《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计-2.1-2.3.ppt

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1、热交换器原理与设计管壳式热交换器设计-2,热交换器原理与设计管壳式热交换器设计-2,管程与管束中流体相通的空间,壳程换热管外面流体及相通空间,管程,壳程,管程,二、结构设计,2,管程与管束中流体相通的空间壳程换热管外面流体及相通空间管,1.管程结构,(1)管束分程(分程隔板):,条件:当换热器所需换热面，而管子又不能太长时，,就要,管程数: 一般有1，2，4，6，8，10，12等七种, 最简单、 最常用的是单管程。,分程的要求:,a.避免流体温差较大的两部分管束紧邻,b.程与程之间温差不宜过大, 不超过28,c.应尽可能使各管程的换热管数大致相同,d.分程隔板槽形状简单, 密封面长度较短,3,

2、1.管程结构 (1)管束分程(分程隔板):条件:当换热器所,4,6,管束分程布置图,流向,5,管束分程布置图流向7,分程隔板与管板的连接形式:,隔板密封面通常10mm;对卧式换热器:设置6mm的排液孔, 其位置按具体情况而定,6,分程隔板与管板的连接形式:隔板密封面通常10mm;8,壳体,折流板,折流杆,防短路结构,壳程分程,2.壳程结构,壳体,接管焊在壳体上，供壳程流体进、出。,防冲挡板,作用:减小流体的不均匀分布和对管束的侵蚀和震动， 在壳程进口接管处设置防冲挡板.,固定形式,7,壳体折流板折流杆防短路结构壳程分程2.壳程结构 壳体接管,8,10,设置条件:a.当壳程进口管流体的v2值为下

3、列数值时， 应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒 (i)非腐蚀, 非磨蚀性单相流体v22230kg/(m.s2) (ii)其他液体，包括沸点下液体v2740kg/(m.s2) b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物， 应设置防冲板,导流筒,作用:a.充分利用换热面积, 减小壳程进出口处死区 b.也起防冲作用 c.减少壳程进出口处压降(外导流结构),条件: 当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时， 应设置导流筒,分类：内导流筒和外导流筒两种。,9,设置条件:a.当壳程进口管流体的v2值为下列数值时，导流,10,12,11,13,作用:a.提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流 体垂直冲

4、刷管束，提高壳程传热系数；b.减少结垢。c.支承管束,折流板、支持板,折流板,结构形式,12,作用:折流板、支持板折流板结构形式弓形14,过程设备设计,弓形缺口高度h,应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h=(0.200.45)Di，最常用0.25Di。,13,过程设备设计(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b),14,16,圆盘-圆环形折流板,15,圆盘-圆环形折流板17,图2-22 单弓形折流挡板,图2-24 圆盘圆环形折流挡,16,图2-22 单弓形折流挡板图2-24 圆盘圆环形折流挡1,17,19,布置原则:

5、 a.一般应按等间距布置 b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管,折流板缺口布置原则: a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口 (卧式） 应水平上下布置。 若气体中含有少量液体, 应在缺口朝上的 折流板最低处开设通液口; 若液体中含有少量气体，应在缺口朝下 的折流板最高处开通气口; b.壳程介质为气液共存或液体中含有固体 颗粒时，折流板应垂直左右布置，并在 折流板最低处开通液口;,c.间距：Lmin不小于0.2管内径Di，且不小于50mm； Lmax不大于Di；,18,布置原则: a.一般应按等间距布置折流板缺口布置原则: a.,过程设备设计,壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置,折流

6、板缺口布置,(a),(b),19,过程设备设计壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置折流板缺,过程设备设计,卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口,折流板缺口布置,(c),20,过程设备设计卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体,折流板上管孔与换热管折流板与壳体内壁之间,过大泄露严重,不利传热; 易引起振动。过小安装困难。,间隙,折流板的排列方式：,21,折流板上管孔与换热管过大泄露严重,不利传热;间隙折流板的,缺口左右方交错排列。,卧式热交换器中的排列方式,缺口上下方交错排列,22,缺口左右方交错排列。卧式热交换

