热交换器原理与设计第2章管壳式热交换器课件

《热交换器原理与设计第2章管壳式热交换器课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热交换器原理与设计第2章管壳式热交换器课件（108页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、热交换器原理与设计第2章管壳式热交换器国家国家质质量技量技术监术监督局督局发发布：布：管壳式管壳式换热换热器器标标准准GB1511999（1999-02-26发发布布2000-01-01实实施）施）2.1.1类类型和型和标标准准2.1 管壳式热交换器的类型、标准与结构固定管板式：固定管板式：将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，将管子两端固定在位于壳体两端的固定管板上，管板与壳体固定在一起。管板与壳体固定在一起。优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。优点：结构简单，制造成本低，规格范围广，工程中应用广泛。缺点：壳侧不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏缺点：壳侧

2、不便清洗，只能采用化学方法清洗，检修困难，对较脏 或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时，或有腐蚀性介质不能走壳程。当壳体与换热管温差很大时，可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。可设置单波或多波膨胀节减小温差应力。管壳式换热器结构名称管壳式换热器结构名称单单程管壳式程管壳式换热换热器器1外壳，外壳，2管束，管束，3、4接管，接管，5封封头头6管板，管板，7折流板折流板管子两端固定在管板上，管束与管板再封装管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分在外壳内。两种流体分管程管程和和壳程。壳程。U U形管式：形管式：将换热管弯成将换热管弯成U形，管子两端固定在同一块形，管

3、子两端固定在同一块 管板上，弯曲端不加固定。管板上，弯曲端不加固定。换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。换热管可以自由伸缩，所以壳体与换热管无温差应力。只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧只有一块管板，结构较简单，管束可从壳体内抽出，壳侧便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。便于清洗，但管内清洗困难，管内介质必须清洁且不易结垢。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。壳程可设置纵向隔板，将壳程分为两程。浮头式：浮头式：一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。一端管板与壳体固定，另一端管板可以在壳体内自由浮动。优点：优点：1.壳体和管束热变形自由

4、，不产生热应力。壳体和管束热变形自由，不产生热应力。2.管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗。缺点：缺点：1.结构复杂，造价高。结构复杂，造价高。2.需增加内浮头及相关连接件以保证密封，如果内浮头连接需增加内浮头及相关连接件以保证密封，如果内浮头连接处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能。处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能。适用：适用：管壳间温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。管壳间温差大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。填料函式：填料函式：一端管板固定，另一端管板在填料函中滑动。一端管板固定，另一端管板在填料函中滑动。将浮头露在壳

5、体外面的浮头式换热器，将浮头露在壳体外面的浮头式换热器，又称外浮头式换热器。又称外浮头式换热器。填料密封处容易泄露，不宜用于易挥发、易燃、易爆、填料密封处容易泄露，不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压的流体有毒和高压的流体。且制造复杂，安置不便。且制造复杂，安置不便。主要部件的分类及代号主要部件的分类及代号主要部件的分类及代号主要部件的分类及代号(a)等等边边三角形法；三角形法；(b)同心同心圆圆法；法；(c)正方形法正方形法 图2.7 管子在管排上的排列2.1.2管子在管板上的固定与排列管子在管板上的固定与排列换热换热管外径管外径10 12 14 16 19 20 22 25 30 32

6、35 38 45 50 55 57换热换热管中心距管中心距s131416 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72分程隔板槽两分程隔板槽两侧侧相相邻邻管中心管中心距距lE28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80表表2.3换热换热管中心距管中心距mm浮头式：DL=Di 2(b1+b2+b)固定管板式、U型管式：DL=Di2b3b3=0.25d；且10mm布管限定圆管板与壳体的连接2.1.3管板管板换热换热管外径管外径d02525d05050管板最小管板最小厚度厚度min用于易燃易爆用于易燃易爆有毒介有

7、毒介质质等等严严格格场场合合 d0用于无害介用于无害介质质的一般的一般场场合合0.75d00.70d00.65d0表 2.4 管板最小厚度 mm程程数数24(平行平行)4(丁字形丁字形)6分分程程图图流口流口体端体端进进隔隔出板出板另另一一隔端隔端板板分程隔板分程隔板2.1.5纵纵向隔板、折流板和支持板向隔板、折流板和支持板为为提高流体流速和湍流程度，提高流体流速和湍流程度，强强化壳程流体化壳程流体传热传热，在壳程常装，在壳程常装设纵设纵向隔板或折流板。向隔板或折流板。折流板除使流体横折流板除使流体横过过管束流管束流动动外，外，还还有支撑有支撑管束、防止管束振管束、防止管束振动动和弯曲的作用。

