热交换器原理与设计第2章管壳式热交换器

《热交换器原理与设计第2章管壳式热交换器》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（108页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、2 管 壳 式 热 交 换 器 国 家 质 量 技 术 监 督 局 发 布 ： 管 壳 式 换 热 器 标 准 GB1511999（ 1999-02-26发 布 2000-01-01实 施 ）2.1.1类 型 和 标 准2.1 管 壳 式 热 交 换 器 的 类 型 、 标 准 与 结 构 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 ， 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 。缺 点 ： 壳 侧 不 便 清 洗 ， 只 能

2、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 ， 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 称单 程 管 壳 式 换 热 器1外 壳 ， 2管 束 ， 3、 4接 管 ， 5封 头6管 板 ， 7折 流 板 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 管 程 和 壳 程 。outBT ,side) (shell ,inBT side) (t

3、ube ,inAToutAT , U形 管 式 ： 将 换 热 管 弯 成 U形 ， 管 子 两 端 固 定 在 同 一 块 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 。 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 。 壳 程 可 设 置 纵 向 隔 板 ， 将 壳 程 分 为 两 程 。 浮 头 式 ： 一 端 管 板 与 壳 体 固 定 ，

4、 另 一 端 管 板 可 以 在 壳 体 内 自 由 浮 动 。优 点 ： 1.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 。缺 点 ： 1.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 接处 泄 漏 将 无 法 发 现 ， 所 以 应 严 格 保 证 其 密 封 性 能 。适 用 ： 管 壳 间 温 差 大 ， 壳 程 介 质 腐 蚀 性 强 、 易 结 垢 的 情 况 。 填 料 函 式 ： 一

5、 端 管 板 固 定 ， 另 一 端 管 板 在 填 料 函 中 滑 动 。 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 。 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 。 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 (a)等 边 三 角 形 法 ； (b)同 心 圆 法 ； (c)正 方 形 法 图 2.7 管 子 在 管 排 上 的 排 列2.1.2管 子 在 管 板

6、上 的 固 定 与 排 列 换 热 管 外 径 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57换 热 管 中 心 距 s 1314 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72分 程 隔 板 槽 两侧 相 邻 管 中 心距 lE 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80表 2.3 换 热 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

7、 限 定 圆 管 板 与 壳 体 的 连 接2.1.3管 板 换 热 管 外 径 d0 25 25 d0 50 50管 板 最 小厚 度 min 用 于 易 燃 易 爆有 毒 介 质 等 严格 场 合 d0用 于 无 害 介 质的 一 般 场 合 0.75d0 0.70d0 0.65d0表 2.4 管 板 最 小 厚 度 mm 程 数 2 4(平 行 ) 4(丁 字 形 ) 6分 程图 流 口体 端进 隔出 板另 一隔 端板 分 程 隔 板 2.1.5纵 向 隔 板 、 折 流 板 和 支 持 板 为 提 高 流 体 流 速 和 湍 流 程 度 ， 强 化 壳 程 流 体传 热 ， 在 壳 程

8、 常 装 设 纵 向 隔 板 或 折 流 板 。 折 流 板 除 使 流 体 横 过 管 束 流 动 外 ， 还 有 支 撑管 束 、 防 止 管 束 振 动 和 弯 曲 的 作 用 。 折 流 板 常 用 形 式 有 ： 弓 形 、 盘 环 形 (或 称 圆盘 圆 环 形 )。 弓 形 折 流 板 有单 弓 形 、 双 弓 形 和 三 弓 形 三 种 。 弓 形 圆 盘 形 管 板 折 流 板 单 壳 程 水 平 圆 缺 形 折 流 板 管 壳 式 换 热 器 流 体 在 壳 内 的 流 动单 壳 程 水 平 圆 缺 形 折 流 板 管 壳 式 换 热 器 流 体 在 壳 内 的 流 动 管

9、 板 圆 盘 形 折 流 板 单 壳 程 圆 盘 形 折 流 板 管 壳 式 换 热 器 流 体 在 壳 内 的 流 动单 壳 程 圆 盘 形 折 流 板 管 壳 式 换 热 器 流 体 在 壳 内 的 流 动 (b)缺 口 左 右 交 替 排 列图 2.17弓 形 折 流 板 的 排 列 图 2.18缺 口 高 度 及 板 间 距 对 流 动 的 影 响(a)缺 口 高 度 过 小 ， 板 间 距 过 大(c)缺 口 高 度 过 大 ， 板 间 距 过 小换 热 管 外 径 10 14 19 25 32 38 45 57最 大 无 支 持 跨 距 800 1100 1500 1900 220

