列管式换热器结构设计示例

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第三章列管换热器设计示例 一、设计计算基本步骤（续） (8)计算管子数和管长，对管子进行排列，确定壳体直径(9)根据管长与壳体直径的比值，确定管程数：(10)计算管程和壳程压力降，若压力降不符合要求，调整流速，再确定管程数或折流板的间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压力降直至满足要求为止；一、设计计算基本步骤（续） (11)计算管程和壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，计算得到总传热系数K’，比较初设值K与计算值K’，若K／K’＝1.15～1.25，则初选或初步设计的换热器合适；如果不满足上述要求，用计算值代替初设值，从步骤(6)起，重复以上计算，直到满足要求为止。上述步骤为一般原则，设计换热器时，可视具体情况灵活变动。一、设计计算基本步骤（续） 二、操作条件的确定1、换热器内流体通入空间的选择在列管式换热器中，哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程，一般可从下列几方面考虑：(1)不洁净的或易结垢的流体走易于清洗的一侧；对于固定管板式换热器一般走管程；U形管换热器，一般走壳程。(2)粘性大的或流量小的流体，宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，一般在雷诺数(Re＜l00)以下，即可达到湍流，有利于提高传热系数。 二、操作条件的确定1、换热器内流体通入空间的选择（续）(3)有腐蚀性的流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的材料。(4)压力高的流体走管程，因为管子直径小，承受压力的能力好，还避免了采用高压壳体和高压密封。(5)有毒的流体走管程，减少泄漏的机会。(6)饱和蒸汽一般走壳程，便于冷凝液的排出(7)被冷却的流体走壳程，便于散热。 二、操作条件的确定1、换热器内流体通入空间的选择（续）(8)对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管程，这样可以降低管壁与壳壁的温差，减少热应力。以上原则，在实际中不可能同时兼顾，对具体情况仔细分析，抓住主要方面。例如首先从流体的压力、腐蚀性以及情况等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当的选择。 二、操作条件的确定2、流速的选择换热器内流速的大小必须通过经济核算进行选择。因为流速增加，传热系数增大，同时亦减少了污垢在管子表面沉积的可能性，降低了垢层阻力，从而使总传热系数提高，所需传热面积减少，设备投资费减少。但随着流速的增加，流动阻力也相应增加，动力消耗增大，使操作费用增加。因此，选择适宜的流速是十分重要的。表1和表2列出了一些经验数据，可供设计时参考。 二、操作条件的确定2、流速的选择（续）对低粘度流体，一般尽可能使Re＞l0000；对高粘件流体常按滞流设计。 二、操作条件的确定2、流速的选择（续）流体在换热据中合理的流速也可通过允许压力降来决定。在一般的情况下，由操作压力决定一合理的压力降，然后通过计算得到相应的流速。合理压力降的规定可参考表3 二、操作条件的确定 二、操作条件的确定3、载热体的选择（续）在选择时应考虑以下几个原则：(1)载热体能满足工艺上的要求达到的加热(冷却)温度(2)载热体的温度易于调节；(3)载热体的饱和蒸汽压小，加热过程不会分解；(4)载热体的毒性小．对设备的腐蚀性小；(5)载热体不易爆炸；(6)载热体的价格低廉，来源充分。 二、操作条件的确定3、载热体的选择（续）工业上常用的载热体及其适用场合列于表3，供选用时参考。 二、操作条件的确定 二、操作条件的确定 二、操作条件的确定4、换热终温的确定另外在决定换热终温时，一般不希望冷流体的出口温度高于热流体的出口温度，否则会出现反传热现象，当遇到达种情况时，可采用几个换热器串联的方法解决。为了合理地规定换热终温，可参考下述数据。 二、操作条件的确定4、换热终温的确定（续）(1)热端的温差＜20℃。