8、和弯曲的作用。折流板常用形式有：弓形、折流板常用形式有：弓形、盘环盘环形形(或称或称圆圆盘盘圆环圆环形形)。弓形折流板有。弓形折流板有单单弓形、双弓形和三弓形三种。弓形、双弓形和三弓形三种。弓形弓形圆盘形圆盘形管板管板折流板折流板管板管板圆盘形折流板圆盘形折流板(b)缺口左右交替排列缺口左右交替排列图图2.17弓形折流板的排列弓形折流板的排列图图2.18缺口高度及板缺口高度及板间间距距对对流流动动的影响的影响(a)缺口高度缺口高度过过小，板小，板间间距距过过大大(c)缺口高度缺口高度过过大，板大，板间间距距过过小小换热换热管外径管外径1014192532384557最大无支持跨距最大无支持跨距

9、8001100 1500 1900 2200 2500 2800 3200表表2.5折流板最大折流板最大间间距距(b)正常正常(a)缺口上下交替排列缺口上下交替排列(a)(c)图图2.20折流板的安装和固定折流板的安装和固定2.1.6挡挡管和旁路管和旁路挡挡板板浮浮头头式式热热交交换换器中，由于安装浮器中，由于安装浮头头法法兰兰需要，需要，圆圆筒内有一筒内有一圈圈较较大没有排列管子的大没有排列管子的间间隙，使部分流体由此隙，使部分流体由此间间隙短路，使隙短路，使主流速度及主流速度及换热换热系数下降。而旁路流体未系数下降。而旁路流体未经换热经换热就达出口，就达出口，与主流混合必使流体出口温度达不

10、到与主流混合必使流体出口温度达不到预预期数期数值值。挡挡管和旁路管和旁路挡挡板就是板就是为为了防止流体短路而了防止流体短路而设设立的构件。立的构件。挡挡管是两端堵死的管子，安置在相管是两端堵死的管子，安置在相应应于分程隔板槽后面的于分程隔板槽后面的位置上，每根位置上，每根挡挡管占据一根管占据一根换热换热管的位置，但不穿管的位置，但不穿过过管板，管板，用点用点焊焊的方法固定于折流板上。通常每隔的方法固定于折流板上。通常每隔34排管子安排一排管子安排一根根挡挡管，但不管，但不应设应设置在折流板缺口置在折流板缺口处处，也可用，也可用带带定距管的拉定距管的拉杆来代替杆来代替挡挡管。管。旁路旁路挡挡板可

11、减小管束外板可减小管束外环间环间隙的短路，用它增加阻力，迫隙的短路，用它增加阻力，迫使大部分流体通使大部分流体通过过管束管束进进行行热热交交换换。其厚度一般与折流板厚。其厚度一般与折流板厚度相同，将它嵌入折流板槽内，并点度相同，将它嵌入折流板槽内，并点焊焊在每在每块块折流板上。折流板上。图图2.21旁路旁路挡挡板板图图2.22旁路旁路挡挡板和板和挡挡管管2.1.7防冲板和防冲板和导导流筒流筒当管程采用当管程采用轴轴向入口或向入口或换热换热管内流速超管内流速超过过3m/s，应设应设置置防冲板，以减少流体分布不均和防冲板，以减少流体分布不均和对换热对换热管端的冲管端的冲蚀蚀。防冲板防冲板结结构尺寸

12、构尺寸v防冲板外表面到壳体内壁的距离不小于接管内径的防冲板外表面到壳体内壁的距离不小于接管内径的1/4，其通道流通面，其通道流通面积须积须大于接管流通面大于接管流通面积积；v防冲板的直径或防冲板的直径或边长边长，应应大于接管外径大于接管外径50mm；v防冲板最小厚度：碳防冲板最小厚度：碳钢为钢为4.5mm，不，不锈钢为锈钢为3mm。防冲板固定形式防冲板固定形式v防冲板的两防冲板的两侧焊侧焊在定距管或接杆上，也可同在定距管或接杆上，也可同时焊时焊在在靠近管板的第一靠近管板的第一块块折流板上；折流板上；v防冲板防冲板焊焊在在圆圆筒上；筒上；v用用U形螺栓将防冲板固定在形螺栓将防冲板固定在换热换热管

13、上（不允管上（不允许许防冲板防冲板焊焊在在换热换热管上）。管上）。图图2.23防冲板的形式防冲板的形式a)内内导导流筒流筒b)外外导导流筒流筒图图2.24导导流筒的流筒的结结构构导导流筒流筒v在立式在立式换热换热器壳程中，器壳程中，为为使气、液介使气、液介质质更均匀地流入管更均匀地流入管间间，防止流体防止流体对进对进口口处处管束段的冲刷，而采用管束段的冲刷，而采用导导流筒流筒结结构。构。v导导流筒有内流筒有内导导流筒与外流筒与外导导流筒两种形式。内流筒两种形式。内导导流筒的流筒的结结构构简简单单、制造方便，但它占据壳程空、制造方便，但它占据壳程空间间，而使布管数相，而使布管数相应应减少。减少。