10、0 2500 2800 3200表 2.5折 流 板 最 大 间 距(b)正 常(a)缺 口 上 下 交 替 排 列 (a) (c) 图 2.20折 流 板 的 安 装 和 固 定 2.1.6挡 管 和 旁 路 挡 板浮 头 式 热 交 换 器 中 ， 由 于 安 装 浮 头 法 兰 需 要 ， 圆 筒 内 有 一圈 较 大 没 有 排 列 管 子 的 间 隙 ， 使 部 分 流 体 由 此 间 隙 短 路 ， 使主 流 速 度 及 换 热 系 数 下 降 。 而 旁 路 流 体 未 经 换 热 就 达 出 口 ，与 主 流 混 合 必 使 流 体 出 口 温 度 达 不 到 预 期 数 值

11、。 挡 管 和 旁 路挡 板 就 是 为 了 防 止 流 体 短 路 而 设 立 的 构 件 。 挡 管 是 两 端 堵 死 的 管 子 ， 安 置 在 相 应 于 分 程 隔 板 槽 后 面 的位 置 上 ， 每 根 挡 管 占 据 一 根 换 热 管 的 位 置 ， 但 不 穿 过 管 板 ，用 点 焊 的 方 法 固 定 于 折 流 板 上 。 通 常 每 隔 3 4排 管 子 安 排 一根 挡 管 ， 但 不 应 设 置 在 折 流 板 缺 口 处 ， 也 可 用 带 定 距 管 的 拉杆 来 代 替 挡 管 。 旁 路 挡 板 可 减 小 管 束 外 环 间 隙 的 短 路 ， 用

12、它 增 加 阻 力 ， 迫使 大 部 分 流 体 通 过 管 束 进 行 热 交 换 。 其 厚 度 一 般 与 折 流 板 厚 度 相 同 ， 将 它 嵌 入 折 流 板 槽 内 ， 并 点 焊 在 每 块 折 流 板 上 。 图 2.21旁 路 挡 板图 2.22旁 路 挡 板 和 挡 管 2.1.7防 冲 板 和 导 流 筒当 管 程 采 用 轴 向 入 口 或 换 热 管 内 流 速 超 过 3m/s， 应 设 置防 冲 板 ， 以 减 少 流 体 分 布 不 均 和 对 换 热 管 端 的 冲 蚀 。 防 冲 板 结 构 尺 寸v 防 冲 板 外 表 面 到 壳 体 内 壁 的 距

13、离 不 小 于 接 管 内 径 的1/4， 其 通 道 流 通 面 积 须 大 于 接 管 流 通 面 积 ；v 防 冲 板 的 直 径 或 边 长 ， 应 大 于 接 管 外 径 50mm；v 防 冲 板 最 小 厚 度 ： 碳 钢 为 4.5mm， 不 锈 钢 为 3mm。 防 冲 板 固 定 形 式 v 防 冲 板 的 两 侧 焊 在 定 距 管 或 接 杆 上 ， 也 可 同 时 焊 在靠 近 管 板 的 第 一 块 折 流 板 上 ；v 防 冲 板 焊 在 圆 筒 上 ；v 用 U形 螺 栓 将 防 冲 板 固 定 在 换 热 管 上 （ 不 允 许 防 冲 板焊 在 换 热 管 上

14、 ） 。 图 2.23防 冲 板 的 形 式a)内 导 流 筒 b)外 导 流 筒图 2.24导 流 筒 的 结 构 导 流 筒v 在 立 式 换 热 器 壳 程 中 ， 为 使 气 、 液 介 质 更 均 匀 地 流 入 管 间 ，防 止 流 体 对 进 口 处 管 束 段 的 冲 刷 ， 而 采 用 导 流 筒 结 构 。v 导 流 筒 有 内 导 流 筒 与 外 导 流 筒 两 种 形 式 。 内 导 流 筒 的 结 构 简单 、 制 造 方 便 ， 但 它 占 据 壳 程 空 间 ， 而 使 布 管 数 相 应 减 少 。外 导 流 筒 是 在 进 口 处 采 用 扩 大 环 形 通

