熱交換器原理與設(shè)計管殼式熱交換器設(shè)計解析PPT課件

1、1管程與管束中流體相通的空間殼程換熱管外面流體及相通空間（ a) BEM立 式 固 定 管 板 式 換 熱 器二、結(jié)構(gòu)設(shè)計二、結(jié)構(gòu)設(shè)計第1頁/共73頁21.1.管程結(jié)構(gòu) (1)管束分程( (分程隔板):):條件: :當(dāng)換熱器所需換熱面，而管子又不能太長時， 就要管數(shù)n (v ) n (v ) 為使管內(nèi)vv提高傳熱效果需分程 管程數(shù): : 一般有1 1，2 2，4 4，6 6，8 8，1010，1212等七種, , 最簡單、 最常用的是單管程。隔板布置方式平行布置法 T T形布置法分程的要求: :a.避免流體溫差較大的兩部分管束緊鄰b.程與程之間溫差不宜過大, , 不超過2828c.應(yīng)盡可能使各

2、管程的換熱管數(shù)大致相同d.分程隔板槽形狀簡單, , 密封面長度較短第2頁/共73頁3隔板(a)(b)隔板箱蓋（ 2）（ 1）(c)隔 板箱 蓋管 板(d)隔 板 (a) （b） (c) (d) 圖圖 6-17 管管 箱箱 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 形形 式式 第3頁/共73頁4管束分程布置圖管束分程布置圖圖序管箱隔板介質(zhì)返回側(cè)隔板管程數(shù)流動順序214612123414231432213546146325bacdefg流向流向第4頁/共73頁5分程隔板與管板的連接形式:隔板密封面通常10mm;對臥式換熱器: :設(shè)置6mm6mm的排液孔, , 其位置按具體情況而定第5頁/共73頁6殼體折流板折流桿防短路結(jié)構(gòu)殼程

3、分程2.殼程結(jié)構(gòu) 殼體接管焊在殼體上，供殼程流體進、出。防沖擋板作用: :減小流體的不均勻分布和對管束的侵蝕和震動， 在殼程進口接管處設(shè)置防沖擋板. .固定形式焊接在拉桿、定距管、折流板上焊接在圓筒上用U U型螺栓固定在換熱管上第6頁/共73頁7第7頁/共73頁8設(shè)置條件: :a.當(dāng)殼程進口管流體的vv2 2值為下列數(shù)值時， 應(yīng)在殼程進口管處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍?(i)非腐蝕, , 非磨蝕性單相流體v22230kg/(m.s2) (ii)其他液體，包括沸點下液體v2740kg/(m.s2) b.有腐蝕或有磨蝕的氣體、蒸汽及汽液混合物， 應(yīng)設(shè)置防沖板導(dǎo)流筒作用:a.:a.充分利用換熱面積, , 減

4、小殼程進出口處死區(qū) b.b.也起防沖作用 c.c.減少殼程進出口處壓降( (外導(dǎo)流結(jié)構(gòu)) )條件: : 當(dāng)殼程進出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大時， 應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流筒分類：內(nèi)導(dǎo)流筒和外導(dǎo)流筒兩種。第8頁/共73頁9第9頁/共73頁10第10頁/共73頁11作用: :a.提高殼程流體流速，增加湍動程度；使殼程流 體垂直沖刷管束，提高殼程傳熱系數(shù)；b.b.減少結(jié)垢。c.c.支承管束折流板、支持板折流板結(jié)構(gòu)形式弓形圓盤- -圓環(huán)形堰形折流板第11頁/共73頁12過程設(shè)備設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計(b)雙弓形水平豎直轉(zhuǎn)角（a） 單弓形（C）三弓形（d）四弓形(b)雙弓形水平豎直轉(zhuǎn)角（a） 單弓形（C）三弓形（d）