14、外外导导流筒是在流筒是在进进口口处处采用采用扩扩大大环环形通道，考形通道，考虑虑到到环环形通道形通道进进口口处处的的线线速度速度较较高，高，为为保保证证气体沿气体沿圆圆周方向均匀的周方向均匀的进进入，入，导导流筒流筒应应做成斜口形。做成斜口形。v1.内内导导流筒流筒导导流筒外表面到壳体流筒外表面到壳体圆圆筒内壁的距离宜不小于筒内壁的距离宜不小于接管外径的接管外径的1/3。导导流筒端部至管板的距离，流筒端部至管板的距离，应应使使该处该处的流通的流通面面积积不小于不小于导导流筒的流筒的处侧处侧流通面流通面积积。v2.外外导导流筒流筒内内衬衬筒表面到外筒表面到外导导流筒的内表面流筒的内表面间间距距为

15、为：接管外径接管外径d200mm时时，间间距不小于距不小于50mm；接管外径接管外径d200mm时时，间间距不小于距不小于75mm；立式外立式外导导流流换热换热器，器，应应在内在内衬衬筒下端开泪孔。筒下端开泪孔。拉杆的布置拉杆的布置v拉杆拉杆应应尽量均匀布置在管束的外尽量均匀布置在管束的外边缘边缘。对对大直径大直径换热换热器，在布管区内或靠近折流板缺口器，在布管区内或靠近折流板缺口处应处应布置适当数量布置适当数量的拉杆，任何折流板的拉杆，任何折流板应应不少于不少于3个支承点。个支承点。v拉杆布置拉杆布置应应根据折流板缺口位置及折流板缺口与壳程根据折流板缺口位置及折流板缺口与壳程进进出管的相出管

16、的相对对位置定。位置定。设计设计中注意事中注意事项项v设设置排气孔和排液孔，注意排气孔和排液孔与管板置排气孔和排液孔，注意排气孔和排液孔与管板连连接螺栓的位置，不要影响螺栓的拆卸；接螺栓的位置，不要影响螺栓的拆卸；v注意折流板缺口与注意折流板缺口与进进出管的相出管的相对对位置，缺口位置，缺口应应与与进进出出管垂直；管垂直；v注意管壳注意管壳层试验压层试验压力的确定；力的确定；v对对多管程，注意分程隔板的多管程，注意分程隔板的设设置与密封面的关系；置与密封面的关系；v注意考注意考虑虑防冲板和膨防冲板和膨胀节胀节的的设设置。置。2.2管壳式管壳式热热交交换换器的器的结结构构计计算算在在热热交交换换

17、器器设计设计中，完成中，完成传热计传热计算之后，算之后，接着就接着就应进应进行行结结构构计计算。算。结结构构计计算的任算的任务务在于确定在于确定设备设备的主要尺寸，的主要尺寸，对对于管壳式于管壳式热热交交换换器包括下列各器包括下列各项项：计计算管程流通截面算管程流通截面积积，包括确定管子尺寸、，包括确定管子尺寸、数目及程数，并数目及程数，并选择选择管子的排列方式；管子的排列方式；确定壳体直径；确定壳体直径；计计算壳程流通截面算壳程流通截面积积；计计算算进进出口出口连连接管尺寸。接管尺寸。2.2.1管程流通截面管程流通截面积积的的计计算算连续连续性方程，性方程，单单管程的流通截面管程的流通截面积

18、为积为：At=Mt/t wtm2(2.4)式中：式中：At管程流通截面管程流通截面积积，m2；Mt管程流体的管程流体的质质量流量，量流量，kg/s；t管程流体的密度，管程流体的密度，kg/m3；wt管程流体的流速，管程流体的流速，m/s。为为保保证证上述流量和流速，上述流量和流速，则则所需管数所需管数n 为为：n=4At/di2 (2.5)式中式中di管子内径，管子内径，m。满满足足传热传热面面积积F，每根管子的，每根管子的长长度度L 应为应为：L=F/(dn)m(2.6)式中式中d 为为管子的管子的计计算直径，算直径，m一般情况下，一般情况下，d 取取换热换热系数小的那一系数小的那一侧侧目前

19、所采用的目前所采用的换热换热管管“长长径比径比”，一般在，一般在425之之间间，通常，通常为为610。GB1511999推荐的推荐的换热换热管管长长度采用：度采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m等。等。管长过长时，就应做成多流程的热交换器管长过长时，就应做成多流程的热交换器。管子管子长长度度选为选为l 后，所需管程数后，所需管程数Zt就可确定：就可确定：Zt=L/l (2.7)总总管子根数管子根数为为：nt=n Zt(2.8)式中：式中：L管程管程总长总长，m；n每程管数。每程管数。确定流程数确定流程数时时，要考，要考虑虑程数程数过过多会使隔