15、道 ， 考 虑 到 环 形 通 道 进口 处 的 线 速 度 较 高 ， 为 保 证 气 体 沿 圆 周 方 向 均 匀 的 进 入 ， 导流 筒 应 做 成 斜 口 形 。v 1.内 导 流 筒 导 流 筒 外 表 面 到 壳 体 圆 筒 内 壁 的 距 离 宜 不 小 于接 管 外 径 的 1/3。 导 流 筒 端 部 至 管 板 的 距 离 ， 应 使 该 处 的 流 通面 积 不 小 于 导 流 筒 的 处 侧 流 通 面 积 。 v 2.外 导 流 筒 内 衬 筒 表 面 到 外 导 流 筒 的 内 表 面 间 距 为 ：接 管 外 径 d200mm时 ， 间 距 不 小 于 50m

16、m；接 管 外 径 d 200mm时 ， 间 距 不 小 于 75mm；立 式 外 导 流 换 热 器 ， 应 在 内 衬 筒 下 端 开 泪 孔 。 拉 杆 的 布 置v 拉 杆 应 尽 量 均 匀 布 置 在 管 束 的 外 边 缘 。 对 大 直 径 换 热器 ， 在 布 管 区 内 或 靠 近 折 流 板 缺 口 处 应 布 置 适 当 数 量的 拉 杆 ， 任 何 折 流 板 应 不 少 于 3个 支 承 点 。v 拉 杆 布 置 应 根 据 折 流 板 缺 口 位 置 及 折 流 板 缺 口 与 壳 程进 出 管 的 相 对 位 置 定 。设 计 中 注 意 事 项v 设 置 排

17、气 孔 和 排 液 孔 ， 注 意 排 气 孔 和 排 液 孔 与 管 板 连接 螺 栓 的 位 置 ， 不 要 影 响 螺 栓 的 拆 卸 ；v 注 意 折 流 板 缺 口 与 进 出 管 的 相 对 位 置 ， 缺 口 应 与 进 出管 垂 直 ； v 注 意 管 壳 层 试 验 压 力 的 确 定 ；v 对 多 管 程 ， 注 意 分 程 隔 板 的 设 置 与 密 封 面 的 关 系 ；v 注 意 考 虑 防 冲 板 和 膨 胀 节 的 设 置 。 2.2管 壳 式 热 交 换 器 的 结 构 计 算 在 热 交 换 器 设 计 中 ， 完 成 传 热 计 算 之 后 ，接 着 就 应

18、 进 行 结 构 计 算 。 结 构 计 算 的 任 务 在 于 确 定 设 备 的 主 要 尺 寸 ，对 于 管 壳 式 热 交 换 器 包 括 下 列 各 项 ： 计 算 管 程 流 通 截 面 积 ， 包 括 确 定 管 子 尺 寸 、数 目 及 程 数 ， 并 选 择 管 子 的 排 列 方 式 ； 确 定 壳 体 直 径 ； 计 算 壳 程 流 通 截 面 积 ； 计 算 进 出 口 连 接 管 尺 寸 。 2.2.1管 程 流 通 截 面 积 的 计 算连 续 性 方 程 ， 单 管 程 的 流 通 截 面 积 为 ： At = Mt /t wtm2(2.4)式 中 ： At管 程

19、 流 通 截 面 积 ， m2； Mt管 程 流 体 的 质 量 流 量 ， kg/s； t管 程 流 体 的 密 度 ， kg/m3； wt管 程 流 体 的 流 速 ， m/s。为 保 证 上 述 流 量 和 流 速 ， 则 所 需 管 数 n 为 ： n=4A t/di2 (2.5)式 中 di管 子 内 径 ， m。 满 足 传 热 面 积 F， 每 根 管 子 的 长 度 L 应 为 ： L =F/(dn)m(2.6)式 中 d 为 管 子 的 计 算 直 径 ， m一 般 情 况 下 ， d 取 换 热 系 数 小 的 那 一 侧 目 前 所 采 用 的 换 热 管 “ 长 径 比

20、 ” ， 一 般 在 425之 间 ， 通 常 为 610。 GB1511999推 荐 的 换 热 管长 度 采 用 ： 1.0、 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 4.5、 6.0、7.5、 9.0、 12.0m等 。 管 长 过 长 时 ， 就 应 做 成 多 流 程 的 热 交 换 器 。 管 子 长 度 选 为 l 后 ， 所 需 管 程 数 Zt就 可 确 定 ： Zt=L/l (2.7)总 管 子 根 数 为 ： nt=n Zt(2.8)式 中 ： L管 程 总 长 ， m； n每 程 管 数 。确 定 流 程 数 时 ， 要 考 虑 程 数 过 多 会 使 隔 板 在 管