7、器中的排列方式缺口上下方交错排,折流板的安装,d14mm时,23,折流板的安装d14mm时25, 折流板的固定 折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的。,拉杆结构,24, 折流板的固定 拉杆结构 26,25,27,支持板,设置条件: 当换热器在工艺上无须设置折流板， 但管子又比较长，超过最大无支撑跨距时， 需设置一定数量的支持板，按照折流板处理.,作用: a. 减小跨距防振 b.支承管子增加管子刚度，防止管子产生过大挠度,形状尺寸: 同折流板,最大无支撑跨距:,26,支持板设置条件: 当换热器在工艺上无须设置折流板，作用:,过程设备设计,A、换热管外径14mm时点焊结构,B、换热管外径 14m

8、m时拉杆-定距管结构,折流板、支持板固定方式：,27,过程设备设计A、换热管外径14mm时点焊结构B、换热管,拉杆数量: 与拉杆直径，壳体DN有关,拉杆布置:尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的 换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处 应布置适当数量的拉杆,折流杆,针对传统折流板: 有传热死区, 流体阻力, 易产生管振动等缺点开发 新型折流杆,结构:,1支撑杆2折流杆3滑轨,28,拉杆数量: 与拉杆直径，壳体DN有关拉杆布置:尽量布置在管束,29,31,优点: a.传热量相同下，p比弓形折流板降低50%； b.没有传热死区 c.结垢速度快； d.管束不易振动(壳程流体流向由横流变为轴流),(4)

9、防短路结构,目的: 防止壳程流体，在某些区域短路使传热效率增加,结构：,30,优点: a.传热量相同下，p比弓形折流板降低50%；(4),旁路挡板,为了防止壳程边缘介质短路,31,旁路挡板折流板旁路挡板为了防止33,挡管,挡管,挡管结构,防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。挡管每隔34排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处,32,挡管挡防止管间短路；34,中间挡板,中间挡板,U形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；壳体DN500mm时设置1块

10、挡板500DN1000mm时设置2块挡板DN1000mm时设置不少于3块挡板,33,中间挡板中间挡板U形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路,(5)壳程分程(纵向隔板),目的: a.满足工艺设计要求 b.增大壳程流体传热系数,型式: E型、F型、G型、H型,保证隔板与壳体间密封防介质短路,壳程分程较管程分程困难，所以一般壳程2,注: 折流板仅改变流向而不是分程,34,(5)壳程分程(纵向隔板)目的: a.满足工艺设计要求型式:,壳程分程,对分流,双分流,35,壳程分程对分流双分流37,第二节 管壳式热交换器的结构计算,任务:确定设备的主要尺寸,内容 :,管程流通截面积,确定壳体直径,壳程流

11、通截面积,进出口连接管尺寸,一、管程流通截面积的计算,单管程热交换器的管程流通截面积为：,36,第二节 管壳式热交换器的结构计算任务:确定设备的主要尺寸内,式中：,At为管程流通截面积，m2；,Mt为管程流体的质量流量，Kg/s；,t为管程流体的密度，Kg/m3；,Wt为管程流体的流速，m/s；,需管数n,式中：,d1管子内径，m；,37,式中：At为管程流通截面积，m2；Mt为管程流体的质,每根管子的长度L为,式中：,F热计算所需要的传热面m2；,d管子的计算直径，m,计算直径的选取方法：,一般情况下，管子的计算直径取换热系数小的那一侧的，只有在两侧的换热系数相近时才取平均直径作为计算直径。

12、,38,每根管子的长度L为式中：F热计算所需要的传热面m2；d,换热管的长度与壳体直径的比值在425之间；,一般为610，对于立式热交换器而言比值为46。,若算得的管长过长，则应该做成多程的热交换器。,换热管长度取值：,管程数Zt为：,式中：,l所确定的管子的长度m,L管程总长，m；,39,换热管的长度与壳体直径的比值在425之间；一般为610，,管子的总根数,n每程管数,式中：,流程数的选取：,过多,隔板在管板上占去过多的面积，管板排管数降低,增加流体穿过隔板垫片短路的机会,增加流体的转弯次数及流动阻力,流程数适中,40,管子的总根数n每程管数式中：流程数的选取：过多隔板在管板,程数宜取偶数

13、，以使流体的进、出口连接管做在同一封头管箱上，便于制造。,二、壳体直径的确定,内径方法,作图（可靠，准确）,估算,41,程数宜取偶数，以使流体的进、出口二、壳体直径的确定内径作图（,式中：,b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离，b（11.5）d0(d0为管外径)。,b 沿六边形对角线上的管数。估算 当管子按照等边三角形排列时， ； 当管子接正方形排列时,壳体的外径,强度,钢制压力容器标准的规定加以确定,42,式中：b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离，b,公称直径小于或等于400mm的热交换器，可以采用无缝钢管制作圆筒，卷制圆筒的公称直径以400mm为基础，以100mm，为进级档，必要

