《热交换器第二章》PPT课件.ppt

2.1 类 型 、 标 准 与 结 构1.基 本 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 固 定 管 板 式 换 热 器列 管 结 构双 管 程 管 壳 式 换 热 器 固 定 管 板 式 换 热 器 缺 点 ： （ 1） 壳 程 不 能 用 机 械 方 法 清 洗 ，应 走 清 洁 流 体 。 （ 2） 不 设 膨 胀 节 时 ， 管 、 壳 程 可 能 产 生 较 大 的 温 差 应 力 。 优 点 ：（ 1） 结 构 简 单 紧 凑 ， 制 造 成 本 低 。（ 2） 与 其 它 类 型 换 热 器 相 比 ， 在相 同 壳 体 直 径 下 ， 排 管 数 目 最 多 。 （ 3） 管 内 便 于 清 洗 。 带 膨 胀 节 的 固 定 管 板 换 热 器 特 点 ： 部 分 消 除 了 温 差 应 力 、 便 于 清 洗 和 检 修 ； 结 构 复 杂 、 成 本 高 ；适 用 ： 应 用 广 泛 。 b） 浮 头 式 换 热 器 一 端 可 以 沿 轴 向 自 由 浮 动 浮 头 式 换 热 器 优 点 ：（ 1） 壳 体 和 管 束 热 变 形 自 由 ， 不 产 生 热 应 力 。（ 2） 管 束 可 从 壳 体 中 抽 出 ， 便 于 壳 程 的 检 修 和 清 洗 。缺 点 ：（ 1） 结 构 复 杂 ， 造 价 高 。（ 2） 为 使 一 端 管 板 浮 动 ， 需 增 加 一 个 内 浮 头 盖 及 相 关 连 接 件以 保 证 密 封 ， 操 作 时 ， 如 果 内 浮 头 盖 连 接 处 泄 漏 将 无 法 发 现 ，所 以 应 严 格 保 证 其 密 封 性 能 。（ 3） 为 使 浮 头 管 板 和 管 束 检 修 时 能 够 一 起 抽 出 ， 在 管 束 外 缘与 壳 壁 之 间 形 成 宽 度 为 1622mm的 环 隙 ， 这 样 不 仅 减 少 了 排管 数 目 ， 而 且 增 加 了 旁 路 流 路 ， 降 低 了 换 热 器 的 热 效 率 。浮 头 式 换 热 器 U形 管 式 换 热 器 优 点 ：（ 1） 结 构 简 单 ， 省 去 一 块 管 板 和 一 个 管 箱 ， 造 价 低 。（ 2） 管 束 和 壳 体 分 离 ， 热 膨 胀 时 互 不 约 束 ， 消 除 热 应 力 。（ 3） 管 束 可 以 从 壳 体 中 抽 出 ， 管 外 清 洗 方 便 。 缺 点 ：（ 1） 弯 管 必 须 保 持 一 定 曲 率 半 径 ， 管 束 中 央 会 存 在 较 大 的空 隙 ， 流 体 易 走 短 路 ， 对 传 热 不 利 。（ 2） 管 内 不 能 用 机 械 方 法 清 洗 ， 宜 走 清 洁 流 体 。（ 3） 管 子 泄 漏 损 坏 时 ， 只 有 最 外 层 管 子 可 以 更 换 ， 其 他 管子 只 能 堵 死 ， 会 减 小 换 热 面 积 。U形 管 式 换 热 器 ：适 用 ： 可 用 于 高 温 高 压 ， 适 用 于 管 程 为 洁 净 而 不 易 结 垢 的 流 体 。 填 料 函 式 换 热 器 对 分 流 壳 体 填 料 函 优 点 ：（ 1） 结 构 比 浮 头 式 换 热 器 简 单 ， 壳 体 和 管 束 热 变 形自 由 ， 不 产 生 热 应 力 。 （ 2） 管 束 可 从 壳 体 中 抽 出 ， 壳 程 的 检 修 和 清 洗 方便 。 缺 点 ： 填 料 函 处 形 成 动 密 封 ， 壳 程 介 质 易 泄 漏 ，要 求 壳 程 介 质 温 度 和 压 力 不 能 过 高 ， 且 无 毒 、 非 易燃 和 易 爆 。填 料 函 式 换 热 器 通 常 只 适 用 于 低 压 和 小 直 径 场 合 。填 料 函 式 换 热 器 主 要 部 件 的 分 类 及 代 号 零 部 件 名 称 表 见 教 材 P42 问 题 ： AES500-1.6-54-6/25-4I 管 壳 式 换 热 器 的 设 计 、 制 造 标 准美 国 的 TEMA标 准 ， 日 本 的 JIS B8249标 准 ，英 国 的 BS5500标 准 国 标 GB 151-1999： 适 用 范 围 (1)公 称 直 径 DN 2600mm；（ 2） 公 称 压 力 PN 35MP； （ 3） 公 称 直 径 和 公 称 压 力 的 乘积 1.7 104 2.1.2 管 子 在 管 板 上 的 固 定 与 排 列 1.