5、四弓形(a)單弓形單弓形(d)圓盤圓盤-圓環(huán)形圓環(huán)形(c)三弓形三弓形(b)雙弓形雙弓形弓形缺口高度h h應(yīng)使流體流過缺口時與橫向流過管束時的流速相近缺口大小用弓形弦高占?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來表示，如單弓形折流板，h=(0.20h=(0.200.45)D0.45)Di i，最常用0.25D0.25Di i。第12頁/共73頁13第13頁/共73頁14圓盤- -圓環(huán)形折流板第14頁/共73頁15圖2-22 2-22 單弓形折流擋板圖2-24 2-24 圓盤圓環(huán)形折流擋第15頁/共73頁16第16頁/共73頁17布置原則: a.: a.一般應(yīng)按等間距布置 b.b.管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進出口

6、接管 折流板缺口布置原則: a.殼程為單相清潔流體時，折流板缺口 ( (臥式） 應(yīng)水平上下布置。 若氣體中含有少量液體, , 應(yīng)在缺口朝上的 折流板最低處開設(shè)通液口; 若液體中含有少量氣體，應(yīng)在缺口朝下 的折流板最高處開通氣口; ; b.殼程介質(zhì)為氣液共存或液體中含有固體 顆粒時，折流板應(yīng)垂直左右布置，并在 折流板最低處開通液口; ;c.間距：L Lminmin不小于0.20.2管內(nèi)徑DiDi，且不小于50mm50mm； L Lmaxmax不大于DiDi；第17頁/共73頁18過程設(shè)備設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計殼程為單相清潔液體時，折流板缺口上下布置折流板缺口布置折流板缺口布置(a)(b)第18頁/共7

7、3頁19過程設(shè)備設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計臥式換熱器的殼程介質(zhì)為氣液相共存或液體中含有固體顆粒時，折流板缺口應(yīng)垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口通液口通液口折流板缺口布置折流板缺口布置(c)第19頁/共73頁20折流板上管孔與換熱管折流板與殼體內(nèi)壁之間（a) BEM立式固定管板式換熱器過大泄露嚴(yán)重, ,不利傳熱; ; 易引起振動。過小安裝困難。間隙折流板的排列方式：第20頁/共73頁21缺口左右方交錯排列。臥式熱交換器中的排列方式缺口上下方交錯排列第21頁/共73頁22折流板的安裝折流板的安裝d14mm時時第22頁/共73頁23 折流板的固定 折流板的固定是通過拉桿和定距管來實現(xiàn)的。 拉桿結(jié)構(gòu) 第2

8、3頁/共73頁24第24頁/共73頁25支持板設(shè)置條件: : 當(dāng)換熱器在工藝上無須設(shè)置折流板， 但管子又比較長，超過最大無支撐跨距時， 需設(shè)置一定數(shù)量的支持板，按照折流板處理. .作用: a. : a. 減小跨距防振 b.b.支承管子增加管子剛度，防止管子產(chǎn)生過大撓度形狀尺寸: : 同折流板 最大無支撐跨距: :換熱管外徑10121416192532384557 最大無支撐跨距鋼管-11001300150018502200250027503200有色金屬管7508509501100130016001900220024002800第25頁/共73頁26過程設(shè)備設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計A A、換熱管外徑1

9、4mm14mm時點焊結(jié)構(gòu)B、換熱管外徑 14mm14mm時拉桿- -定距管結(jié)構(gòu)dndnd+1d點焊dndnd+1d點焊dndn折流板、支持板固定方式：第26頁/共73頁27拉桿數(shù)量: : 與拉桿直徑，殼體DNDN有關(guān)拉桿布置: :盡量布置在管束的外邊緣，對于大直徑的 換熱器，在布管區(qū)內(nèi)或靠近折流板缺口處 應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿折流桿123針對傳統(tǒng)折流板: : 有傳熱死區(qū), , 流體阻力, , 易產(chǎn)生管振動等缺點開發(fā) 新型折流桿結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):1 1支撐桿2 2折流桿3 3滑軌第27頁/共73頁28第28頁/共73頁29優(yōu)點: a.傳熱量相同下，pp比弓形折流板降低50%50%； b.沒有傳熱死區(qū) c.