20、板在管板上占多会使隔板在管板上占过过多的面多的面积积，使管板上排列的管数减少。程数多，使管板上排列的管数减少。程数多还还会会增加流体的增加流体的转转弯次数并增加流弯次数并增加流动动阻力。阻力。2.2.2壳体直径壳体直径DS=(b1)s+2bb 管束中心管束中心线线上最外上最外层层管中心至管中心至壳体内壁距离：壳体内壁距离：b=(11.5)do b 管沿六管沿六边边形形对对角角线线上的管数。上的管数。三角形排列三角形排列时时，b=1.1nt。正方形排列正方形排列时时，b=1.19nt。2.2.3壳程流通截面壳程流通截面积积的的计计算算1)纵纵向隔板向隔板 As=Ms/s ws As=/4Zs(D

21、s2 nt do2)2)折流板折流板Ab=缺口缺口处总处总截面截面积积Awg 缺口缺口处处管子所占面管子所占面积积AwtFc 为错为错流区内管子数占流区内管子数占总总管子数的百分数管子数的百分数h折流板缺口高度，折流板缺口高度，DL最大布管最大布管圆圆直径，直径，DS热热交交换换器壳体内径，器壳体内径，折流板切口中心角，弧度：折流板切口中心角，弧度：折流板折流板间错间错流面流面积积：当排列方式当排列方式为为正方形斜正方形斜转转或直列排列或直列排列时时：当排列方式为三角形排列时：当排列方式为三角形排列时：As,Ab,Ac之间满足以下关系：之间满足以下关系：图图2.25折流板的几何关系折流板的几何

22、关系2.2.4进进出口出口连连接管直径的接管直径的计计算算进出口连接管直径的计算进出口连接管直径的计算仍用连续性方程，仍用连续性方程，经简化后计算公式为经简化后计算公式为：2.3管壳式热交换器的传热计算1)选选用用经验经验数据：根据数据：根据经验经验或参考或参考资资料料选选用工用工艺艺条条件相仿、件相仿、设备类设备类型型类类似的似的传热传热系数作系数作为设计为设计依据。如依据。如附附录录A。2)实验测实验测定：定：实验测实验测定定传热传热系数比系数比较较可靠，不但可可靠，不但可为设计为设计提供依据，而且可以了解提供依据，而且可以了解设备设备的性能。但的性能。但实验实验数数值值一般只能在与使用条

23、件相同的情况下一般只能在与使用条件相同的情况下应应用。用。3)计计算：算：计计算得到的算得到的传热传热系数往往与系数往往与实际实际有出入，有出入，主要有主要有换热换热系数的公式不完全准确，系数的公式不完全准确，污污垢垢热热阻不易准阻不易准确估确估计计等原因。等原因。流体种流体种类类传热传热系数系数K W/(m2K)水水气体气体1260水水水水8001800水水煤油煤油350左右左右水水有机溶有机溶剂剂280850气体气体气体气体1235饱饱和水蒸气和水蒸气水水14004700饱饱和水蒸气和水蒸气气体气体30300饱饱和水蒸气和水蒸气油油60350饱饱和水蒸气和水蒸气沸沸腾腾油油290870传热

24、传热系数系数_经验数据经验数据v一个一个现实现实的、无法回避的的、无法回避的问题问题。v换热换热器的器的污垢污垢，通常是指含有多种，通常是指含有多种杂质杂质、污污物及化学成分的工物及化学成分的工艺艺流体或冷却水在流体或冷却水在换热换热表面上逐步沉表面上逐步沉积积形成的一形成的一层层固固态态物物质质。v水垢的水垢的导热热导热热阻大阻大约约是碳是碳钢钢的的4050倍，倍，是是铝铝材的材的160240倍。倍。v污垢形成机理十分复杂，垢阻具体数值污垢形成机理十分复杂，垢阻具体数值 无法作准确预测和计算，无法作准确预测和计算，可靠方法是实际测量。可靠方法是实际测量。换热器的污垢热阻流流体体种种类类污污垢

25、垢热热阻阻m2/W流体种流体种类类污污垢垢热热阻阻m2/W水水(u1m/s,t50)蒸气蒸气海水海水0.0001有机蒸汽有机蒸汽0.0002河水河水0.0006水蒸气水蒸气(不含油不含油)0.0001井水井水0.00058水蒸气水蒸气废废气气(含油含油)0.0002蒸蒸馏馏水水0.0001制冷制冷剂剂蒸汽蒸汽(含油含油)0.0004锅锅炉炉给给水水0.00026气体气体未未处处理的凉水塔用水理的凉水塔用水0.00058空气空气0.0003经处经处理的凉水塔用水理的凉水塔用水0.00026压缩压缩气体气体0.0004多泥沙的水多泥沙的水0.0006天然气天然气0.002盐盐水水0.0004焦炉气