21、板 上占 过 多 的 面 积 ， 使 管 板 上 排 列 的 管 数 减 少 。 程 数 多还 会 增 加 流 体 的 转 弯 次 数 并 增 加 流 动 阻 力 。 2.2.2壳 体 直 径DS = (b1)s+2bb 管 束 中 心 线 上 最 外 层 管 中 心 至壳 体 内 壁 距 离 ： b=(11.5) do b 管 沿 六 边 形 对 角 线 上 的 管 数 。三 角 形 排 列 时 ， b=1.1nt。正 方 形 排 列 时 ， b=1.19nt。 2.2.3壳 程 流 通 截 面 积 的 计 算1)纵 向 隔 板 As=Ms /s ws As= /4Zs(Ds2 nt do2

22、)2)折 流 板Ab=缺 口 处 总 截 面 积 Awg 缺 口 处 管 子 所 占 面 积 Awt ct2owtS2Swg F1n8dA 2sinD2h1214DA Fc 为 错 流 区 内 管 子 数 占 总 管 子 数 的 百 分 数 LSLSLSc D 2hD2arccosD 2hDcosarc sinD 2hD21F h折 流 板 缺 口 高 度 ， DL最 大 布 管 圆 直 径 ，DS热 交 换 器 壳 体 内 径 ， 折 流 板 切 口 中 心 角 ， 弧 度 ：折 流 板 间 错 流 面 积 ：当 排 列 方 式 为 正 方 形 斜 转 或 直 列 排 列 时 ： SD2h1

23、2arccos On oLLSSc dsS dDDDlA ooLLSSC dss dDDDlA当 排 列 方 式 为 三 角 形 排 列 时 ：As,Ab,Ac之 间 满 足 以 下 关 系 ： cbS AAA 图 2.25 折 流 板 的 几 何 关 系 2.2.4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 ，经 简 化 后 计 算 公 式 为 ： wM1.13w4MD 2.3管 壳 式 热 交 换 器 的 传 热 计 算1)选 用 经 验 数 据 ： 根 据 经 验 或 参 考 资 料 选 用 工 艺 条件 相 仿 、

24、设 备 类 型 类 似 的 传 热 系 数 作 为 设 计 依 据 。如 附 录 A。2)实 验 测 定 ： 实 验 测 定 传 热 系 数 比 较 可 靠 ， 不 但 可为 设 计 提 供 依 据 ， 而 且 可 以 了 解 设 备 的 性 能 。 但 实验 数 值 一 般 只 能 在 与 使 用 条 件 相 同 的 情 况 下 应 用 。3)计 算 ： 计 算 得 到 的 传 热 系 数 往 往 与 实 际 有 出 入 ，主 要 有 换 热 系 数 的 公 式 不 完 全 准 确 ， 污 垢 热 阻 不 易准 确 估 计 等 原 因 。 流 体 种 类 传 热 系 数 K W/(m2K)水

25、 气 体 1260水 水 8001800水 煤 油 350左 右水 有 机 溶 剂 280850气 体 气 体 1235饱 和 水 蒸 气 水 14004700饱 和 水 蒸 气 气 体 30300饱 和 水 蒸 气 油 60350饱 和 水 蒸 气 沸 腾 油 290870传 热 系 数 _经 验 数 据 v一 个 现 实 的 、 无 法 回 避 的 问 题 。v换 热 器 的 污 垢 ， 通 常 是 指 含 有 多 种 杂 质 、污 物 及 化 学 成 分 的 工 艺 流 体 或 冷 却 水 在 换 热表 面 上 逐 步 沉 积 形 成 的 一 层 固 态 物 质 。v水 垢 的 导 热

26、热 阻 大 约 是 碳 钢 的 4050倍 ，是 铝 材 的 160240倍 。v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 ， 可 靠 方 法 是 实 际 测 量 。换 热 器 的 污 垢 热 阻 流 体 种 类 污 垢 热 阻m2 /W 流 体 种 类 污 垢 热 阻m2 /W水 (u1m/s,t50 ) 蒸 气 海 水 0.0001 有 机 蒸 汽 0.0002河 水 0.0006 水 蒸 气 (不 含 油 ) 0.0001井 水 0.00058 水 蒸 气 废 气 (含 油 ) 0.0002蒸 馏 水 0.0001 制 冷