14、的时候允许以50mm为进级档。,三、壳程流通截面积的计算,内容：,确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。,纵向隔板,式中：,AS为壳程流通截面积，m2；,Ms壳程流体的质量流量，Kg/s；,s壳程流体的密度，Kg/m3,ws壳程流体的流速，m/s；,43,公称直径小于或等于400mm的热交换器，可以采用无缝钢,纵向隔板长度确定的基本原则：,流体在纵向隔板转弯时的流速,各流程中顺管束流动时速度。,壳程流通截面积,流程数,44,纵向隔板长度确定的基本原则：流体在纵向隔板转弯时的流速各流程,弓形折流板,缺口高度,缺口处的流通截面积,两折流板间错流的流通截面积,缺口高度确定原则,为避免流动速度变化引起压降

15、，流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积接近。,45,弓形折流板缺口高度缺口处的流通截面积两折流板间错流的流通截面,流体在缺口处的流通截面积Ab,46,流体在缺口处的流通截面积Ab48,缺口总截面积,缺口处管子所占面积,FC为错流区内管子数占总管数的百分数,式中：,h表示折流板缺口高度，m；,Ds表示热交换器壳体内径，m；,式中：,DL表示最大布管圆直径，m,47,缺口总截面积缺口处管子所占面积FC为错流区内管子数占总管,折流板切口中心角，弧度；,两折流板间错流的流通截面积AC,正方形斜转或直列排列时,三角形排列时,48,折流板切口中心角，弧度；两折流板间错流的流通截面积A

16、C,式中：,ls折流板间距；,d0管子外径；,s管间距；,sn与流向垂直的管间距。,As，Ab，Ac之间的关系,As为保证流速所需要的流通截面积,Ab流体在缺口处的流通截面积,AC两折流板间错流的流通截面积,49,式中：ls折流板间距；d0管子外径；s管间距；s,（3）盘环形折流板,环板圆孔处的流通面积a1,盘板的流通面积a2,环板的流通面积a3,a3盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积,Dm环内径D1和盘径D2的算术平均值,sn 与流向垂直的管间距,50,（3）盘环形折流板环板圆孔处的流通面积a1盘板的流通面积a2,第三节 管壳式热交换器的传热计算,一、传热系数的确定,1、确定传热系数的主

17、要方法：,经验选用数据,实验测定,通过计算,热阻,间壁材料,51,第三节 管壳式热交换器的传热计算一、传热系数的确定1、确定传,圆管,流体与洁净壁面,流体与结垢壁面,定义: 热交换器运行一段时间后，壁表面会形成一层污垢，引起附加热阻。,52,圆管流体与洁净壁面流体与结垢壁面定义: 热交换器运行一段时间,决定因素：污垢的导热系数d及污垢的厚度,污垢系数：rd=d/d,污垢热阻,传热量,传热公式,2、圆管的传热系数确定,53,决定因素：污垢的导热系数d及污垢的厚度污垢系数：rd=d,以外表面积为基准时：,式中：,0表示管外；,i表示管内；,以内表面为基准时,54,以外表面积为基准时：式中：0表示管

18、外；i表示管内；以,近似计算,外表面,内表面,（管壁比较薄）,式中,rs,i管内壁的污垢热阻，m2/W；,rs,o管外壁的污垢热阻，m2/W；,w管壁厚度，m；,w管材的导热系数，W/m；,dm管子的平均直径,55,近似计算外表面内表面（管壁比较薄）式中rs,i管内壁的污,或者,金属壁面的导热热阻流体的对流换热热阻,对于新的热交换器,污垢热阻可以忽略不计,条件,d0di,非金属材料不适用,56,或者金属壁面的导热热阻流体的对流换热热阻对于新的热交换器,二、换热系数的计算,管内外换热系数,在试验基础上，把它的变化规律用努谢尔准则数（Nu），或传热因子（jh）与雷诺数(Re)之间的关系用公式或线图