26、焦炉气0.002污污垢垢热热阻阻经验经验数据数据_附附录录C、D、E以内表面为准时以外表面为准时_含污垢热阻以外表面为准时以内表面为准时_含污垢热阻2.3.1传热系数的确定2.3.2换热换热系数的系数的计计算算1)管内、外管内、外换热换热系数系数 Nu=l/Re=wl/v流流动动有有层层流和湍流之分：流和湍流之分：层层流：流：Re2200过过渡区：渡区：2200Re10000状状态态准准则则方程式方程式适用范适用范围围圆圆管管层层流流Re2200,0.48Pr167000.0044/w10湍湍流流流体被加流体被加热热：n=0.4；被冷却：；被冷却：n=0.3Re=1041.2*105,l/d6

27、0Pr=0.7120，光滑管，光滑管Re104,l/d60，Pr=0.716700过过渡渡流流气体气体2100Re104,0.6Pr1.50.5Tm/Tw1.5液体液体2200Re104,1.5Pr5000.05Pr/Prw0.6管内管内对对流流换热换热准准则则方程式方程式符号：符号：l 管道管道长长度，度，m；Tw璧面温度，璧面温度，Ktm流体平均温度，流体平均温度，；流体流体动动力粘度，力粘度，N.s/m2Tm流体平均温度，流体平均温度，K；w璧温下流体璧温下流体动动力粘度，力粘度，N.s/m2传热因子科恩传热因子(Kern)和柯尔本传热因子(Colburn)科恩传热因子：柯尔本传热因子：

28、二者间关系：二者间关系：jh=jH Re图图2.26管内管内换热时换热时jh与与Re的关系的关系 壳侧换热系数壳侧换热系数的计算，特别是在壳侧装有折壳侧换热系数的计算，特别是在壳侧装有折流板时，由于其中的流动并非典型的错流，流板时，由于其中的流动并非典型的错流，而且由于旁流和泄漏的存在、使流动的复杂而且由于旁流和泄漏的存在、使流动的复杂性大为增加。性大为增加。理想管束：管子与折流板上的管孔之间、壳管子与折流板上的管孔之间、壳体内壁与折流板的外缘之间、壳体内壁与管体内壁与折流板的外缘之间、壳体内壁与管束外缘之间均无间隙的换热管束。束外缘之间均无间隙的换热管束。贝贝尔尔法是假定全部壳程流体都以法是

29、假定全部壳程流体都以错错流形式通流形式通过过理想管束，理想管束，求得理想管束的求得理想管束的传热传热因子，然后根据因子，然后根据热热交交换换器器结结构参数构参数及操作条件的不同，引入各及操作条件的不同，引入各项项校正因子校正因子。(1)总总管数管数nt，从从图纸图纸上上读读出。出。(2)错错流区管排数流区管排数Nc，最好从最好从图纸图纸上上读读出，否出，否则则按下式估算：按下式估算：Nc=Ds(1 2h/Ds)/sp(2.34)sp 见图见图2.25(3)错错流区内管子数占流区内管子数占总总管数的百分数管数的百分数Fc见见式式(2.15)。(4)每一缺口内的有效每一缺口内的有效错错流管排数流管

30、排数NcwNcw=0.8h/sp(2.35)(5)错错流面流面积积中旁流面中旁流面积积所占分数所占分数FbpFbp=(Ds DL)ls/Ac(2.36)若有若有E流路存在流路存在时时，则则：Fbp=(Ds DL+NE lE/2)ls/Ac(2.37)式中式中NE管程隔板所占的通道数管程隔板所占的通道数(E流路数流路数)；lEE流道的流道的宽宽度。度。(6)一一块块折流板上管子和管孔之折流板上管子和管孔之间间的泄漏面的泄漏面积积AtbAtb=do tb(1+Fc)nt/2(2.38)式中式中tb=dH do，dH为为管孔直径。管孔直径。(7)折流板外折流板外缘缘与壳体内壁之与壳体内壁之间间的泄漏

31、面的泄漏面积积AsbAsb=Ds(DsDb)/2 arc cos(12h/Ds)(2.39)式中：式中：Db折流板直径。折流板直径。(8)流体通流体通过过缺口的流通面缺口的流通面积积Ab，见见式式(2.13)及及(2.14)，Ab 为该为该两式相减后的两式相减后的值值。(9)缺口的当量直径缺口的当量直径Dw(用于用于Re100的情况的情况)，这这个个值仅值仅在在层层流区内流区内(Re100)才需要。才需要。Dw=4Ab/nt(1+Fc)do/2+Ds(2.40)(10)折流板数目折流板数目Nb=l/ls 1(2.41)若若进进出口段板出口段板间间距不等于距不等于ls，则则Nb=(l ls,i

