管壳式换热器设计注意事项

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,#,换热器的工艺设计计算有两种类型，即设计计算和校核计算，包括计算换热面积和选型两个方面。,设计计算的目的是根据给定的工作条件及热负荷，选择一种适当的换热器类型，确定所需的换热面积，进而确定换热器的具体尺寸。,校核计算的目的则是对已有的换热器，校核它是否满足预定的换热要求，这是属于换热器的性能计算问题。,无论是设计计算还是校核计算，所需的数据包括结构数据、工艺数据和物性数据三大类。,TASC,程序使用,（,1,）用途,TASC,程序可用于管壳式换热器的设计、物性核算或模拟计算。热流体可以为单相流也可以为冷凝流，冷流体可以为单相流也可以为沸腾流；两流体可以流经露点和,/,或泡点。,（,2,）计算选择,程序有三种供选择的计算方式：,设计（,DESIGN,）,按费用最佳或面积最小设计。,核算（,CHECKING,）,核算已知的换热器是否达到所规定的热负荷，计算结果为实际面积与所需面积之比。,模拟计算（,SIMULATION,）,按用户规定的两侧物流入口条件，计算出口条件，计算结果为实际热负荷与所需热负荷之比。,核算和模拟计算的主要区别在于前者出入口条件为已知，而后者出口条件是计算出来的。有时将这两种方式都叫做性能计算方式。,（,3,）几何参数选择,HEAT EXCHANGER NOMENCLATURE USED BY HTFS,1,：,FRONT END HEAD,2,：,REAR END HEAD,（,RETURN HEAD,）,3,：,TUBE PLATE,（,TUBE SHEET,）,4,：,SINGLE SEGMENTAL BAFFLE,（,HORIZONTAL,）,5,：,SINGLE SEGMENTAL BAFFLE,（,VERTICAL,）,6,：,DOUBLE SEGMENTAL BAFFLE,7,：,LONGITUDINAL BAFFLE,8,：,PASS PARTITION PLATE,9,：,SEALING STRIP,10,：,BAFFLE PITCH,11,：,BAFFLE CUT,（,%SHELL DIAMETER,）,相关项说明,Side for Hot Stream,流体流经管程或壳程的选择，应根据流体的性质，从有利于传热、耐用、减轻设备重量、减少污垢、降低压力损失及便于清扫等方面考虑。,l,温度,高温流体、要求特殊材料者走管内，以节省材料，及便于保温；有时为了便于高温流体的散热，也可使高温流体走壳程，但为了保证操作人员的安全，需设置保温层。,l,压力,较高压力的流体走管程，可减少壳体厚度。,l,粘度,高粘度流体走壳程，容易进行湍流，扰动程度增大，以提高传热系数。,l,腐蚀性及毒性,腐蚀性流体走管内，以节省耐腐蚀材料用量；毒性物料走管内，可减少泄露机会。,l,清洁性,较脏和易结垢的流体应走管程，以便于清洗。如必须走壳程，则应采用正方形排列，并采用可拆式（浮头式、填料函式、,U,型管式）换热器。,Tubes in Window,当换热器流量很大时，为了得到较好的错流和避免流体诱发振动，常常取掉缺口处的管子。,Baffle Type,大多数折流板的效用是提高流速、改变流动方向以提高壳程传热膜系数，并支撑管子防止振动。,l,弓型折流板由于能引导流体以垂直方向错流管束，有利于湍动和传热，应用得最为广泛。一般选用单弓型板。,l,当壳程压降为控制因素时，可采用双弓型板。,l,当壳程进行蒸发、冷凝操作时或者管程传热膜系数很低时，壳程折流板的效果就不很明显，主要起支承作用，有时可以不要折流板。,折流杆结构可使流体穿过折流杆与换热管之间的缝隙，这种换热器要求流量大，其压力降小，且传热效果好，可用于无相变和有相变的场合。,Baffle Cut,弓型切口高度占直径之比。,l,无相变时一般为,20 25%,，对冷凝或蒸发可达,45%,。,l,实际上在相同的压力降下，圆缺高度为,20%,的折流板将获得最好的传热效率。,Baffle Pitch,折流板的间距影响到壳程流体的流向和流速，从而影响到传热效率。,l,折流板之间的距离一般为壳径的0.31倍。,l,当壳程传热膜系数为控制因素时，板距宜小；,最小的折流板间距为壳体直径的,1/31/2,，且不应小于,50mm,。,l,为了使流动方向垂直于管束，板间距应不大于壳径；由于折流板有支撑管子的作用，所以，钢管无支撑板的最大折流板间距为,171d,0,0.74,(d,0,为管外径，单位为,mm),。,l,如果必须增大折流板间距，就应另设支撑板。若管材是铜、铝或者它们的合金材料时，无支撑的最大间距应为,150 d,0,0.74,。,Baffle Cut Orientation,横缺形折流板（,horizontal,）适用于无相变的对流传热，防止壳程流体平行于管束流动，减少壳程底部液体的沉积。,在壳程进行冷凝或蒸发操作时，一般采用竖缺形折流板（,vertical,），以便于流出冷凝液和分离沸腾蒸汽。,Tube Outside Diameter,管径愈小的换热器愈紧凑、愈便宜，且可以获得较好的传热膜系数与阻力系数的比值。,l,管径愈小的换热器的压降将愈大，在满足允许压力降的情况下，一般推荐选用,19mm,的管子。,l,对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为,25mm,的管子。