列管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例.ppt

1、a,1,第三章 列管換熱器設(shè)計(jì)示例,a,2,一、設(shè)計(jì)計(jì)算基本步驟（續(xù),a,3,8)計(jì)算管子數(shù)和管長(zhǎng)，對(duì)管子進(jìn)行排列，確定殼體直徑 (9)根據(jù)管長(zhǎng)與殼體直徑的比值，確定管程數(shù)： (10)計(jì)算管程和殼程壓力降，若壓力降不符合要求，調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板的間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓力降直至滿足要求為止,一、設(shè)計(jì)計(jì)算基本步驟（續(xù),a,4,11)計(jì)算管程和殼程的對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，計(jì)算得到總傳熱系數(shù)K，比較 初設(shè)值K與計(jì)算值K，若KK1.151.25，則初選或初步設(shè)計(jì)的換熱器合適； 如果不滿足上述要求，用計(jì)算值代替初設(shè)值，從步驟(6)起，重復(fù)以上計(jì)算，直到滿足要求為止。 上

2、述步驟為一般原則，設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，可視具體情況靈活變動(dòng),一、設(shè)計(jì)計(jì)算基本步驟（續(xù),a,5,二、操作條件的確定,1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇 在列管式換熱器中，哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程，一般可從下列幾方面考慮： (1)不潔凈的或易結(jié)垢的流體走易于清洗的一側(cè)；對(duì)于固定管板式換熱器一般走管程；U形管換熱器，一般走殼程。 (2)粘性大的或流量小的流體，宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，一般在雷諾數(shù)(Rel00)以下，即可達(dá)到湍流，有利于提高傳熱系數(shù),a,6,二、操作條件的確定,1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇（續(xù)） (3)有腐蝕性的流體應(yīng)走管程，這樣，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蝕的

3、材料，而殼體及管外空間的其他零件都可以使用比較便宜的材料。 (4)壓力高的流體走管程，因?yàn)楣茏又睆叫。惺軌毫Φ哪芰?，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。 (5)有毒的流體走管程，減少泄漏的機(jī)會(huì)。 (6)飽和蒸汽一般走殼程，便于冷凝液的排出 (7)被冷卻的流體走殼程，便于散熱,a,7,二、操作條件的確定,1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇（續(xù)） (8)對(duì)于固定管板式換熱器，若兩流體的溫差較大，對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管程，這樣可以降低管壁與殼壁的溫差，減少熱應(yīng)力。 以上原則，在實(shí)際中不可能同時(shí)兼顧，對(duì)具體情況仔細(xì)分析，抓住主要方面。 例如首先從流體的壓力、腐蝕性以及情況等方面考慮，然后再對(duì)壓力降和傳熱

4、系數(shù)等方面要求進(jìn)行校核，以便作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇,a,8,二、操作條件的確定,2、流速的選擇 換熱器內(nèi)流速的大小必須通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算進(jìn)行選擇。 因?yàn)榱魉僭黾樱瑐鳠嵯禂?shù)增大，同時(shí)亦減少了污垢在管子表面沉積的可能性，降低了垢層阻力，從而使總傳熱系數(shù)提高，所需傳熱面積減少，設(shè)備投資費(fèi)減少。 但隨著流速的增加，流動(dòng)阻力也相應(yīng)增加，動(dòng)力消耗增大，使操作費(fèi)用增加。 因此，選擇適宜的流速是十分重要的。表1和表2列出了一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考,a,9,二、操作條件的確定,2、流速的選擇（續(xù)） 對(duì)低粘度流體，一般盡可能使Rel0000；對(duì)高粘件流體常按滯流設(shè)計(jì),a,10,二、操作條件的確定,2、流速的選擇（續(xù)） 流

5、體在換熱據(jù)中合理的流速也可通過(guò)允許壓力降來(lái)決定。 在一般的情況下，由操作壓力決定一合理的壓力降，然后通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)的流速。合理壓力降的規(guī)定可參考表3,a,11,二、操作條件的確定,a,12,二、操作條件的確定,3、載熱體的選擇（續(xù)） 在選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)原則： (1)載熱體能滿足工藝上的要求達(dá)到的加熱(冷卻)溫度 (2)載熱體的溫度易于調(diào)節(jié)； (3)載熱體的飽和蒸汽壓小，加熱過(guò)程不會(huì)分解； (4)載熱體的毒性小對(duì)設(shè)備的腐蝕性小； (5)載熱體不易爆炸； (6)載熱體的價(jià)格低廉，來(lái)源充分,a,13,二、操作條件的確定,3、載熱體的選擇（續(xù)） 工業(yè)上常用的載熱體及其適用場(chǎng)合列于表3，供選用時(shí)參