32、ls,o)/ls)+1(2.42)式中式中ls,i，ls,o分分别为进别为进出口段从折流板到管板的距离。出口段从折流板到管板的距离。在明确在明确结结构参数后，构参数后，贝贝尔尔法法计计算壳程算壳程换热换热系数系数过过程如下：程如下：(1)由由图图2.28查热查热交交换换器中心器中心线处线处，假定壳程流体全部，假定壳程流体全部错错流流流流过过管束，在此理想管束中管束，在此理想管束中纯错纯错流流时时的柯的柯尔尔本本传热传热因子因子jHjH=o/GscpPr2/3(/w)-0.14(2.43)式中式中Gs壳程流体壳程流体质质量流速，量流速，kg/(m2s)；以流体平均温度以流体平均温度为为定性温度的

33、黏度，定性温度的黏度，Pas；w以壁温以壁温为为定性温度的黏度，定性温度的黏度，Pas；cp流体比流体比热热，J/(kg)。图2.28 理想管束的传热因子(2)由由图图2.29查查折流板缺口的校正因子折流板缺口的校正因子jc，jc是是Fc的函数，的函数，对对于缺口于缺口处处不排管的不排管的结结构，构，jc=1。(3)由由图图2.30查查折流板泄漏影响校正因子折流板泄漏影响校正因子jl(A和和D流路流路)，它是它是Asb/(Asb+Atb)及及(Asb+Atb)/Ac的函数。的函数。(4)由由图图2.31查查取管束旁通影响的校正因子取管束旁通影响的校正因子jb，它是，它是Fbp和和Nss/Nc(

34、Nss为为每一每一错错流区内旁路流区内旁路挡挡板板对对数，数，Nc为错为错流区内管排数流区内管排数)的函数。的函数。(5)由下式由下式计计算当算当热热交交换换器器进进、出口段折流板、出口段折流板间间距距不等不等时时的校正因子的校正因子js(2.44)式中，当式中，当Re100时时，n=0.6；当当Re100时时，n=1/3。图图2.29折流板缺口校正因子折流板缺口校正因子jc图图2.30折流板泄漏校正因子折流板泄漏校正因子jl图图2.32低低Re时时逆温度梯度的校正因子逆温度梯度的校正因子jr*图图2.31旁通校正因子旁通校正因子 jb图图2.33中等中等Re时时逆温度梯度的校正因子逆温度梯度

35、的校正因子jr(6)当雷当雷诺诺数数较较低低时时(壳程壳程Re100)，将出，将出现现逆向逆向温度梯度，采用校正因子温度梯度，采用校正因子jr以考以考虑虑其影响。其影响。当当Re20时时，从，从图图2.32查查取取jrjr*。当当20Re100，从，从图图2.32查查jr*，再从，再从图图2.33查查jr(7)计计算壳程算壳程传热传热因子因子jojo=jH jc jl jb js jr (2.45)并按式并按式(2.43)算出壳程算出壳程换热换热系数系数o与换热系数有关的几个问题与换热系数有关的几个问题1)定性温度：定性温度：流体物性，如:、Pr 等，取决于温度。确定物性的温度即定性温度。a)

36、流体的平均温度：流体的平均温度：tf =(tf+tf)/2b)壁面温度：壁面温度：twc)流体和壁面的平均温度：流体和壁面的平均温度：tm=(tw+tf)/2卡路里温度 高粘度流体 热流体平均温度：tm1=t1+Fc(t1t1)冷流体平均温度：tm2=t2+Fc(t2t2)Fc 卡路里分数：壳侧流体被管侧的水冷却：Fc=0.3；壳侧流体被管程的水蒸汽加热：Fc=0.55；壳侧和管侧均为油：Fc=0.45；粘度10-3Pa.s以下低粘性液体：Fc=0.5。A流体流通截面积，流体流通截面积，m2U湿周边或热周边，湿周边或热周边，mU=2rr4a2(a+b)R=r/2r/2a/4ab/2(a+b)d

37、e=2r2ra2ab/(a+b)2)定型尺寸定型尺寸对对流流动动和和换热换热有有显显著影响的几何尺度著影响的几何尺度如：如：管内流管内流动换热动换热：取直径：取直径d流体在流通截面形状不流体在流通截面形状不规则规则的槽道中流的槽道中流动动：取当量直径取当量直径(de)作作为为定型尺寸。定型尺寸。通道形状通道形状de备备注注传热计传热计算算阻力阻力计计算算套管套管热热交交换换器器d2 d1d1内管外径内管外径d2外管内径外管内径板式板式热热交交换换器器2b2Lb/(L+b)L板有效板有效宽宽B板板间间距距螺旋板式螺旋板式热热交交换换器器2b2Hb/(H+b)H板有效板有效宽宽b通道通道间间距距当