胀 管 法 胀 管 前 后 示 意 图（ a） 胀 管 前 （ b） 胀 管 后 1)过 程 ： 最 普 通 的 是 利 用 胀 管 器 挤 压 伸 入 管 板 孔 中 的 管 子 端 部 ， 使 管 端发 生 塑 性 变 形 ， 管 板 孔 同 时 产 生 弹 性 变 形 ， 取 去 胀 管 器 后 ， 管 板 与 管 子产 生 一 定 的 挤 压 力 ， 贴 在 一 起 达 到 密 封 紧 固 连 接 的 目 的 。2） 适 用 范 围 ： 换 热 管 为 碳 素 钢 ， 管 板 为 碳 素 钢 或 低 合 金 钢 ， 设 计 压 力 4MPa， 设 计 温 度 300 ， 且 无 特 殊 要 求 的 场 合 。 外 径 d 14mm， 不 适合 胀 接 。3） 要 求 管 板 硬 度 大 于 管 子 硬 度 ， 否 则 将 管 端 退 火 后 再 胀 接 。胀 接 时 管 板 上 的 孔 可 以 是 光 孔 ， 也 可 开 槽 。 胀 接 管 孔 结 构 强 度 胀 适 用 范 围 ：P4.0MPa t 300 oC 焊 接 法 优 点 ：（ 1） 强 度 高 ， 抗 拉 脱 力 强 。（ 2） 修 理 、 更 换 方 便 。 缺 点 ：（ 1） 焊 接 残 余 应 力 可 能 导 致 应 力 腐 蚀 和 疲 劳 破 坏 。（ 2） 间 隙 腐 蚀 问 题 。 焊 接 +胀 接 前 面 我 们 讲 了 胀 接 、 焊 接 后 ， 会 发 现 它 们 各 自 有 优 、 缺 点 ，因 而 目 前 广 泛 应 用 了 胀 焊 并 用 的 方 法 ， 这 种 方 法 能 提 高 连接 处 的 抗 疲 劳 性 能 ， 消 除 应 力 腐 蚀 和 间 隙 腐 蚀 ， 提 高 使 用寿 命 。胀 焊 并 用 连 接 形 式 主 要 有 ： 先 焊 后 胀 ： 强 度 焊 贴 胀 高 温 高 压 换 热 器 中 大 多 用 厚 壁 管 ， 胀 接 时 要 使 用 润 滑 油 ，进 入 接 头 后 缝 隙 中 会 在 焊 接 时 生 成 气 体 ， 恶 化 焊 缝 质 量 ，只 要 胀 接 过 程 控 制 得 当 ， 先 焊 后 胀 可 避 免 这 一 弊 病 。 先 胀 后 焊 ： 强 度 胀 密 封 焊 适 用 于 管 子 与 管 板 材 料 焊 接 性 能较 差 的 材 料 ， 胀 接 时 不 用 润 滑 油 ， 可防 止 产 生 焊 接 裂 纹 。 概 念 解 释 ： 密 封 焊 不 保 证 强 度 ， 只 防 漏 ； 强 度 焊 既 防 漏 ， 又 保 证 抗 拉 脱 强 度 ； 贴 胀 只 消 除 间 隙 ， 不 承 担 拉 脱 力 ； 强 度 胀 既 消 除 间 隙 ， 又 满 足 胀 接 强 度 。目 前 ， 先 焊 后 胀 与 先 胀 后 焊 两 派 学 说 仍 处 于 争议 之 中 。 流体流动方向 流体流动方向正 三 角 形 转 角 正 三 角 形 正 三 角 形 最 普 遍 ， 因 为 在 相 同 的 管 板 面 积上 排 管 最 多 ， 结 构 紧 凑 ， 但 管 外 清 洗 不 方便 ； 当 壳 程 流 体 不 是 污 染 性 介 质 时 ， 采 用 正 三角 形 排 列 法 。 正 三 角 形 排 列 法 在 一 定 的 管 板 面积 上 可 以 配 置 较 多 的 管 子 数 ， 且 由 于 管 子 间 的距 离 都 相 等 ， 在 管 板 加 工 时 便 于 画 线 与 钻 孔 。 我 国 换 热 器 系 列 中 ， 固 定 管 板 式 多 采 用 正三 角 形 排 列 正 方 边 形 流体流动方向 流体流动方向正 方 形 转 角 正 方 形正 方 形 排 管 少 ， 结 构 不 够 紧 凑 ， 但 管 外 清 洗 较 方 便 。此 排 列 法 在 浮 头 式 和 填 料 函 式 换 热 器 中 用 得 较多 。 若 将 正 方 形 排 列 的 管 束 旋 转 45安 装 ， 可 适当 提 高 壳 程 对 流 传 热 系 数 。 我 国 换 热 器 系 列 中 ， 浮 头 式 则 以 正 方 形 错 列排 列 居 多 在 制 氧 设 备 中 ， 有 采 用 同 心 圆 排 列 法 ， 这种 排 列 法 比 较 紧 凑 ， 且 靠 近 壳 体 的 地 方 布 管 均匀 ； 在 小 直 径 的 换 热 器 中 ， 按 此 法 在 管 板 上 布置 的 管 数 比 按 正 三 角 形 排 列 的 还 多 。 我 国 换 热 器 系 列 中 ， 同 心 圆 排 列 法 用 于用 于 小 壳 径 换 热 器 。 