6、考,a,14,二、操作條件的確定,a,15,二、操作條件的確定,a,16,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定 另外在決定換熱終溫時(shí)，一般不希望冷流體的出口溫度高于熱流體的出口溫度，否則會(huì)出現(xiàn)反傳熱現(xiàn)象，當(dāng)遇到達(dá)種情況時(shí)，可采用幾個(gè)換熱器串聯(lián)的方法解決。 為了合理地規(guī)定換熱終溫，可參考下述數(shù)據(jù),a,17,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定（續(xù)） (1)熱端的溫差20。 (2)冷端的溫差分三種情況考慮： 兩種工藝流體換熱時(shí)，在一般情況下，冷端溫差20； 兩種工藝流體換熱時(shí)，若熱流體尚需進(jìn)一步加熱，則冷端溫差15； 采用水或其他冷卻劑冷卻時(shí)，冷端溫差5,a,18,二、操作條件的確定,4、換熱

7、終溫的確定（續(xù)） 如果超出上述數(shù)據(jù)，應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)決定換熱終溫。 (3)冷卻水的出口溫度不宜太高，否則會(huì)加快水垢的生成。 對(duì)于經(jīng)過(guò)良好凈化的新鮮水，出口溫度可達(dá)到45或稍高一些； 對(duì)于凈化較差的冷卻水，出口溫度建議不要超過(guò)40,a,19,三、傳熱計(jì)算基本方程,1、傳熱速率方程 在穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)總傳熱系數(shù)隨溫度變化不大時(shí) Q=KAtm 式中 Q熱負(fù)荷，W； K總傳熱系數(shù)，W(m2K)； A與K對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)傳熱面積，m2 tm有效平均溫差，K,a,20,三、傳熱計(jì)算基本方程,2、熱負(fù)荷 無(wú)相變時(shí) Q= WhCph(T1 -T2)=WcCpc(t1- t2) 式中 Wh熱流體的流量，kgs； Wc冷

8、流體的流量，kgs； T1、T2熱流體的進(jìn)出口溫度，K或； t1、t2冷流體的進(jìn)出口溫度，K或; Cph、Cpc熱、冷流體的換熱系數(shù),a,21,三、傳熱計(jì)算基本方程,2、熱負(fù)荷（續(xù)） 有相變時(shí) Q= Wr 式中 W熱或冷流體的流量，kg/s r冷凝或蒸發(fā)潛熱，J/kg,a,22,三、傳熱計(jì)算基本方程,3、有效平均溫差 在無(wú)相變的純粹逆流或并流換熱器中，或一側(cè)為恒溫的其他流向的換熱器中，其有效平均溫差采用對(duì)數(shù)平均溫差,a,23,三、傳熱計(jì)算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)） 當(dāng) 時(shí)，可采用算術(shù)平均溫差,在其他流向的換熱器中，當(dāng)無(wú)相變時(shí)，有效平均溫差為,a,24,三、傳熱計(jì)算基本方程,3、有效平均溫

9、差（續(xù)） 各種流動(dòng)情況x下的校正系數(shù)可根據(jù)R和P兩個(gè)參數(shù)查圖得到，也可以用數(shù)學(xué)解析法計(jì)算得到,a,25,三、傳熱計(jì)算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)） 對(duì)應(yīng)m殼程，2mn管程(ml，2，3)換熱器的溫差校正系數(shù)為 當(dāng)R1時(shí),其中,a,26,三、傳熱計(jì)算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)） 當(dāng)R=1時(shí),其中,a,27,三、傳熱計(jì)算基本方程,4、總傳熱系數(shù) 基本條件(設(shè)備型號(hào)、雷諾數(shù)、流體物性等)相同時(shí)，總傳熱系數(shù)可直接采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，否則應(yīng)用傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并選擇合適的熱阻值計(jì)算得到總傳熱系數(shù)。 （1）總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值 總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表4，有關(guān)手冊(cè)中也列有其他情況下的總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，可供設(shè)

10、計(jì)時(shí)參考。 選擇時(shí)，除要考慮流體物性和操作條件外，還應(yīng)考慮換熱器的類(lèi)型,a,28,三、傳熱計(jì)算基本方程,a,29,三、傳熱計(jì)算基本方程,2、總傳熱系數(shù)的計(jì)算 注意： 在通常的操作過(guò)程中，傳熱系數(shù)是個(gè)變量，由于污垢熱阻是變化的，因此設(shè)計(jì)中選擇污垢熱阻時(shí)，應(yīng)結(jié)合清洗周期來(lái)考慮。 若污垢熱阻選得太小，清洗周期會(huì)很短，所需傳熱 面積會(huì)較?。?反之，所需傳熱面積會(huì)較大，所以應(yīng)該全面衡量，作出選擇,a,30,三、傳熱計(jì)算基本方程,2、總傳熱系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） 總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為,式中 K總傳熱系數(shù)，W(m2K)； i、 0分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W(m2K,a,31,三、傳熱計(jì)算基本方程,2、

11、總傳熱系數(shù)的計(jì)算（續(xù),Ri、R0分別為管程和殼程的污垢熱阻，KW； A、A0、Am分別為管程、殼程及管殼平均的傳 熱面積，m2； A任一選定的作為計(jì)算K值的基準(zhǔn)傳熱面積，m2； m管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W(mK)； b管壁的厚度，m,a,32,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算 傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式與傳熱過(guò)程是否存在相變、換熱器的結(jié)構(gòu)及流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)； 關(guān)于傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式很多，在選用時(shí)應(yīng)注意其適用的范圍，對(duì)傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式在此不作詳細(xì)的介紹，只列出常用的無(wú)相變的傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián) 其他形式的傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式可參考相關(guān)文獻(xiàn),a,33,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） （1）

