管壳式热交换器设计全解5

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 管壳式热交换器,1,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,2,1.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,管数n (v ),为使管内v提高传热效果需分程,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。,隔板布置方式,平行布置法,T形布置法,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,3,4,管束分程布置图,流向,5,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,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,焊接在拉杆、定距管、折流板上,焊接在圆筒上,用U型螺栓固定在换热管上,7,8,设置条件:,a.,当壳程进口管流体的v,2,值为下列数值时,，,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,v,2,2230kg/(m.s,2,),(ii),其他液体，包括沸点下液体,v,2,740kg/(m.s,2,),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,。,9,10,11,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,弓形,圆盘-圆环形,堰形折流板,12,过程设备设计,(a)单弓形,(d)圆盘-圆环形,(c)三弓形,(b)双弓形,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)D,i,，最常用0.25D,i,。,13,14,圆盘-圆环形折流板,15,图2-22 单弓形折流挡板,图2-24 圆盘圆环形折流挡,16,17,布置原则: 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：,L,min,不小于0.2管内径Di，且不小于50mm；,L,max,不大于Di；,18,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,折流板缺口布置,通液口,通气口,(a),(b),19,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,通液口,折流板缺口布置,(c),20,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,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,折流板的安装,d14mm时,23,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,24,25,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:,换热管外径,10,12,14,16,19,25,32,38,45,57,最大无,支撑跨距,钢管,-,-,1100,1300,1500,1850,2200,2500,2750,3200,有色金属管,750,850,950,1100,1300,1600,1900,2200,2400,2800,26,过程设备设计,A,、换热管外径14mm时点焊结构,B、,换热管外径 14mm时拉杆-定距管结构,dn,dn,折流板、支持板固定方式：,27,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,28,29,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),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,：,旁路挡板,图,挡管,图,中间挡板,图,30,旁路挡板,折流板,旁路挡板,为了防止,壳程边缘,介质短路,31,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,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块挡板,500DN1000mm时,设置2块挡板,DN1000mm时,设置不少于3块挡板,33,(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,纵向隔板与壳体的连接形式: 焊接将隔板与壳体内壁焊接,可拆有密封元件,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,壳程分程,对分流,双分流,35,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,式中：,A,t,为,管程流通截面积,，m,2,；,M,t,为管程流体的质量流量，Kg/s；,t,为管程流体的密度，Kg/m,3,；,W,t,为管程流体的流速，m/s；,需管数n,式中：,d,1,管子内径，m；,37,每根管子的长度L为,式中：,F热计算所需要的传热面m,2,；,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。,38,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Z,t,为,：,式中：,l,所确定的管子的长度,m,L,管程总长,，m；,39,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,程数宜取偶数，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,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）d,0,(d,0,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,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：,A,S,为壳程流通截面积，m,2,；,M,s,壳程流体的质量流量，Kg/s；,s,壳程流体的密度，Kg/m,3,w,s,壳程流体的流速，m/s；,43,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,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，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,流体在缺口处的流通截面积A,b,46,缺口总截面积,缺口处管子所占面积,F,C,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,；,D,s,表示热交换器壳体内径,，m,；,式中：,D,L,表示最大布管圆直径,，m,47,折流板切口中心角，弧度；,两折流板间错流的流通截面积,A,C,正方形斜转或直列排列时,三角形排列时,48,式中：,l,s,折流板间距；,d,0,管子外径；,s管间距；,s,n,与流向垂直的管间距。,A,s,，A,b,，A,c,之间的关系,A,s,为保证流速所需要的流通截面积,A,b,流体在缺口处的流通截面积,A,C,两折流板间错流的流通截面积,49,（3）盘环形折流板,环板圆孔处的流通面积a,1,盘板的流通面积a,2,环板的流通面积a,3,a,3,盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积,D,m,环内径D,1,和盘径D,2,的算术平均值,s,n,与流向垂直的管间距,50,第三节 管壳式热交换器的传热计算,一、传热系数的确定,1、确定传热系数的主要方法：,经验选用数据,实验测定,通过计算,热阻,间壁材料,51,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,决定因素：污垢的导热系数,d,及污垢的厚度,污垢系数：r,d,=,d,/,d,污垢热阻,传热量,传热公式,2、圆管的传热系数确定,53,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,近似计算,外表面,内表面,（管壁比较薄）,式中,r,s,i,管内壁的污垢热阻，m,2,/W；,r,s,o,管外壁的污垢热阻，m,2,/W；,w,管壁厚度，m；,w,管材的导热系数，W/m；,d,m,管子的平均直径,55,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,d,0,d,i,非金属材料不适用,56,二、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（j,h,）与雷诺数(Re)之间的关系用公式或,线图形式表示出来。,努谢尔准则数,对流换热强度,57,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,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,孔式折流板,Re=3210,4,G,av,平均质量流量,，,Kg/(m,2,s),式中：,G,0,管孔间隙中的质量流速，Kg/(m,2,s),G,a,壳程流体顺流管束的质量流量，Kg/(m,2,s),60,M,s,壳程流体的质量流量,d,H,折流板上管孔直径，m,l,s,折流板间距，m,；,盘环折流板,Re=3210,4,式中,G,m,为平均质量流速，Kg/(m,2,s),61,计算G,m,所用的基准面A,s,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,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,64,65,结构参数计算,1、总管数n,t,;,2、错流区排管总数N,C,D,S,热交换器壳体内径,s,P,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F,C,66,4、错流区内管子数占总管数的百分数F,C,式中,h表示折流板缺口高度，m,；,D,s,表示热交换器壳体内径，m,D,L,表示最大布管圆直径，m；,67,5、每一缺口内的有效错流管排数N,CW,6、错流面积中旁流面积所占分数F,bP,若有E路存在时,式中,N,E,管程隔板所占的通道数，（E流路数）,L,E,E流道的宽度,68,7、一块折流板上管子和管孔之间的泄漏面积A,tb,式中,D,b,折流板直径，m,D,s,表示热交换器壳体内径，m,式中,d,H,为管孔直径,n,t,总管数;,8、折流板外缘与壳体内壁之间的泄漏面积A,sb,69,9、流体通过缺口的流通面积A,b,10、缺口的当量直径D,W,(用于Re100的情况),11、折流板数目,如果进出口段板间距不等于l,s,则,70,l,s,i,进口段从折流板到管板的距离。,l,s,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j,H,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,j,c,缺口处不排管的结构,j,c,=1,71,3、查取折流板泄漏影响的校正因子j,1,(A和E流路)，,4、查取旁通影响的校正因子j,b,5、折流板间距不等时的校正因子 j,s,6、逆温梯度的校正因子,7、计算壳程传热因子j,j,0,=j,H,j,c,j,1,j,b,j,s,j,r,8、计算处壳程换热系数,0,72,Thank you for attention!,73,