换 热 管 中 心 距 常 用 的 换 热 管 中 心 距 的 值 如 表 2.3所 示 。 管 间 距 应 考 虑 使 管 桥 具 有 一 定 的强 度 和 稳 定 性 ， 同 时 便 于 清 洗 。 要 求 ：中 心 距 P1.25d0 （ 1） 我 国 管 壳 式 换 热 器 标 准 规 定 采 用 无 缝 钢 管 作 为 换 热 管 ，主 要 规 格 有 （ 外 径 壁 厚 ） ： 19 2.0； 25 2.5； 38 2.5； 57 3.5等 ；（ 2） 换 热 管 长 度 可 根 据 工 艺 计 算 确 定 ， 但 应 考 虑 管 材 的 合理 使 用 。 我 国 轧 制 钢 管 长 度 系 列 一 般 为 ： 1.5m、 2.0m、3.0m、 4.5m、 6.0m、 9.0m等 。（ 3） 换 热 管 排 列 方 式 考 虑 原 则 ： 使 换 热 管 在 换 热 器 横 截 面上 均 匀 而 紧 凑 地 分 布 ， 同 时 应 考 虑 流 体 的 性 质 及 结 构 设 计等 方 面 的 问 题 ， 如 管 束 是 否 分 程 、 是 否 有 纵 向 隔 板 等 。（ 4） 管 子 在 管 板 上 要 保 证 一 定 的 管 间 距 要 求 换 热 管 中 心 距 P 1.25d 0 换 热 管 的 选 用 ： 布 管 限 定 圆 管 板 管 板 作 用 是 固 定 换 热 管 束 ， 并 用 来 作 为 换热 器 两 端 间 壁 将 壳 、 管 程 流 体 相 互 分 开 ，一 般 多 采 用 单 层 管 板 ， 但 对 有 危 险 或 腐 蚀性 的 物 料 或 当 管 、 壳 程 流 体 一 旦 相 互 渗 漏就 会 产 生 危 险 的 场 合 ， 可 采 用 双 层 隔 板 。 用 于 高 温 高 压 场 合 管 板 与 壳 体 的 连 接 方 式 2.1.4 分 程 隔 板 当 换 热 器 所 需 的 换 热 面 积 较 大 ， 而 管 子 又 不 能 做 得 太 长 时 ，就 得 增 大 壳 体 直 径 ， 排 列 较 多 的 管 子 。 此 时 ， 为 了 减 少 管 程 流体 截 面 积 、 增 加 管 程 流 速 ， 提 高 传 热 效 果 ， 须 将 管 束 分 程 ， 使流 体 依 次 流 过 各 程 管 子 。 （ 一 ） 分 程 原 因 （ 二 ） 分 程 隔 板 双 层 隔 板 与 管 板 的 密 封 单 层 隔 板 与 管 板 的 密 封 图 7-20 双 层 隔 板 与 管 板 的 密 封隔 板图 7-19单 层 隔 板 与 管 板 的 密 封s+2管 板s 封 头 隔 板 管 板 （ 1） 管 程 数 目 不 能 太 多 ， 否 则 会 使 管 箱 结 构 复杂 ， 给 制 造 带 来 困 难 ， 同 时 流 体 阻 力 也 会 增 大 。 （ 2） 管 程 数 目 一 般 为 偶 数 程 （ 单 程 除 外 ） ， 这样 可 以 使 管 程 的 进 出 口 设 置 在 同 一 端 管 箱 上 ， 便于 制 造 、 操 作 和 维 修 。 （ 3） 尽 可 能 使 各 程 换 热 管 数 目 大 致 相 等 ， 以 减小 流 体 阻 力 。 （ 4） 相 邻 管 程 流 体 间 温 度 差 不 宜 过 大 （ 不 超 过28 ） ， 以 避 免 产 生 过 大 热 应 力 。 管 束 分 程 的 原 则 ： 图 序 管 箱 隔 板介 质 返 回侧 隔 板 管 程 数流 动 顺 序 21 4 612 123 4 14 23 14 32 2 1 35 46 14632 5 ba c d e f g 管 程 布 置 表分 析 管 程 数 为 4的 分 程 隔 板 布 置 方 式 的 优 劣 2.1.5 纵 向 隔 板 、 折 流 板 和 支 持 板 目 的 ： 为 了 提 高 流 体 的 流 速 和 湍 流 程 度 ， 强 化 壳 程 流 体 的 传 热 ， 在 壳 程 常 设 置 纵 向 隔 板 或 折 流 板 。 纵 向 隔 板 在 U型 管 壳 式 换 热 器 内 常 有 应 用 。 其 最 小 厚 度 为 6mm， 当 壳 程 压 降 较 大 时 ， 需 适 当 加 厚 . 折 流 板 是 设 置 在 壳 体 内 与 管 束 垂 直 的 弓 形 或 圆 盘 圆 环 形 平板 。 折 流 板 常 用 形 式 有 ： 弓 形 折 流 板 、 盘 环 形 折 流 板 、 扇 形折 流 板 和 管 孔 形 折 流 板 等 几 种 。 