27、 剂 蒸 汽 (含 油 ) 0.0004锅 炉 给 水 0.00026 气 体 未 处 理 的 凉 水 塔 用 水 0.00058 空 气 0.0003经 处 理 的 凉 水 塔 用 水 0.00026 压 缩 气 体 0.0004多 泥 沙 的 水 0.0006 天 然 气 0.002盐 水 0.0004 焦 炉 气 0.002污 垢 热 阻 经 验 数 据 _附 录 C、 D、 E 0j1jn1j j0i0i0 1ddln2ddd1K1 0i0j1jn1j jiii dd1ddln2d1K1 0s,0m0wwi0s,ii0i0 1rddddrdd1K1 0i00is,0miwws,iii

28、dd1ddrddr1K1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 系 数 的 计 算1)管 内 、 外 换 热 系 数 Nu = l / Re = wl / v流 动 有 层 流 和 湍 流 之 分 ： 层 流 ： Re2200 过 渡 区 ： 2200Re10000 状 态 准 则 方 程 式 适 用 范 围圆 管层 流 Re2200,0.48Pr167000.0044 /w10湍流 流 体 被 加 热 ： n=0.4； 被 冷 却 ： n=

29、0.3 Re =1041.2*105,l /d 60Pr =0.7120， 光 滑 管Re 104,l/d 60， Pr =0.716700过渡流 气 体 2100Re104,0.6Pr1.50.5Tm /Tw1.5液 体 2200Re10 4,1.5Pr5000.05Pr/Prw0.6 管 内 对 流 换 热 准 则 方 程 式符 号 ： l 管 道 长 度 ， m； Tw璧 面 温 度 ， Ktm流 体 平 均 温 度 ， ； 流 体 动 力 粘 度 ， N.s/m2Tm流 体 平 均 温 度 ， K； w璧 温 下 流 体 动 力 粘 度 ， N.s/m20.14w1/31/3 )/ (

30、d/l)1.86(RePr)Nu n0.8Pr0.023ReNu 0.141/30.8 )(Pr0.027ReNu w/ 0.45wm2/3e 0.40.8 )/T(T/l)(d1 100)Pr-0.0214(ReNu 0.14w2/3e 1/32/3 )(/l)(d1 125)Pr-0.116(ReNu / 0.14w2/3e 0.40.87 )(Pr/Pr/l)(d1 280)Pr-0.012(ReNu 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 ： 0.14-)w/ (1/3-P

31、rNuhj 0.14)w/ (2/3Pr/(wc) 0.14)w/ (2/3PrPr)Nu/(ReHj - - 二 者 间 关 系 ： jh= jH Re 图 2.26管 内 换 热 时 jh与 Re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 杂性 大 为 增 加 。理 想 管 束 ： 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

32、、 壳 体 内 壁 与 管束 外 缘 之 间 均 无 间 隙 的 换 热 管 束 。 贝 尔 法 是 假 定 全 部 壳 程 流 体 都 以 错 流 形 式 通 过 理 想 管 束 ，求 得 理 想 管 束 的 传 热 因 子 ， 然 后 根 据 热 交 换 器 结 构 参 数及 操 作 条 件 的 不 同 ， 引 入 各 项 校 正 因 子 。(1)总 管 数 nt ， 从 图 纸 上 读 出 。(2)错 流 区 管 排 数 Nc， 最 好 从 图 纸 上 读 出 ， 否 则 按 下 式 估 算 ：Nc =Ds (1 2h/Ds ) /sp(2.34)sp 见 图 2.25(3)错 流 区

33、内 管 子 数 占 总 管 数 的 百 分 数 Fc 见 式 (2.15)。(4)每 一 缺 口 内 的 有 效 错 流 管 排 数 N cwNcw = 0.8h /sp(2.35)(5)错 流 面 积 中 旁 流 面 积 所 占 分 数 FbpFbp = (Ds DL ) ls /Ac(2.36)若 有 E流 路 存 在 时 ， 则 ：Fbp = (Ds DL + NE lE /2) ls /Ac(2.37)式 中 NE管 程 隔 板 所 占 的 通 道 数 (E流 路 数 )；lEE流 道 的 宽 度 。 (6)一 块 折 流 板 上 管 子 和 管 孔 之 间 的 泄 漏 面 积 Atb