(2)冷端的温差分三种情况考虑：①两种工艺流体换热时，在一般情况下，冷端温差＞20℃；②两种工艺流体换热时，若热流体尚需进一步加热，则冷端温差＞15℃；③采用水或其他冷却剂冷却时，冷端温差＞5℃。 二、操作条件的确定4、换热终温的确定（续）如果超出上述数据，应通过技术经济比较来决定换热终温。(3)冷却水的出口温度不宜太高，否则会加快水垢的生成。对于经过良好净化的新鲜水，出口温度可达到45℃或稍高一些；对于净化较差的冷却水，出口温度建议不要超过40℃。 三、传热计算基本方程1、传热速率方程在稳态下，当总传热系数随温度变化不大时Q=KAΔtm式中Q——热负荷，W；K——总传热系数，W／(m2·K)；A——与K对应的基准传热面积，m2Δtm——有效平均温差，K. 三、传热计算基本方程2、热负荷无相变时Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t1-t2)式中Wh——热流体的流量，kg／s；Wc——冷流体的流量，kg／s；T1、T2——热流体的进出口温度，K或℃；t1、t2——冷流体的进出口温度，K或℃;Cph、Cpc——热、冷流体的换热系数。 三、传热计算基本方程2、热负荷（续）有相变时Q=W·r式中W——热或冷流体的流量，kg/sr——冷凝或蒸发潜热，J/kg 三、传热计算基本方程3、有效平均温差在无相变的纯粹逆流或并流换热器中，或一侧为恒温的其他流向的换热器中，其有效平均温差采用对数平均温差 三、传热计算基本方程3、有效平均温差（续）当时，可采用算术平均温差在其他流向的换热器中，当无相变时，有效平均温差为 三、传热计算基本方程3、有效平均温差（续）各种流动情况x下的校正系数可根据R和P两个参数查图得到，也可以用数学解析法计算得到 三、传热计算基本方程3、有效平均温差（续）对应m壳程，2mn管程(m＝l，2，3……)换热器的温差校正系数为当R≠1时其中 三、传热计算基本方程3、有效平均温差（续）当R=1时其中 三、传热计算基本方程4、总传热系数基本条件(设备型号、雷诺数、流体物性等)相同时，总传热系数可直接采用经验数据，否则应用传热膜系数的关联式，并选择合适的热阻值计算得到总传热系数。（1）总传热系数的经验值总传热系数的经验值见表4，有关手册中也列有其他情况下的总传热系数经验值，可供设计时参考。选择时，除要考虑流体物性和操作条件外，还应考虑换热器的类型。 三、传热计算基本方程 三、传热计算基本方程2、总传热系数的计算注意：在通常的操作过程中，传热系数是个变量，由于污垢热阻是变化的，因此设计中选择污垢热阻时，应结合清洗周期来考虑。若污垢热阻选得太小，清洗周期会很短，所需传热面积会较小；反之，所需传热面积会较大，所以应该全面衡量，作出选择。 三、传热计算基本方程2、总传热系数的计算（续）总传热系数的计算公式为式中K——总传热系数，W／(m2·K)；αi、α0——分别为管程和壳程流体的传热膜系数，W／(m2·K) 三、传热计算基本方程2、总传热系数的计算（续）Ri、R0——分别为管程和壳程的污垢热阻，K／W；A、A0、Am——分别为管程、壳程及管壳平均的传热面积，m2；A——任一选定的作为计算K值的基准传热面积，m2；λm——管壁的导热系数，W／(m·K)；b——管壁的厚度，m。 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算传热膜系数的关联式与传热过程是否存在相变、换热器的结构及流动状态等因素有关；关于传热膜系数的关联式很多，在选用时应注意其适用的范围，对传热膜系数的关联式在此不作详细的介绍，只列出常用的无相变的传热膜系数关联其他形式的传热膜系数关联式可参考相关文献。 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）（1）管程传热膜系数1)层流流动区域当雷诺数Re＜2300，普朗特数Pr＝0.6—6700，Re/Prd/L＞100时，传热膜系数α为 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）式中α——传热膜系数，W／(m2K)；λ——流体的导热系数，W／(m·K)d——管内径，m；u——管内流速，m／s；ρ——流体的密度，kg／m3；μ——流体的粘度，Pa·s；L——管子的长度，m；μw——壁温下流体的粘度，Pa·s 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）定性温度：除μw取壁温外，其余均取流体进出口的算术平均温度。