弓 形 折 流 板 又 分 单 弓 、 双 弓 、 三 弓 型 三 种 。 在 弓 形 折 流 板 中 ，流 体 流 动 死 角 较 小 ， 结 构 简 单 ， 用 的 最 多 。 盘 环 形 结 构 复 杂 ，不 便 清 洗 ， 一 般 用 在 压 力 较 高 和 物 料 比 较 清 洁 的 场 合 ； 扇 形和 管 孔 形 应 用 较 少 。什 么 时 候 用 支 持 板 ? 缺 口 弦 高 一 般 为 壳 体 内 径 的 20%-45% 与 传 统 弓 形 折 流 板 不 同 尺 寸 厚 度 与 壳 体 直 径 和 折 流 板 间 距 有 关 ；折 流 板 最 小 厚 度 按 下 表 选 取 。 弓 形 折 流 板 间 距 ： 最 小 间 距 max0.2Di，50mm。 最 大 间 距 ： 按 下 表 规 定 选 取 ， 且 Di 间 隙 ： 折 流 板 外 径 与 壳 体 之 间 的 间 隙 要 适 当 ， 因 为 过小 给 安 装 带 来 困 难 ， 过 大 又 影 响 传 热 效 率 ， 详 见 下 表 。折 流 板 的 材 料 不 能 过 硬 也 不 能 过 软 ？ 折 流 板 的 固 定 拉 杆 定 距 管 结 构 （ 适 用 于 换 热 管 外 径 19mm的 管 束 ） 折 流 板 和 支 承 板 的 固 定 是通 过 拉 杆 和 定 距 管 来 实 现 的 。 拉 杆 点 焊 结 构 ， 适 用 于 换 热 管 外 径 14mm的 管 束 。 拉 杆 的 数 量 不 少 于 四 根 ，直 径 不 小 于 10mm。 应 尽 量 布 置 在 管 束 的外 边 缘 ， 对 于 大 直 径 换 热 器 ， 在 布 管 区或 靠 近 折 流 板 缺 口 处 也 应 布 置 适 当 数 量的 拉 杆 。 2.1.6 挡 管 和 旁 路 挡 板 挡 管 和 旁 路 挡 板 同 是 为 换 热 器 内 防 止 流 体短 路 的 结 构 件 。旁 路 挡 板 作 用 阻 止 流 体 短 路 ， 迫 使 壳 体 流 体 通 过 管束 进 行 热 交 换结 构 及 安 装 加 工 成 规 则 的 长 条 状 ， 长 度 等 于 折 流板 或 支 承 板 的 板 间 距 ， 两 端 焊 在 折 流 板或 支 承 板 上 。在 有 相 变 发 生 的 设 备 中 ， 是 否 需 要 设 旁 路 挡 板 或 挡 管 ？壳 侧 换 热 系 数 对 换 热 器 的 换 热 效 果 不 器 控 制 作 用 时 ， 是 否需 要 设 ？ 折 流 板 旁 路 挡 板旁 路 挡 板折 流 板 旁 路 挡 板 的 结 构 2.1.7 防 冲 板 与 导 流 筒 处 于 流 体 进 口 处 的 管 束 ， 经 常 受 到 高 流 速 流 体 的 冲 刷 ， 故在 进 口 处 设 一 防 冲 板 ， 以 减 少 流 体 的 不 均 匀 分 布 和 对 换 热管 的 冲 蚀 ， 起 一 个 防 护 作 用 。 防 冲 板 可 以 焊 在 定 距 管 和 拉 杆 上 ， 也 可 焊 在 壳 体 上 。 管 箱 的 作 用 ： 将 进 入 管 程 的 流 体 均 匀 分 布 到 各 换 热 管 ， 把 管内 流 体 汇 集 在 一 起 送 出 换 热 器 。 在 多 管 程 换 热 器 中 ， 管 箱还 可 通 过 设 置 隔 板 起 分 隔 作 用 。 管 箱 结 构 如 图 2.5所 示 ，一 类 适 用 较 清 洁 的 介 质 ， 因 检 查 管 子 及 清 洗 时 只 能 将 管 箱整 体 拆 下 ， 故 不 太 方 便 （ 如 A)； 第 二 类 在 管 箱 上 装 有 平 盖 ，只 要 将 平 盖 拆 下 即 可 进 行 清 洗 和 检 查 ， 所 以 工 程 应 用 较 多 ，但 材 料 消 耗 多 （ 如 b)； 第 三 类 是 将 管 箱 与 管 板 焊 成 一 体 ，这 种 结 构 密 封 性 好 ， 但 管 箱 不 能 单 独 拆 下 ， 检 修 、 清 洗 都不 方 便 ， 实 际 应 用 较 少 。2.1.8 管 箱 管 箱 2.2 管 壳 式 热 交 换 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 。 