10、結(jié)垢速度快； d.管束不易振動( (殼程流體流向由橫流變?yōu)檩S流) )(4)防短路結(jié)構(gòu)目的: : 防止殼程流體，在某些區(qū)域短路使傳熱效率增加結(jié)構(gòu)： 旁路擋板 圖擋管 圖中間擋板 圖第29頁/共73頁30折流板旁路擋板旁路擋板旁路擋板折流板折流板旁路擋板為了防止殼程邊緣介質(zhì)短路第30頁/共73頁31擋管擋板擋管擋管擋擋管管擋管結(jié)構(gòu)防止管間短路；分程隔板槽背面兩管板之間設(shè)置兩端堵死的管子，即擋管；擋管一般與換熱管規(guī)格相同，可與折流板點焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。擋管每隔3 34 4排換熱管設(shè)置一根，但不設(shè)置在折流板缺口處第31頁/共73頁32中間擋板中間擋板U U形管束中心部分存

11、在較大間隙 ，防止管間短路；中間擋板一般與折流板點焊固定；殼體DN500mmDN500mm時設(shè)置1 1塊擋板500DN1000mm時時設(shè)置2 2塊擋板DN1000mm時時設(shè)置不少于3 3塊擋板第32頁/共73頁33(5)殼程分程( (縱向隔板) )目的: a.: a.滿足工藝設(shè)計要求 b.b.增大殼程流體傳熱系數(shù)型式: E: E型、F F型、G G型、H H型保證隔板與殼體間密封防介質(zhì)短路縱向隔板與殼體的連接形式: : 焊接將隔板與殼體內(nèi)壁焊接 可拆有密封元件殼程分程較管程分程困難，所以一般殼程2 2注: : 折流板僅改變流向而不是分程第33頁/共73頁34殼程分程殼程分程對分流雙分流雙分流第

12、34頁/共73頁35第二節(jié) 管殼式熱交換器的結(jié)構(gòu)計算任務(wù):確定設(shè)備的主要尺寸內(nèi)容 :管程流通截面積確定殼體直徑殼程流通截面積進出口連接管尺寸一、管程流通截面積的計算單管程熱交換器的管程流通截面積為：第35頁/共73頁36ttttwMA/式中：At為管程流通截面積，m2；Mt為管程流體的質(zhì)量流量，Kg/s；t為管程流體的密度，Kg/m3；Wt為管程流體的流速，m/s；需管數(shù)n21td/4An式中：d1管子內(nèi)徑，m；第36頁/共73頁37每根管子的長度L為dn/FL式中：F熱計算所需要的傳熱面m2；d管子的計算直徑，m計算直徑的選取方法： 一般情況下，管子的計算直徑取換熱系數(shù)小的那一側(cè)的，只有在兩

13、側(cè)的換熱系數(shù)相近時才取平均直徑作為計算直徑。第37頁/共73頁38換熱管的長度與殼體直徑的比值在425之間；一般為610，對于立式熱交換器而言比值為46。若算得的管長過長，則應(yīng)該做成多程的熱交換器。換熱管長度取值：管程數(shù)Zt為：lL/Zt式中：l所確定的管子的長度mL管程總長，m；第38頁/共73頁39管子的總根數(shù)ttnZn n每程管數(shù)式中：流程數(shù)的選?。哼^多隔板在管板上占去過多的面積，管板排管數(shù)降低增加流體穿過隔板墊片短路的機會增加流體的轉(zhuǎn)彎次數(shù)及流動阻力流程數(shù)適中第39頁/共73頁40程數(shù)宜取偶數(shù)，以使流體的進、出口連接管做在同一封頭管箱上，便于制造。二、殼體直徑的確定內(nèi)徑方法作圖（可靠，

14、準(zhǔn)確）估算bsbDs21第40頁/共73頁41式中：b管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁距離，b（11.5）d0(d0為管外徑)。b 沿六邊形對角線上的管數(shù)。估算 當(dāng)管子按照等邊三角形排列時， ； 當(dāng)管子接正方形排列時tnb1 . 1tnb19. 1殼體的外徑強度鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定加以確定第41頁/共73頁42 公稱直徑小于或等于400mm400mm的熱交換器，可以采用無縫鋼管制作圓筒，卷制圓筒的公稱直徑以400mm400mm為基礎(chǔ)，以100mm100mm，為進級檔，必要的時候允許以50mm50mm為進級檔。三、殼程流通截面積的計算內(nèi)容：確定縱向隔板或折流板的數(shù)目與尺寸?？v向隔板ssssw