38、量直径de 附录B3)黏度修正黏度修正在某些准在某些准则则方程式中方程式中，为为了考了考虑虑非定温流非定温流动动和和热热流方向流方向对换热对换热的影响的影响，常乘有常乘有(f /w)n，(Prf /Prw)m 因子的修正因子的修正项项，或准或准则则方程式中的方程式中的Pr项对项对加加热热和冷却采用不同的方次。和冷却采用不同的方次。此修正此修正项计项计算算，往往由于壁温未知而要用往往由于壁温未知而要用试试差法；差法；但也可取近似但也可取近似值值：液体被加液体被加热时热时，取取(/w)0.141.05液体被冷却液体被冷却时时，则则取取(/w)0.140.95对对气体气体，若也用若也用(/w)0.1

39、4因子来校正因子来校正，不不论论加加热热或冷却或冷却，均可取均可取(/w)0.14=1.02.3.3 壁温的计算放热侧壁温：tw1=t1 q1(1/1+rs,1)吸热侧壁温：tw2=t2+q2(1/2+rs,2)壁温和壁温和换热换热系数系数试试算算假定一假定一侧侧壁温（如壁温（如tw1）求求该侧换热该侧换热系数（系数（1）计计算算该侧单该侧单位面位面积传热积传热量：量：q1=1(t1 tw1)根据壁面根据壁面热热阻阻rw计计算另一算另一侧侧壁温（壁温（tw2）q1=(tw1 tw2)/rw tw2 求另一求另一侧换热侧换热系数（系数（2）计计算另一算另一侧单侧单位面位面积传热积传热量：量：q2

40、=2(tw2 t2)如假定正确：如假定正确：q1=q2热热流流体体冷冷流流体体t1t2tw1tw2q1q2计计算的算的项项目及公式目及公式单单位位壁温壁温tw1()909597.89100溶液溶液侧单侧单位位传热传热面的面的传热传热量量 q2=(tw1t2)/()=2966(tw168)W/m265253800848865594914凝凝结结液膜的平均温度液膜的平均温度t1=(ts+tw1)/2=(111.38+tw1)/2100.69103.19104.64 105.69蒸汽与壁面蒸汽与壁面间间温差温差tf=tstw121.3816.3813.4911.38蒸汽凝蒸汽凝结结的的换热换热系数系

41、数 1=69.8W/(m2)5808624165726873蒸汽蒸汽侧单侧单位位传热传热面的面的传热传热量量 q1=1(tstw1)W/m21241861022308865478214表表2.9例例题题2.1的的计计算表格算表格管壳式换热器允许的压降范围 2.4.1管程阻力管程阻力计计算算pt=pi+pr+pNpt管程管程总总阻力，阻力，Pa；pi沿程阻力，沿程阻力，Pa；pr回弯阻力，回弯阻力，Pa；pN进进、出口、出口连连接管阻力，接管阻力，Pa2.4 管壳式热交换器的流动阻力计算热热交交换换器的操作器的操作压压力力(Pa)允允许许的的压压降降(Pa)p105(表表压压)p2100时时：R

42、e2320时时，流，流动动呈紊流状呈紊流状态态，可分，可分为为三个区域：三个区域：1、水力光滑管区：可用可用布拉修斯公式布拉修斯公式计计算：算：2、过渡区：可用可用洛巴耶夫公式洛巴耶夫公式计计算：算：3、粗糙管区（阻力平方区）：取决于管壁的取决于管壁的相对粗糙度相对粗糙度，可用可用尼古拉兹公式尼古拉兹公式计算：计算：紊流流动PaZt管程数管程数进出口连接管阻力的计算式：总流动阻力为：Pa回弯阻力用下式计算：Pa顺顺列管束：列管束：ps=0.66Re-1/5 wmax2(/w)0.14NPa(2.58)错错列管束：列管束：ps=1.5Re-1/5 wmax2(/w)0.14NPa(2.59)式中

43、式中N流体横掠流体横掠过过的管排数目；的管排数目；wmax最窄流通截面最窄流通截面处处的流速，的流速，m/s。弓形折流板弓形折流板的壳程阻力，基于廷克流路分析基的壳程阻力，基于廷克流路分析基础础上上的的贝贝尔尔计计算法：算法：1)由由图图2.36查查取理想管束的摩擦系数取理想管束的摩擦系数fk。2)计计算每一理想算每一理想错错流段阻力流段阻力pbkpbk=4fk(Ms2 Nc)/(2Ac2)(/w)-0.14Pa(2.60)式中：式中：Ms壳程流体壳程流体质质量流量，量流量，kg/s。2.4.2 壳程阻力计算无无折折流流板板图图2.36理理想想管管排排摩摩擦擦系系数数图图2.37折流板泄漏折流