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 ： 计 算 管 程 截 面 积 （ 管 子 尺 寸 、 数 目 及 程 数 ， 管 子 排 列 方 式 ） 壳 体 直 径 壳 程 截 面 积 计 算 进 出 口 连 接 管 尺 寸 2.2.1 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 ： smw mkg skgM mA wMAtt tt tttt /, / 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 ， 2.2.2 壳 体 直 径 的 确 定 换 热 器 壳 体 内 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 ” ， 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 ： DS =(b-1)s+2b 折 流 板 旁 路 挡 板 2.2.3 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 。1） 对 于 纵 向 隔 板 ， 主 要 确 定 其 长 度 ， 计 算时 采 用 连 续 性 方 程 smw mkg skgM mA wMAssss ssss / / /;/ 32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 确 定 纵 向 隔 板 长 度 的 基 本 原 则 ：使 流 体 在 纵 向 隔 板 转 弯 时 的 流 速 与 各 流 程 中 顺 管 束 流 动 时 速 度 基 本 相 等 。 2） 弓 形 折 流 板 3） 盘 环 形 折 流 板 2.2.4 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 ： 4 2032 3001 13.142 2mm C wMwMDDwwsM 2.3 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 。2.3.1 传 热 系 数 的 确 定传 热 计 算 时 ， 总 传 热 系 数 K的 来 源 有 三 个 方 面 ：n 选 用 生 产 实 际 的 经 验 数 据n 实 验 测 定 n K值 的 计 算 2.3.2 换 热 系 数 的 计 算 1） 管 内 外 换 热 系 数 流 体 流 过 各 种 形 式 传 热 壁 面 时 的 ， 一 般 是 在 试 验 数 据的 基 础 上 ， 把 它 的 变 化 规 律 整 理 成 努 赛 尔 准 数 （ Nu） 或 传热 因 子 （ Jh） 与 雷 诺 数 （ Re)之 间 的 关 系 用 公 式 或 线 图 的 形式 表 现 出 来 。 （ P58-59） 壳 侧 换 热 系 数 主 要 用 下 列 公 式 计 算 流 路 A、 B、 C、 D、 E介 绍 贝 尔 法 介 绍在 介 绍 贝 尔 法 以 前 ， 须 解 决 一 些 结 构 参 数 ： 分 别 介 绍 以 上 六 个 因 子 的 确 定管 内 对 流 换 热 准 则 方 程 式 见 表 2.8 几 个 注 意 事 项 ： 定 性 温 度 的 确 定 （ 有 三 种 取 法 。 注 意 对 油 类等 高 粘 度 流 体 的 定 性 温 度 的 选 取 ） 定 型 尺 寸 的 选 取 (当 量 直 径 见 附 录 B） 粘 度 的 修 正 复 合 换 热 的 处 理 2.2.3 壁 温 的 计 算 选 择 热 交 换 器 的 类 型 和 管 子 材 料 以 及 考 虑 热 膨 胀 的 补 偿 时均 需 知 道 壁 温 。 在 一 般 请 况 下 壁 温 可 通 过 下 面 的 公 式 确 定 ：放 热 侧 壁 温 ：tw1=t1-K(1/ 1+rs,1) tm=t1-q(1/ 1+rs,1)吸 热 侧 壁 温 ：tw2=t2 K(1/ 2+rs,2) tm=t1 q(1/ 2+rs,2)试 算 法 的 应 用 P67 2.4 管 壳 式 热 交 换 器 的 流 动 阻 力 计 算 热 交 换 器 内 流 动 阻 力 引 起 的 压 降 ， 是 衡 量 运 行 经 济 效果 的 一 个 重 要 指 标 。 如 果 压 降 大 ,消 耗 的 功 率 多 ， 就 需 要配 备 功 率 较 大 的 动 力 设 备 来 补 偿 因 压 力 降 低 所 消 耗 的 能 量 。 由 流 体 力 学 可 知 ,产 生 流 动 阻 力 的 原 因 与 影 响 因 素 可归 纳 为 ： 流 体 具 有 粘 性 ， 流 动 时 存 在 着 内 摩 擦 ， 是 产 生 流 动 阻 力 的根 源 ； 固 定 的 管 壁 或 其 他 形 状 的 固 体 壁 面 ， 促 使 流 动 的 流 体 内 部发 生 相 对 运 动 ， 为 流 动 阻 力 的 产 生 提 供 了 条 件 。