离）。,式中：,式中：,焊缝系数,q许用拉脱力，Pa,57,使管束和壳体均能自由膨胀,浮头式热交换器,U形管式热交换器,填料函式热交换器,弹性管板补偿,椭圆管板,在管板上开了若干管孔的椭圆形盖,58,过程设备设计,椭圆形管板,以椭圆形封头作为管板，与换热器壳体焊接在一起。受力情况比平管板好得多，可以做得很薄，有利于降低热应力；适用于高压、大直径的换热器。,59,挠性管板,膨胀差管板与壳体之间有一个弧形过渡连接，薄，有弹性，能够补偿壳体与管束之间的热值。,圆弧有一个最合适的曲率半径，过大增大壳体半径，过小不能有效进行热补偿，会造成局部应力集中,60,双套管温度补偿,管程流体出入口与一个环形空间相连接，使外套管内的流体与壳程流体的温差减小，具有与U形管式热交换器相类似的补偿能力，完全消除热应力。,61,六、管束的振动和防振,纵向流体诱导振动,横向流体诱导振动,流体诱发振动的原因,壳侧或管侧流体流动所引起的振动；,流体速度的波动或脉动引起的振动；,通过管道或支架传播的动力机械振动,62,振动起因,热交换器的振动主要是壳侧流体的流动所引起，管侧流体流动所引起的振动常可忽略。,在壳侧流体中，与管轴方向平行流动的纵向流所激发的振动的振幅小，由振动造成结构破坏的概率，也比横向流动要小得多。,63,64,激振机理,卡曼涡街,圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是卡门涡街,65,流体弹性激振,66,湍流颤振,湍流颤振主频率与换热管自振频率相等时会引起换热管共振,67,一、驻波的产生,驻波两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反 方向传播时形成的叠加波。,1.驻波的演示,2.驻波的形成,驻波-波形不传播，是媒质质元的一种集体振动形 态。,68,69,声振动,涡流脱落产生噪声，在一定条件下它会激起气室两壁面间有一个即垂直于管子又垂直于流动方向的某阶驻波，驻波在管束所处的壁面之间来回反射，不能向外界传播能量，而涡流脱落又不断的输入能量，当驻波频率和涡流频率耦合时会发生气振，产生很大噪声。,70,71,72,湍流抖振,节径比1.5,当流体顺流或横向绕管流管外，湍流的分量向管子传输能量，引起管子的随机振动,73,74,换热管振动破坏的形式,75,76,振动判据,其中：fv-漩涡脱落频率 ft-湍流颤振主频率 fa-声学驻波频率 f1-换热管基频 v-流体横流速度 vc-流体弹性激振临界速度,77,（1）适当降低流速（流量，管间距）。（2）改变管束系统的自振频率。减小跨距。管子间插入杆状物或板条。增大管子的强度和刚度（如增大壁厚）。增大管子支承的强度和刚度（如增大折流板的厚 度、采用折流杆等）。（3）设置消声隔板。（4）破坏卡曼涡街的形成。（5）设置防冲板或导流筒。,防振措施,78,防振措施,79,防振措施,80,防振措施,81,防振措施,82,Thank you for attention!,