44、板泄漏对对阻力影响的校正系数阻力影响的校正系数图图2.38旁路旁路对对阻力影响的校正系数阻力影响的校正系数3)计计算每一理想缺口阻力算每一理想缺口阻力pwk当当Re100时时：pwk=M2s/(2Ab Ac)(2+0.6Ncw)Pa(2.61)当当Re100时时：Pa(2.62)4)折流板泄漏的校正系数折流板泄漏的校正系数Rl 可由可由图图2.37查查得。得。旁路校正系数旁路校正系数Rb可由可由图图2.38查查得。得。进进、出口段折流板、出口段折流板间间距不同的校正系数距不同的校正系数Rs：(2.63)当当Re100时时，n=1.6当当Rets，twts)。在。在该该区段区段蒸汽并不凝蒸汽并不

45、凝结结而只是被冷却而只是被冷却，传热传热属于属于单单相相对对流流热热交交换换，显热显热传递。传递。2)区段区段b：蒸汽温度高于蒸汽温度高于饱饱和温度和温度，而壁面温度已低于而壁面温度已低于饱饱和温度和温度(即即tts，twts仍存在仍存在显热显热传递传递，与壁面接触的蒸汽却与壁面接触的蒸汽却进进行行冷凝冷凝换热换热，潜潜热热传递传递。3)区段区段c：蒸汽温度等于蒸汽温度等于饱饱和温度和温度而壁面温度低于而壁面温度低于饱饱和温度和温度(即即t=ts，twts)。属于。属于单单一的一的冷凝冷凝换热换热。图图2.51互溶液体的蒸汽的冷凝互溶液体的蒸汽的冷凝过过程程液相液相线线或沸或沸腾腾等等压线压线

46、：一定：一定压压力，不同力，不同组组成的溶液开始沸成的溶液开始沸腾时腾时的温度的温度泡点泡点。气相气相线线或冷凝等或冷凝等压线压线：一定：一定压压力，不同力，不同组组成的气体开始冷凝成的气体开始冷凝时时的温度的温度露点露点。组组成成为为y1混合蒸汽，被冷却到混合蒸汽，被冷却到tv时时开始冷凝开始冷凝(H点点露点露点)，出，出现现冷凝的液体冷凝的液体N点点对应对应的的x1。由。由于于x1y1，其余蒸汽中的，其余蒸汽中的组组分含分含量增加，它必量增加，它必须须冷却到更低温度冷却到更低温度下才能冷凝。冷却到下才能冷凝。冷却到ti(E点点)，它，它的成分与前不同的成分与前不同,分分别为别为xi与与yi

47、(F点和点和G点点)。进进一步冷凝到一步冷凝到tc时时，混合物全部冷凝成液体混合物全部冷凝成液体(J点点泡点泡点)，x1=y1。对应对应的的最后一点最后一点蒸汽蒸汽为为yc。混合蒸汽的冷凝混合蒸汽的冷凝2.7.2管管壳壳式式蒸蒸发发器器的的工工作作特特点点图图2.52中心循中心循环环管式蒸管式蒸发发器器1加加热热管束；管束；2中央循中央循环环管；管；3汽液分离空汽液分离空间间；4加加热热室室卧式壳管式卧式壳管式冷凝器冷凝器液态制冷剂入口液态制冷剂入口制冷剂蒸气出口制冷剂蒸气出口传热管传热管外壳外壳液态制冷剂液态制冷剂满液式卧式壳管式蒸发器冷冻水冷冻水进口进口冷冻水冷冻水出口出口图图2.53滑滑

48、动动管板式浮管板式浮头热头热交交换换器器2.8高温、低温高温、低温热热交交换换器器综综述述图图2.54管端的防管端的防护结护结构构通常指工作温度通常指工作温度350以上，以上，压压力力10MPa以上。以上。温度超温度超过过10001500、压压力超力超过过2030MPa的的热热交交换换器器也也屡屡见见不不鲜鲜。2.8.1 高温高高温高压压管壳式管壳式热热交交换换器器2.8.2工工业业炉用高温炉用高温热热交交换换器器图图2.56整体式整体式热热交交换换器器结结构构图图2.55铸铁针铸铁针片管片管图图2.57环缝环缝式式辐辐射射热热交交换换器器图图2.58环缝环缝式式辐辐射射热热交交换换器的器的结结构系构系统统图图2.59圆栅圆栅管式管式辐辐射射热热交交换换器器图图2.60管式管式辐辐射射热热交交换换器和器和对对流流热热交交换换器的器的组组合装置合装置1管式管式辐辐射射热热交交换换器；器；2对对流流热热交交换换器器2.8.3低低温温热热交交换换器器图图2.64150m3/h制氧装置原理流程制氧装置原理流程图图图图2.66卵卵石石蓄蓄冷冷器器图图2.6550m3/h制氧制氧机的主机的主热热交交换换器器1,5补偿补偿接接头头；2上盖板；上盖板；3中心管；中心管；4下盖板下盖板