所 以 流 动 阻 力 的 大 小 与 流 体 本 身 的 物 理 性 质 、 流 动 状 况 及 壁面 的 形 状 等 因 素 有 关 。P68表 2.10介 绍 2.4.1 管 程 阻 力 计 算 管 壳 式 热 交 换 器 管 程 阻 力 包 括 沿 程 阻 力 、 回弯 阻 力 和 进 、 出 口 连 接 管 阻 力 等 三 部 分 ： Pt = Pi + Pr+ PN Pt -管 程 总 阻 力 Pi -沿 程 阻 力 Pr -回 弯 阻 力 PN -进 、 出 口 连 接 管 阻 力 2.4.2 壳 程 阻 力 计 算对 于 相 同 的 雷 诺 数 ， 壳 程 摩 擦 系 数 大 于 管 程 摩 擦 系 数 ， 因 为流 过 管 束 的 流 动 有 加 速 、 方 向 变 化 等 。 但 壳 程 的 压 降 不 一定 大 ， 因 压 降 与 流 速 、 水 力 直 径 、 折 流 板 数 、 流 体 密 度 等有 关 、 因 此 在 同 样 的 雷 诺 数 时 ， 壳 程 压 降 有 可 能 比 管 程 低 。对 于 无 折 流 板 时 ： 可 用 管 程 阻 力 公 式 计 算 壳 程 阻 力 （ 但 以 壳 程 管 束 流 道 的 当量 直 径 代 替 管 程 阻 力 公 式 中 的 di） 有 的 文 献 推 荐 错 流 流 过 光 滑 圆 管 时 ， 可 用 以 下 的 公 式 计算 壳 程 阻 力 （ Re=10 2-5 104范 围 内 )： ， 2.4.3 流 路 分 析 法 简 介 贝 尔 法 的 缺 点 是 烦 琐 、 费 时 ， 同 时 此 法 并未 把 各 流 路 的 关 系 完 全 考 虑 在 内 ， 因 此 无法 预 测 由 于 制 造 条 件 或 结 构 等 因 素 引 起 的各 路 流 量 及 其 相 应 阻 力 的 变 化 ， 总 的 近 似程 度 不 如 流 路 分 析 法 好 。 流 路 分 析 法 是 利 用 廷 克 所 提 出 的 将 壳 程流 动 分 成 如 图 2.27所 示 的 五 股 流 路 . 2.5 管 壳 式 热 交 换 器 的 合 理 设 计2.5.1 流 体 在 热 交 换 器 内 流 动 空 间 的 选 择 在 设 计 热 交 换 器 时 必 须 正 确 选 定 哪 一 种 流 体 走 管 程 ， 哪 一 种 流体 走 壳 程 。 这 时 要 考 虑 下 述 一 些 原 则 ：(1)要 尽 量 提 高 使 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)尽 量 节 省 金 属 材 料 ， 特 别 是 贵 重 材 料 ， 以 降 低 制 造 成 本 ；(3)要 便 于 清 洗 积 垢 ， 以 保 证 运 行 可 靠(4)在 温 度 较 高 的 热 交 换 器 中 应 减 少 热 损 失 ， 而 在 制 冷 设 备 中 则 应减 少 冷 量 损 失 ； 针 对 以 上 原 则 提 问 2.5.2 流 体 温 度 和 终 温 的 确 定 当 热 交 换 器 的 流 动 方 式 及 传 热 面 积 已 知 时 ， 流 体的 终 温 可 由 平 均 温 差 法 或 传 热 单 元 数 法 加 以 核 定 。 在 顺 流 和 逆 流 时 还 可 用 以 下 根 据 平 均 温 差 的 指数 规 律 而 推 导 出 来 的 公 式 直 接 计 算 终 温 。 2.5.3 管 子 直 径 的 选 择 换 热 管 是 管 壳 式 换 热 器 的 传 热 元 件 ， 它 直 接 与 两 种 介质 接 触 ， 所 以 换 热 管 的 形 状 和 尺 寸 对 传 热 有 很 大 的 影 响 。 小管 径 利 于 承 受 压 力 ， 因 而 管 壁 较 薄 且 在 相 同 的 壳 径 内 可 以 排列 较 多 的 管 子 ， 使 换 热 器 单 位 体 积 的 传 热 面 积 增 大 、 结 构 紧凑 ， 单 位 传 热 面 积 金 属 耗 量 少 ， 传 热 效 率 也 稍 高 一 些 ， 但 制造 麻 烦 ， 且 小 直 径 管 子 易 结 垢 ， 不 易 清 洗 。 所 以 一 般 对 清 洁流 体 用 小 直 径 管 子 ， 粘 性 较 大 的 或 污 染 的 流 体 采 用 大 直 径 管子 。 