34、Atb = do tb (1+Fc ) nt /2(2.38)式 中 tb =dH do， dH为 管 孔 直 径 。(7)折 流 板 外 缘 与 壳 体 内 壁 之 间 的 泄 漏 面 积 AsbAsb = Ds (DsDb ) /2 arc cos(12h/Ds)(2.39)式 中 ： Db折 流 板 直 径 。(8)流 体 通 过 缺 口 的 流 通 面 积 Ab， 见 式 (2.13)及 (2.14)，A b 为 该 两 式 相 减 后 的 值 。(9)缺 口 的 当 量 直 径 Dw(用 于 Re100的 情 况 )，这 个 值 仅 在 层 流 区 内 (Re100)才 需 要 。D

35、w = 4Ab /nt (1+Fc ) do /2+Ds (2.40) (10)折 流 板 数 目Nb = l / ls 1(2.41)若 进 出 口 段 板 间 距 不 等 于 ls， 则Nb = (l ls, i ls, o ) / ls ) +1(2.42)式 中 ls, i， ls, o分 别 为 进 出 口 段 从 折 流 板 到 管 板 的 距 离 。在 明 确 结 构 参 数 后 ， 贝 尔 法 计 算 壳 程 换 热 系 数 过 程 如 下 ：(1)由 图 2.28查 热 交 换 器 中 心 线 处 ， 假 定 壳 程 流 体 全 部 错 流流 过 管 束 ， 在 此 理 想

36、管 束 中 纯 错 流 时 的 柯 尔 本 传 热 因 子 jHjH=o/GscpPr2/3(/w)-0.14(2.43)式 中 G s壳 程 流 体 质 量 流 速 ， kg/(m2s)；以 流 体 平 均 温 度 为 定 性 温 度 的 黏 度 ， Pas；w以 壁 温 为 定 性 温 度 的 黏 度 ， Pas；cp流 体 比 热 ， J/(kg )。 图 2.28 理 想 管 束 的 传 热 因 子 (2)由 图 2.29查 折 流 板 缺 口 的 校 正 因 子 jc， jc是 Fc的 函 数 ，对 于 缺 口 处 不 排 管 的 结 构 ， jc=1。(3)由 图 2.30查 折

37、流 板 泄 漏 影 响 校 正 因 子 jl(A和 D流 路 )， 它 是 Asb /(Asb+Atb )及 (Asb+Atb ) /Ac的 函 数 。(4)由 图 2.31查 取 管 束 旁 通 影 响 的 校 正 因 子 jb， 它 是Fbp和 Nss/Nc(Nss为 每 一 错 流 区 内 旁 路 挡 板 对 数 ，Nc为 错 流 区 内 管 排 数 )的 函 数 。(5)由 下 式 计 算 当 热 交 换 器 进 、 出 口 段 折 流 板 间 距不 等 时 的 校 正 因 子 js (2.44) 式 中 ， 当 Re100时 ， n=0.6；当 Re100时 ， n=1/3。 sos

38、,ss,ib n1sos,n1ss,ibs llll1)(N llll1)(Nj 图 2.29 折 流 板 缺 口 校 正 因 子 jc 图 2.30 折 流 板 泄 漏 校 正 因 子 jl 图 2.32低 Re时 逆 温 度 梯 度 的 校 正 因 子 jr*图 2.31 旁 通 校 正 因 子 jb 图 2.33中 等 Re时 逆 温 度 梯 度 的 校 正 因 子 jr (6)当 雷 诺 数 较 低 时 (壳 程 Re100)， 将 出 现 逆 向温 度 梯 度 ， 采 用 校 正 因 子 jr以 考 虑 其 影 响 。当 Re20时 ， 从 图 2.32查 取 jr jr*。当 20

39、Re100， 从 图 2.32查 jr*， 再 从 图 2.33查 jr(7)计 算 壳 程 传 热 因 子 jojo= jH jc jl jb js jr (2.45)并 按 式 (2.43)算 出 壳 程 换 热 系 数 o 与 换 热 系 数 有 关 的 几 个 问 题1)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)流 体 的 平 均 温 度 ： tf = (tf + tf)/2b)壁 面 温 度 ： twc)流 体 和 壁 面 的 平 均 温 度 ： tm = (tw + tf )/2

40、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 ， m2U湿 周 边 或 热 周 边 ， mU4Ade b aaarrU =2r r 4a 2(