,l,对于有气,-,液两相流的工艺流体，有时选用较大的管径。,Tube Pattern(30,45,60,90,),管子在管板上的排列型式主要有正方形排列（,90,）和三角形排列（,30,）两种型式。,l,三角形排列有利于壳程流体达到湍流且排管数也多。,l,正方形排列有利于壳程的清洗。,l,为了弥补各自的缺点，就产生了转过一定角度的正方形排列（,45,）和留有清洗通道的三角形排列（,60,）。,Normal/Full Bundle,Tube Length,l,列管式换热器长径比，以610最为常见。,l,无相变换热时，管子较长则传热系数也增加。,l,在相同的传热面积情况下，采用长管则流动截面积小，流速大，管程数小，从而可减少流体在换热器中的回弯次数，因而压力降也较小。,l,采用长管时，每平方米传热面的比价也低。,l,管子过长给制造带来困难；竖放时，还应考虑其稳定性，长径比以,46,为宜。,l,一般选用管长为,46m,。,l,对于传热面积大，或无相变的换热器可选用,89m,的管长。,Number Tubeside passes,管程数有,18,程几种，常用的为,1,、,2,或,4,管程。,l,为了提高管程传热膜系数，可采用多管程换热器。,l,当壳程恒温时，管内多程对传热总是有利的。,l,但当管子两侧温度渐变时，不允许出现反温差。,l,管程数增加，管内流速增大，但管内流速要受到管程压力降等的限制。,No.Sealing Strips pairs,l,密封条也称旁路挡板，它主要是为了防止流体由壳体和管束之间旁流。,l,只有壳程传热膜系数起控制作用时，安装旁路挡板才能显著提高总传热系数。,l,当旁路挡板超过一定数量后，对提高传热系数的作用下降，而对压降的影响增大。它一般是成对设置的，设计时可安装,13,对旁路挡板，相邻旁路挡板间距一般为,100200m,m。,Nozzle/Impingement Type,在壳程流体进口处，为防止流体对换热管表面的直接冲刷，应在该处设置防冲板。其设置条件为：,l,对于气体或蒸汽（包括气液混合物）要设置防冲板。,l,对于液体物流，应设置板的条件为：当非腐蚀性液体在壳程入口管处的动能,u,2,2300kg/(ms,2,),，腐蚀性液体,u,2,740kg/(ms,2,),。,（,4,）工艺条件,操作情况,操作压力,P(A),，,kgf/cm,2,合理压降,P,kgf/cm,2,减压操作,0.11,P/10,低压操作,00.7,P/2,0.710,0.35,中压操作,1030,0.35,较高压操作,3080,0.72.5,Allowable,Pressure Drop,l,根据工艺操作条件要求，确定允许压力降；,换热器的合理压降,Fouling Resistance,l,污垢对传热的影响，特别是当间壁两侧流体传热膜系数较大时，污垢就可能成为传热的控制因素。如一侧冷凝，一侧蒸发时，污垢的大小就起决定作用。,l,污垢不但对传热不利，也影响压降。因为随着操作时间的延长，污垢不断沉积于管壁上，流道逐渐减小，流速增大，压降迅速增加。当传热效率降低到一定程度或压降增加到一定程度后，即明显影响换热器的正常操作时，应予以停车清洗。为了获得一个经济的清洗周期，选择污垢系数就至关重要。,l,若选择的污垢系数过大，会使换热器过大，流速相应减小，反而促进污垢的沉积，保证不了操作周期。,l,如果选择的污垢系数过小，可能造成换热面积不足，影响正常操作。而且流速过大，虽然降低了结垢倾向，但操作费用增加。,l,如果管壁温度较高，就意味着有较大的平均温差，这将减小设备的尺寸，但是这个优点可能被由于壁温过高而加快结垢速度所抵消。,l,污垢系数要根据具体情况，权衡各方面的因素后方可决定。,至此，可以得到这样的概念：污垢系数的大小直接影响换热器的尺寸，而换热器尺寸又影响流体流动状态，进而影响结垢的速度和程度，所以选择污垢系数时应当慎重。,（,5,）输出结果分析,l,传热面积是否满足工艺要求，安全裕量够不够；,管程及壳程流体流速是否合理，是否在正常范围内,流体在换热器中的合理流速应由允许压降来确定；,液体常用流速范围：管程为,0.33,m/s,壳程为0.21.5,m/s；,气体,常用流速范围：管程为,530,m/s,壳程为215,m/s；,易结垢流体，在管内流速应大于1,m/s，,壳程流速应大于0.5,m/s；,为了避免设备的严重磨蚀，流速不应超过最大允许的经验值；,流速应随流体粘度的高低作相应修改；,普通钢管内不同粘度下的常用流速,流体粘度,cp,1500,1500500,500100,10035,351,1,烃类,最大流速,m/s,0.6,0.75,1.1,1.5,1.5,2.4,3,易燃、易爆液体的流速要低一些，不应超过其安全流速。,l,管程及壳程压降是否在允许的范围内,调整换热器几何尺寸，如换热器直径、换热管管长、换热器管程数；壳程折流板型式、间距等。,l,管程及壳程传热膜系数大小判断,分析总传热系数受哪侧传热膜系数控制；,采用强化传热手段，提高控制侧传热膜系数；,确定合适的污垢系数；,l,有效传热温差大小判断,有效温差,t,m,=F,t,t,lm,t,lm,对数平均温差；,F,t,温差校正系数；,只有当换热器中两流体间的流动是纯逆流、纯并流或一侧流体温度不变时，有效温差才等于对数平均温差；,在通常情况下，,F,t,值不应小于0.8；,设法增加壳程数或用几个换热器串联，以提高,F,t,值。,调整相应的几何尺寸，优化设计。,