2.5.4 流 体 流 动 速 度 的 选 择 一 般 情 况 下 ， 流 速 的 增 加 使 换 热 系 数 随 之 俱 增 ， 但 是 增 加 流 速将 使 流 动 阻 力 也 随 之 增 大 ， 且 其 增 加 的 速 率 远 超 过 换 热 系 数 的 增 加 速率 因 此 ， 所 选 择 的 流 速 要 尽 量 使 流 体 呈 湍 流 状 态 ， 以 保 证 设 备 在 较大 的 传 热 系 数 下 进 行 热 交 换 ， 为 避 免 产 生 过 大 的 压 降 ， 才 不 得 不 选 用层 流 状 态 下 的 流 速 。 流 速 的 最 大 值 又 是 由 允 许 的 压 降 所 决 定 的 ， 当 允 许 的 压 降 已 经 限 定 ，则 最 大 流 速 就 可 由 阻 力 公 式 外 算 出 来 。 如 果 所 允 许 的 压 降 不 是 由 生 产 条 件 来 决 定 ， 则 可 根 据 技 术 经 济 比 较来 确 定 最 佳 流 速 (或 最 经 济 流 速 )， 这 时 设 备 的 投 资 费 用 与 运 行 费 用 之和 最 低 。 2.5.5 热 补 偿 问 题 管 壳 式 热 交 换 器 的 振 动 与 噪 声（ 1） 流 体 诱 发 振 动 的 原 因 流 动 引 起 的 振 动 ： 热 交 换 器 的 管 束 属 于 弹 性 体 ， 被 流 过 的流 体 扰 动 ， 离 开 其 平 衡 位 置 ， 管 子 产 生 振 动 ， 这 种 振 动 成为 流 动 引 起 的 振 动 。1） 涡 流 脱 落 引 起 的 振 动 与 噪 声 什 么 是 卡 门 涡 街 ？ 卡 门 涡 街 2） 气 流 弹 性 旋 转 引 起 的 振 动3） 湍 流 抖 振 （ 2） 振 动 的 预 防 措 施 右 图 中 结 构 有 效 地消 除 了 湍 流 抖 振 2 6 管 壳 式 热 交 换 器 的 设 计 程 序 一 般 的 设 计 程 序 如 下 ；(1)根 据 设 计 任 务 搜 集 有 关 的 原 始 资 料 ， 并 选 定 热 交 换 器 的型 式 等 。(2)确 定 定 性 温 度 ， 并 查 取 物 性 数 据 ；(3)由 热 平 衡 计 算 热 负 荷 及 热 流 体 或 冷 流 体 的 流 量(4)选 择 壳 体 和 管 子 的 材 料(5)选 定 流 动 方 式 、 确 定 流 体 的 流 动 空 间 ；(6)求 出 平 均 温 差 ；(7)初 选 传 热 系 数 K ， 并 初 算 传 热 面 积 F ；(8)设 计 热 交 换 器 的 结 构 (或 选 择 标 准 型 号 ） 计 算 程 序 原 理 框 图 和 计 算 表 格 介 绍 ， P85-86 大 作 业 题 目 ： 煤 油 冷 却 器 的 设 计 任 务 及 操 作 条 件 1、 处 理 能 力 ： 10万 吨 /年 煤 油 2、 设 备 形 式 ： 列 管 式 换 热 器 3、 操 作 条 件 ： （ 1） 煤 油 ： 入 口 温 度 150 ， 出 口 温 度 40 （ 2） 冷 却 介 质 ： 自 来 水 ， 入 口 温 度 25 ， 出 口 温 度 35 （ 3） 允 许 压 降 ： 不 大 于 100kPa （ 4） 煤 油 定 性 温 度 下 的 物 性 数 据 ： 密 度 825kg/m 3， 粘 度 7.15 10-4 Pas， 比 热 容 2.22kJ/（ kg ） ， 导 热 系 数 0.14W/（ m ） （ 5） 每 年 按 330天 计 算 ， 每 天 24小 时 连 续 运 行 。n 列 管 换 热 器 的 选 择 与 核 算 （ 1） 传 热 计 算 （ 2） 管 、 壳 程 流 动 阻 力 计 算 （ 3） 管 板 厚 度 计 算 （ 4） U形 膨 胀 节 计 算 （ 5） 管 壳 式 换 热 器 零 部 件 结 构 2.7 管 壳 式 冷 凝 器 与 蒸 发 器 的 工 作 特 点 2.7.1 管 壳 式 冷 凝 器 的 工 作 特 点 工 质 由 汽 态 变 为 液 态 的 过 程 叫 凝 结 ， 当 蒸 汽 与 低 于 它 的饱 和 温 度 的 流 体 和 壁 面 接 触 时 ， 就 会 发 生 凝 结 并 放 出 潜 热 。蒸 汽 在 冷 壁 凝 结 并 放 出 潜 热 ， 而 冷 却 流 体 在 壁 面 的 另 一 侧吸 收 热 量 ， 这 就 是 冷 凝 器 的 工 作 原 理 。 按 被 冷 凝 的 物 质 进 行 分 类 ， 冷 凝 过 程 又 可 分 为 可 凝 蒸 汽的 冷 凝 和 含 有 不 凝 气 蒸 汽 的 冷 凝 。 