41、a+b)R =r/2 r/2 a/4 ab/2(a+b)de =2r 2r a 2ab/(a+b)2)定 型 尺 寸 对 流 动 和 换 热 有 显 著 影 响 的 几 何 尺 度如 ： 管 内 流 动 换 热 ： 取 直 径 d 流 体 在 流 通 截 面 形 状 不 规 则 的 槽 道 中 流 动 ：取 当 量 直 径 (de)作 为 定 型 尺 寸 。 通 道 形 状 de 备 注传 热 计 算 阻 力 计 算套 管 热 交 换 器 d2 d1 d1内 管 外 径d2外 管 内 径板 式 热 交 换 器 2b 2Lb/(L+b) L板 有 效 宽B板 间 距螺 旋 板 式 热 交换 器

42、2b 2Hb/(H+b) H板 有 效 宽b通 道 间 距当 量 直 径 de 附 录 B1 2122d dd 3)黏 度 修 正 在 某 些 准 则 方 程 式 中 ， 为 了 考 虑 非 定 温 流 动 和热 流 方 向 对 换 热 的 影 响 ， 常 乘 有 (f /w)n，(Prf /Prw)m 因 子 的 修 正 项 ， 或 准 则 方 程 式 中 的Pr项 对 加 热 和 冷 却 采 用 不 同 的 方 次 。 此 修 正 项 计 算 ， 往 往 由 于 壁 温 未 知 而 要 用 试 差 法 ；但 也 可 取 近 似 值 ： 液 体 被 加 热 时 ， 取 ( / w)0.141

43、.05 液 体 被 冷 却 时 ， 则 取 ( /w)0.140.95 对 气 体 ， 若 也 用 ( /w)0.14因 子 来 校 正 ，不 论 加 热 或 冷 却 ， 均 可 取 ( /w)0.14=1.0 2.3.3 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 换 热 系 数 试 算 假 定 一 侧 壁 温 （ 如 tw1） 求 该 侧 换 热 系 数 （ 1） 计 算 该 侧 单 位 面 积 传 热 量 ： q1 =1 (t1 tw1 ) 根 据 壁 面

44、热 阻 rw计 算 另 一 侧 壁 温 （ tw2） q1= (tw1 tw2 ) /rw tw2 求 另 一 侧 换 热 系 数 （ 2） 计 算 另 一 侧 单 位 面 积 传 热 量 ： q2 =2 (tw2 t2 )如 假 定 正 确 ： q1 = q2 热流体 冷流体 t1 t2tw1 tw2q1 q2 计 算 的 项 目 及 公 式 单 位 壁 温 tw1( )90 95 97.89 100溶 液 侧 单 位 传 热 面 的 传 热 量 q2=(tw1 t2)/()=2966(tw1 68) W/m2 65253 80084 88655 94914凝 结 液 膜 的 平 均 温 度

45、t1=(ts+tw1)/2=(111.38+tw1)/2 100.69 103.19 104.64 105.69蒸 汽 与 壁 面 间 温 差tf=ts tw1 21.38 16.38 13.49 11.38蒸 汽 凝 结 的 换 热 系 数 1=69.8 W/(m2 ) 5808 6241 6572 6873蒸 汽 侧 单 位 传 热 面 的 传 热 量 q1 =1 (ts tw1) W/m2 124186 102230 88654 78214 表 2.9 例 题 2.1的 计 算 表 格ww2 1 1/4fl 2l3lt 管 壳 式 换 热 器 允 许 的 压 降 范 围 2.4.1管 程

46、 阻 力 计 算 pt=pi+pr+pNp t管 程 总 阻 力 ， Pa； pi沿 程 阻 力 ， Pa；pr回 弯 阻 力 ， Pa； pN进 、 出 口 连 接 管 阻 力 ， Pa 2.4 管 壳 式 热 交 换 器 的 流 动 阻 力 计 算热 交 换 器 的 操 作 压 力 (Pa) 允 许 的 压 降 (Pa)p105(表 压 ) p2100时 ： Re2320时 ， 流 动 呈 紊 流 状 态 ， 可 分 为 三 个 区 域 ：1、 水 力 光 滑 管 区 ： 可 用布拉修斯公式计 算 ：2、 过 渡 区 ： 可 用洛巴耶夫公式计 算 ： 3、 粗 糙 管 区 （ 阻 力 平