15、MA/式中：A AS S為殼程流通截面積，m m2 2；M Ms s殼程流體的質(zhì)量流量，Kg/sKg/s；s s殼程流體的密度，Kg/mKg/m3 3w ws s殼程流體的流速，m/sm/s；第42頁/共73頁43縱向隔板長度確定的基本原則：流體在縱向隔板轉(zhuǎn)彎時的流速各流程中順管束流動時速度。殼程流通截面積2024dnDZAtsss20224dnDAZtsss流程數(shù)第43頁/共73頁44弓形折流板缺口高度缺口處的流通截面積兩折流板間錯流的流通截面積缺口高度確定原則為避免流動速度變化引起壓降，流體在缺口處的流通截面積與流體在兩折流板間錯流的流通截面積接近。第44頁/共73頁45流體在缺口處的流通

16、截面積Abwtwgb缺口處管子所占面積A缺口總截面積AA第45頁/共73頁462sin212142sswgDhDActwtFndA1820缺口總截面積缺口處管子所占面積FC為錯流區(qū)內(nèi)管子數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)式中：LsLsLscDhDDhDDhDF2arccos22arccossin221h表示折流板缺口高度，m；Ds表示熱交換器殼體內(nèi)徑，m；式中：DL表示最大布管圓直徑，m第46頁/共73頁47折流板切口中心角，弧度；sDh21arccos2兩折流板間錯流的流通截面積AC正方形斜轉(zhuǎn)或直列排列時00dssdDDDlAnLLssc三角形排列時00dssdDDDlALLssc第47頁/共73頁48式中

17、：ls折流板間距；d0管子外徑；s管間距；sn與流向垂直的管間距。As，Ab，Ac之間的關(guān)系cbsAAA As為保證流速所需要的流通截面積 A Ab b流體在缺口處的流通截面積AC兩折流板間錯流的流通截面積第48頁/共73頁49（3）盤環(huán)形折流板環(huán)板圓孔處的流通面積a1盤板的流通面積a2環(huán)板的流通面積a3321aaa32aaAsnmsdhDa021a3盤周至圓筒內(nèi)壁截面減去該處管子所占面積Dm環(huán)內(nèi)徑D1和盤徑D2的算術(shù)平均值sn 與流向垂直的管間距第49頁/共73頁50第三節(jié) 管殼式熱交換器的傳熱計算一、傳熱系數(shù)的確定1、確定傳熱系數(shù)的主要方法：經(jīng)驗選用數(shù)據(jù)實驗測定通過計算熱阻AttttAQw

18、www2121間壁材料AR第50頁/共73頁51圓管iwwddttLQ021ln2AttAQ1流體與潔凈壁面LddRi2ln0AR1流體與結(jié)垢壁面定義: 熱交換器運行一段時間后，壁表面會形成一層污垢，引起附加熱阻。第51頁/共73頁52決定因素：污垢的導(dǎo)熱系數(shù)d及污垢的厚度污垢系數(shù)：rd=d/d污垢熱阻ArARddd傳熱量AArttQdw1傳熱公式mtKFQKtqm1KR12、圓管的傳熱系數(shù)確定第52頁/共73頁53以外表面積為基準(zhǔn)時：0110001ln211jjnjiiidddddK式中：0表示管外；i表示管內(nèi)；以內(nèi)表面為基準(zhǔn)時00111ln211dddddKijjnjjiii第53頁/共7

19、3頁54近似計算外表面00,00,00111smwwiisiirddddrddK內(nèi)表面0000 ,111ddddrddrKiismiwwisii（管壁比較薄）式中r rs,is,i管內(nèi)壁的污垢熱阻，m m2 2/W/W；r rs,os,o管外壁的污垢熱阻，m m2 2/W/W；w w管壁厚度，m m；w w管材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/mW/m；d dm m管子的平均直徑第54頁/共73頁55iimddddd00lniiK00或者金屬壁面的導(dǎo)熱熱阻流體的對流換熱熱阻對于新的熱交換器污垢熱阻可以忽略不計條件d0di非金屬材料不適用第55頁/共73頁56二、換熱系數(shù)的計算管內(nèi)外換熱系數(shù) 在試驗基礎(chǔ)上，把它的