19、形式表示出来。,努谢尔准则数,对流换热强度,57,二、换热系数的计算管内外换热系数 在试验基础上，把它的变,雷诺准则数,流体的流动状态,传热因子,科恩传热因子,柯尔本传热因子,58,雷诺准则数流体的流动 传热因子科恩传热因子柯尔本传热因子60,关系,壳侧换热计算,无折流板,有折流板,纵向流过管束,当量直径,管内湍流,求出,按照,孔式折流板,盘环折流板,弓形折流板,59,关系壳侧换热计算无折流板 有折流板纵向流过管束当量直径管内湍,孔式折流板,Re=32104,Gav平均质量流量，Kg/(m2s),式中：,G0管孔间隙中的质量流速，Kg/(m2s),Ga壳程流体顺流管束的质量流量，Kg/(m2s

20、),60,孔式折流板Re=32104Gav平均质量流量，Kg/,Ms壳程流体的质量流量,dH折流板上管孔直径，m,ls折流板间距，m；,盘环折流板,Re=32104,式中,Gm为平均质量流速，Kg/(m2s),61,Ms壳程流体的质量流量dH折流板上管孔直径，mls,计算Gm所用的基准面As,弓形折流板,廷克壳侧流体流动模型,壳侧流体分为错流、漏流及旁流流路,流路A:,流路B,流路C,流路D,流路E,管子与折流板上的管孔之间存在间隙,流路A,折流板前后存在压差,泄漏,管外壁的结垢,62,计算Gm所用的基准面As弓形折流板廷克壳侧流体流动模型壳侧流,流路在环形间隙内有较高的换热系数，主流速度低，

21、对传热不利。,特点,流路B,横向流过管束,特点,对传热和阻力影响最大,流路C,管束最外层管子与壳体之间存在间隙而产生的旁路。,通过设置旁路挡板，改善这个流路对传热的影响,特点,流路D,折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流。,特点,漏流,温度发生畸变,63,流路在环形间隙内有较高的换热系数，主流速度低，对传热不利。特,流路E,多管程，安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所占据的通道，若用来形成多管程的隔板设置在主横向流的方向上它将会造成一股或多股旁路,特点,设置挡管,贝尔法,内容：,理想管束的传热因子,校正,错流通过理想管束,换器结构参数,操作条件,64,流路E多管程，安置分程隔板而使壳程形

22、成了不为管子所特点设置挡,65,67,结构参数计算,1、总管数nt;,2、错流区排管总数NC,DS热交换器壳体内径,sP管间距，m,式中,图中读出,图中读出,估算,3、两折流板顶部错流面积占总面积的百分数FC,66,结构参数计算1、总管数nt;2、错流区排管总数NCDS热,4、错流区内管子数占总管数的百分数FC,式中,h表示折流板缺口高度，m；,Ds表示热交换器壳体内径，m,DL表示最大布管圆直径，m；,67,4、错流区内管子数占总管数的百分数FC式中h表示折流板缺,5、每一缺口内的有效错流管排数NCW,6、错流面积中旁流面积所占分数FbP,若有E路存在时,式中,NE管程隔板所占的通道数，（E

23、流路数）,LEE流道的宽度,68,5、每一缺口内的有效错流管排数NCW6、错流面积中旁流面积所,7、一块折流板上管子和管孔之间的泄漏面积Atb,式中,Db折流板直径，m,Ds表示热交换器壳体内径，m,式中,dH为管孔直径,nt总管数;,8、折流板外缘与壳体内壁之间的泄漏面积Asb,69,7、一块折流板上管子和管孔之间的泄漏面积Atb式中Db折,ls,i ,进口段从折流板到管板的距离。,ls,o出口段从折流板到管板的距离,式中,贝尔法计算壳程换热系数的过程：,1、由理想管束的传热因子图查出柯尔本传热因子jH,假定,壳程流体全部错流流过管束,2、查取折流板的校正因子jc,缺口处不排管的结构jc=1,70,ls,i ,进口段从折流板到管板的距离。ls,o出口,3、查取折流板泄漏影响的校正因子j1(A和E流路)，,4、查取旁通影响的校正因子jb,5、折流板间距不等时的校正因子 js,6、逆温梯度的校正因子,7、计算壳程传热因子j,j0=jHjcj1jbjsjr,8、计算处壳程换热系数0,71,3、查取折流板泄漏影响的校正因子j1(A和E流路)，4、查取,Thank you for attention!,72,Thank you for attention!74,感谢聆听,感谢聆听,