12、管程傳熱膜系數(shù) 1)層流流動(dòng)區(qū)域 當(dāng)雷諾數(shù)Re2300，普朗特?cái)?shù)Pr0.66700，Re/Pr d/L100時(shí)，傳熱膜系數(shù)為,a,34,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） 式中 傳熱膜系數(shù)，W(m2K)； 流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W(mK) d管內(nèi)徑，m； u管內(nèi)流速，ms； 流體的密度，kgm3； 流體的粘度，Pas； L管子的長(zhǎng)度，m； w壁溫下流體的粘度，Pas,a,35,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） 定性溫度：除 w取壁溫外，其余均取流體進(jìn)出口的算術(shù)平均溫度。 2)湍流流動(dòng)區(qū)域 對(duì)于低粘度流體(小于水的粘度的兩倍)，當(dāng)Re10000，Pr= 0.7120，d/

13、L60時(shí),式中流體被加熱時(shí)，n0.4；流體被冷卻時(shí)n0.3,a,36,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） 當(dāng)d/L60時(shí)，必須考慮進(jìn)口效應(yīng)，可用下式進(jìn)行校正,a,37,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） 3)高粘度液體 當(dāng)Re10000，Pr= 0.716700，d/L60時(shí),式中 (/w)0.14考慮熱流方向的校正項(xiàng) 液體被加熱時(shí)， (/w)0.14 1.05； 液體被冷卻時(shí)， (/w)0.14 0.95； 對(duì)于氣體，不論是加熱還是冷卻， (/w)0.14 1,a,38,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） 4)過(guò)渡流區(qū)域 當(dāng)Re 230010000,

14、式中 過(guò)渡流區(qū)域管程傳熱膜系數(shù)； 由前面式求得,a,39,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(shù) 當(dāng)換熱器內(nèi)無(wú)擋板時(shí)，殼程流體可按平行管束流動(dòng)考慮，仍可用上述管程傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，需將式中管內(nèi)徑用殼程管子當(dāng)量直徑de代替即可,a,40,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù)) 當(dāng)換熱器內(nèi)有擋板時(shí)，對(duì)于弓形擋板，當(dāng)Re=320000時(shí),當(dāng)Re=10060000時(shí),a,41,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù)) 式中 u0基準(zhǔn)流道截面Sm計(jì)算的流速 Sm的計(jì)算式為,a,42,三、傳熱

15、計(jì)算基本方程,a,43,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù)) R殼體半徑，m； b弦長(zhǎng)，b2Rsin(/2)，m； hd弓高， hd 2Rsin2(/2) ,m； 圓心角，rad。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使sls2，以減少阻力損失,a,44,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù)) 對(duì)于圓盤(pán)圓環(huán)形擋板，當(dāng)Re320000時(shí),此時(shí),a,45,三、傳熱計(jì)算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計(jì)算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù),a,46,三、傳熱計(jì)算基本方程,6、傳熱污垢熱阻的確定 積存在傳熱表面的污垢，對(duì)傳熱會(huì)產(chǎn)生附加的熱阻，在估算總傳熱

16、系數(shù)時(shí)，一般不能忽略。 通常選用經(jīng)驗(yàn)值(見(jiàn)表5)作為計(jì)算依據(jù),a,47,四、流體流動(dòng)阻力(壓力降)的計(jì)算,1、管程流體阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。 對(duì)于多程換熱器，其總阻力pi等于各程直管 阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。 一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)，故有,a,48,四、流體流動(dòng)阻力(壓力降)的計(jì)算,1、管程流體阻力（續(xù)） 式中 p1 、 p2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降， Ft結(jié)垢校正系數(shù)，無(wú)因次，對(duì)于25mm25mm管子 取為14；對(duì)于 19mm2mm管子，取為15 Np管程數(shù)； Ns殼程數(shù)； 摩擦阻力系數(shù)，無(wú)因次 流體的密度，kgm3,a,49,四、流體流動(dòng)阻力(壓力降)的計(jì)算,2、殼程流體阻力 當(dāng)殼程無(wú)擋板時(shí)，流體順著管束流動(dòng)，此時(shí)殼程流體阻力可按直管阻力的方法計(jì)算，但應(yīng)以當(dāng)量直徑代替圓管內(nèi)徑。 當(dāng)殼程有擋板時(shí)，總的殼程流體阻力由流體垂直流經(jīng)管束的阻力、經(jīng)過(guò)擋板缺口轉(zhuǎn)向阻力和殼程出入口的阻力加和而得,a,50,四、流體流動(dòng)阻力(壓力降)的計(jì)算,2、殼程流體阻力（續(xù),a,51,四、流體流動(dòng)阻力(壓力降)的計(jì)算,2、殼程流體阻力