2)湍流流动区域对于低粘度流体(小于水的粘度的两倍)，当Re＞10000，Pr=0.7～120，d/L＞60时式中流体被加热时，n＝0.4；流体被冷却时n＝0.3。 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）当d/L＜60时，必须考虑进口效应，可用下式进行校正 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）3)高粘度液体当Re＞10000，Pr=0.7～16700，d/L＞60时式中(μ/μw)0.14——考虑热流方向的校正项液体被加热时，(μ/μw)0.14＝1.05；液体被冷却时，(μ/μw)0.14＝0.95；对于气体，不论是加热还是冷却，(μ/μw)0.14＝1 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）4)过渡流区域当Re＝2300～10000式中α’——过渡流区域管程传热膜系数；α——由前面式求得 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数当换热器内无挡板时，壳程流体可按平行管束流动考虑，仍可用上述管程传热膜系数关联式进行计算，需将式中管内径用壳程管子当量直径de代替即可 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)当换热器内有挡板时，对于弓形挡板，当Re=3～20000时当Re=100～60000时 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)式中u0——基准流道截面Sm计算的流速Sm的计算式为 三、传热计算基本方程 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)R——壳体半径，m；b——弦长，b＝2Rsin(θ/2)，m；hd——弓高，hd＝2Rsin2(θ/2),m；θ——圆心角，rad。设计时应尽可能使sl＝s2，以减少阻力损失。 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续)对于圆盘—圆环形挡板，当Re＝3～20000时此时 三、传热计算基本方程5、传热膜系数的计算（续）（2）壳程传热膜系数(续) 三、传热计算基本方程6、传热污垢热阻的确定积存在传热表面的污垢，对传热会产生附加的热阻，在估算总传热系数时，一般不能忽略。通常选用经验值(见表5)作为计算依据。 四、流体流动阻力(压力降)的计算1、管程流体阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其总阻力ΣΔpi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故有 四、流体流动阻力(压力降)的计算1、管程流体阻力（续）式中Δp1、Δp2——分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Ft——结垢校正系数，无因次，对于φ25mm×2．5mm管子取为1．4；对于φ19mm×2mm管子，取为1．5Np——管程数；Ns——壳程数；λ——摩擦阻力系数，无因次ρ——流体的密度，kg／m3。 四、流体流动阻力(压力降)的计算2、壳程流体阻力当壳程无挡板时，流体顺着管束流动，此时壳程流体阻力可按直管阻力的方法计算，但应以当量直径代替圆管内径。当壳程有挡板时，总的壳程流体阻力由流体垂直流经管束的阻力、经过挡板缺口转向阻力和壳程出入口的阻力加和而得 四、流体流动阻力(压力降)的计算2、壳程流体阻力（续） 四、流体流动阻力(压力降)的计算2、壳程流体阻力（续）流体垂直流过管束一次的压力降Δp1’为 四、流体流动阻力(压力降)的计算2、壳程流体阻力（续）式中M——流体垂直于管束流动时，沿流动方向上管子的排数；对于弓形挡板，M等于对角线上的管于数；对于圆盘-圆环形挡板，M等于六角形的圈数；u0——流体横过管束流道截面积Sl处的流速；对于弓形挡板，Sl按式计算；对于圆盘-圆环形挡板，Sl按式计算；C——常数，与管心距a与管外径d0的比值有关，具体数值见表6。 四、流体流动阻力(压力降)的计算2、壳程流体阻力（续）ζ1、ζ2为局部阻力系数，其值可由表7得到