可 凝 蒸 汽 可 以 是 单 一 成分 的 纯 净 蒸 汽 ， 也 可 能 是 多 种 组 分 的 混 合 蒸 气 。 1） 纯 净 饱 和 蒸 汽 在 冷 凝 器 内 的 冷 凝设 计 时 应 注 意 的 问 题 ：l冷 凝 换 热 过 程 的 强 化 （ 如 有 机 蒸 气 -水 换 热 ）l管 子 的 放 置 方 式 （ 横 管 、 竖 管 ） 采 用 卧 式 冷 凝 器 的 原 因l蒸 汽 在 水 平 管 内 冷 凝 可 能 出 现 的 问 题 （ 2） 过 热 蒸 汽 在 冷 凝 器 内 的 冷 却 和 冷 凝 按 过 热 程 度 的 不 同 ， 过 热 蒸 汽 在 冷 凝 器 内 的温 度 变 化 可 能 存 在 三 个 不 同 的 区 域 换 热 特 点 及 计 算 方 法在 过 热 度 很 大 的 情 况 下 ， 需 要 将全 部 过 程 按 图 2.49分 两 段 计 算 。 （ 3） 含 不 凝 气 蒸 汽 的 冷 凝含 不 凝 气 蒸 汽 的 冷 凝 机 理 其 传 热 由 两 部 分 构 成1)潜 热 传 递 推 动 力 为 蒸 汽 的 分 压 差潜 热 传 递 的 热 量 表 示 为 ： 2)显 热 传 递当 不 凝 气 含 量 相 对 高 时 ， 传 热 温 差 和 换 热 系 数 要 分 成多 段 进 行 计 算 ？当 不 凝 气 含 量 不 高 时 ， 蒸 汽 速 度 是 影 响 换 热 的 主 要 因素 ， 传 质 系 数 的 考 虑 ？ (传 质 与 传 热 的 类 比 ） 热 量 传 递 与 质 量 传 递 类 比 31Prt 31Sc c 传 热 求 解 ： Pr)(Re,Nu f传 质 求 解 ： )Sc(Re,Sh f 4） 混 合 蒸 汽 的 冷 凝特 点 ： 分 凝 器 和 全 冷 凝 器 的 概 念 介 绍 2.7.2 管 壳 式 蒸 发 器 的 工 作 特 点 蒸 发 器 中 所 进 行 着 的 沸 腾 换 热 和 冷 凝 换 热 一 样 ， 均 属于 强 化 型 换 热 ， 液 体 在 沸 腾 时 能 吸 收 大 量 的 汽 化 潜 热 ， 汽泡 在 形 成 和 脱 离 加 热 面 时 ， 在 边 界 层 内 产 生 强 烈 的 扰 动 ，使 其 热 边 界 层 内 形 成 很 大 的 温 度 梯 度 ， 从 而 达 到 很 高 的 换热 系 数 ， 与 单 相 流 体 的 对 流 换 热 系 数 相 比 ， 可 提 高 几 倍 乃至 二 、 三 十 倍 。 在 各 种 工 业 企 业 生 产 过 程 中 ， 常 需 将 溶 有固 体 物 质 的 水 溶 液 加 以 浓 缩 。 其 主 要 方 法 是 用 蒸 发 器 将 稀 溶 液 加 热 至 沸 腾 ， 使 其 中部 分 水 蒸 发 而 使 溶 液 的 浓 度 得 到 提 高 。 图 2.52所 示 的 是 一 种 在 水 溶 液 蒸 发 过 程 中 使 用 比 较普 遍 的 中 心 循 环 管 式 蒸 发 器 。 2.8.1 高 温 高 压 管 壳 式 热 交 换 器 高 温 高 压 热 变 换 器 通 常 指 其 工 作 温 度 在350 以 上 ， 压 力 在 10MPa以 上 。 就 型 式 而 论 ， 高 温 高 压 热 交 换 器 与 常 用的 管 壳 式 热 交 换 器 并 无 多 大 差 别 、 只 是 在结 构 上 已 获 得 相 当 多 的 改 进 。 常 用 的 型 式 仍 为 固 定 管 板 式 、 U形 管 式 和浮 头 式 三 种 。 2.8.2 工 业 炉 用 高 温 热 交 换 器 工 业 炉 用 热 交 换 器 工 作 压 力 并 不 高 ， 但 一般 都 在 高 温 下 工 作 。 利 用 工 业 炉 烟 气 来 预 热 空 气 或 煤 气 的 热 交换 器 。 从 材 质 上 可 分 金 属 和 陶 质 两 大 类 ；从 工 作 原 理 上 可 分 为 换 热 式 和 蓄 热 式 两 大类 ； 从 传 热 方 式 上 可 分 为 对 流 式 和 辐 射 式两 大 类 。 2.8.3低 温 热 交 换 器1)低 温 热 交 换 器 的 作 用 在 空 气 分 离 装 置 或 其 它 利 用 深 冷 进 行气 体 液 化 与 分 离 的 装 置 (例 如 碳 氢 化 合 物 气体 的 分 离 装 置 )中 ， 没 有 热 交 换 器 就 不 可 能有 效 地 进 行 深 冷 过 程 。