20、變化規(guī)律用努謝爾準(zhǔn)則數(shù)（NuNu），或傳熱因子（j jh h）與雷諾數(shù)(Re)(Re)之間的關(guān)系用公式或線圖形式表示出來。努謝爾準(zhǔn)則數(shù)對流換熱強度lNu 第56頁/共73頁57雷諾準(zhǔn)則數(shù)流體的流動狀態(tài)wlRe 傳熱因子科恩傳熱因子14. 03/1/PrwhNuj柯爾本傳熱因子14. 03/214. 03/2/Pr/PrPrRe/wwHwcNuj第57頁/共73頁58關(guān)系ReHhjj殼側(cè)換熱計算無折流板 有折流板縱向流過管束當(dāng)量直徑管內(nèi)湍流求出按照孔式折流板盤環(huán)折流板弓形折流板第58頁/共73頁59孔式折流板Re=3210414. 0316 . 004 . 00000Pr32. 1wfffavf

21、GddsdsdG Gavav平均質(zhì)量流量，Kg/(mKg/(m2 2s)s)式中：asHsasHavGldlGGldG4240G G0 0管孔間隙中的質(zhì)量流速，Kg/(mKg/(m2 2s)s)G Ga a殼程流體順流管束的質(zhì)量流量，Kg/(mKg/(m2 2s)s)20204ddnMGHts第59頁/共73頁602024dnDMGtssaM Ms s殼程流體的質(zhì)量流量dH折流板上管孔直徑，m mls折流板間距，m m；盤環(huán)折流板Re=3210414. 03/16 . 06 . 000Pr08. 2wffmefGdd式中Gm為平均質(zhì)量流速，Kg/(mKg/(m2 2s)s)第60頁/共73頁6

22、1計算G Gm m所用的基準(zhǔn)面A As s32aaAs弓形折流板廷克殼側(cè)流體流動模型殼側(cè)流體分為錯流、漏流及旁流流路流路A:流路B流路C流路D流路E管子與折流板上的管孔之間存在間隙流路A折流板前后存在壓差泄漏管外壁的結(jié)垢第61頁/共73頁62流路在環(huán)形間隙內(nèi)有較高的換熱系數(shù)，主流速度低，對傳熱不利。特點流路B橫向流過管束特點對傳熱和阻力影響最大流路C管束最外層管子與殼體之間存在間隙而產(chǎn)生的旁路。通過設(shè)置旁路擋板，改善這個流路對傳熱的影響特點流路D折流板和殼體內(nèi)壁間存在一定間隙所形成的漏流。特點漏流溫度發(fā)生畸變第62頁/共73頁63流路E多管程，安置分程隔板而使殼程形成了不為管子所占據(jù)的通道，若

23、用來形成多管程的隔板設(shè)置在主橫向流的方向上它將會造成一股或多股旁路特點設(shè)置擋管貝爾法內(nèi)容：理想管束的傳熱因子校正錯流通過理想管束換器結(jié)構(gòu)參數(shù)操作條件第63頁/共73頁64第64頁/共73頁65結(jié)構(gòu)參數(shù)計算1 1、總管數(shù)n nt t; ;2 2、錯流區(qū)排管總數(shù)N NC CPsscsDhDN21D DS S熱交換器殼體內(nèi)徑s sP P管間距，m m式中圖中讀出圖中讀出估算3 3、兩折流板頂部錯流面積占總面積的百分?jǐn)?shù)F FC C第65頁/共73頁66ssssssWgcDhDDhDDhDRARF2arccos22arccossin221sin2224 4、錯流區(qū)內(nèi)管子數(shù)占總管數(shù)的百分?jǐn)?shù)F FC CLsLsLscDhDDhDDhDF2arccos22arccossin221式中h h表示折流板缺口高度，m m；D Ds s表示熱交換器殼體內(nèi)徑，m mD DL L表示最大布管圓直徑，m m；第66頁/共73頁675 5、每一缺口內(nèi)的有效錯流管排數(shù)N NCWCWPcWshN8 . 06 6、錯流面積中旁流面積所占分?jǐn)?shù)F FbPbPcsLsbPAlDDF若有E E路