47、方 区 ） ： 取 决 于 管 壁 的 相 对 粗 糙 度 ，可 用尼古拉兹公式计 算 ：紊流流动 0.25Re0.3164 2)Kd(logRe1.42 2)Kd2log(1.14 1 t2tr Z24p PaZt管 程 数 进 出 口 连 接 管 阻 力 的 计 算 式 ：21.5p 2nN sali ppppp 总 流 动 阻 力 为 ： Pa 回 弯 阻 力 用 下 式 计 算 ： Pa 顺 列 管 束 ：ps =0.66Re-1/5 wmax2 ( /w )0.14N Pa(2.58)错 列 管 束 ：ps=1.5Re-1/5 wmax2 ( /w)0.14N Pa(2.59)式 中

48、 N流 体 横 掠 过 的 管 排 数 目 ； wmax最 窄 流 通 截 面 处 的 流 速 ， m/s。弓 形 折 流 板 的 壳 程 阻 力 ， 基 于 廷 克 流 路 分 析 基 础 上的 贝 尔 计 算 法 ：1)由 图 2.36查 取 理 想 管 束 的 摩 擦 系 数 f k。2)计 算 每 一 理 想 错 流 段 阻 力 pbkpbk=4fk (Ms2 Nc )/ (2Ac2 ) (/w)-0.14Pa(2.60)式 中 ： Ms壳 程 流 体 质 量 流 量 ， kg/s。 2.4.2 壳 程 阻 力 计 算无折流板 图 2.36理想管排摩擦系数 图 2.37折 流 板 泄

49、漏 对 阻 力 影 响 的 校 正 系 数 图 2.38旁 路 对 阻 力 影 响 的 校 正 系 数 3)计 算 每 一 理 想 缺 口 阻 力 pwk当 Re100时 ： pwk=M2s/(2Ab Ac )(2+0.6Ncw)Pa(2.61)当 Re100时 ： Pa(2.62)4)折 流 板 泄 漏 的 校 正 系 数 Rl 可 由 图 2.37查 得 。旁 路 校 正 系 数 Rb可 由 图 2.38查 得 。进 、 出 口 段 折 流 板 间 距 不 同 的 校 正 系 数 Rs：(2.63)当 Re100时 ， n=1.6当 Rets， twts)。 在 该 区 段蒸 汽 并 不

50、凝 结 而 只 是 被 冷 却 ， 传 热属 于 单 相 对 流 热 交 换 ， 显 热 传 递 。2)区 段 b： 蒸 汽 温 度 高 于 饱 和 温 度 ，而 壁 面 温 度 已 低 于 饱 和 温 度(即 tt s， twts仍 存 在 显 热传 递 ， 与 壁 面 接 触 的 蒸 汽 却 进 行冷 凝 换 热 ， 潜 热 传 递 。3)区 段 c： 蒸 汽 温 度 等 于 饱 和 温 度而 壁 面 温 度 低 于 饱 和 温 度(即 t=ts， twts)。 属 于 单 一 的 冷 凝 换 热 。 图 2.51互 溶 液 体 的 蒸 汽 的 冷 凝 过 程 液 相 线 或 沸 腾 等

51、压 线 ： 一 定压 力 ， 不 同 组 成 的 溶 液 开 始 沸腾 时 的 温 度 泡 点 。 气 相 线 或 冷 凝 等 压 线 ： 一 定压 力 ， 不 同 组 成 的 气 体 开 始 冷凝 时 的 温 度 露 点 。 组 成 为 y1混 合 蒸 汽 ， 被 冷 却 到tv时 开 始 冷 凝 (H点 露 点 )， 出现 冷 凝 的 液 体 N点 对 应 的 x1。由 于 x 1y1， 其 余 蒸 汽 中 的 组 分含 量 增 加 ， 它 必 须 冷 却 到 更 低温 度 下 才 能 冷 凝 。 冷 却 到 ti (E点 )， 它 的 成 分 与 前 不 同 ,分 别 为 xi与 yi

52、(F点 和 G点 )。 进 一 步 冷 凝到 tc时 ， 混 合 物 全 部 冷 凝 成 液 体 (J点 泡 点 )， x1=y1。 对 应 的 最后 一 点 蒸 汽 为 yc。 混 合 蒸 汽 的 冷 凝 2.7.2管壳式蒸发器的工作特点 图 2.52中 心 循 环 管 式 蒸 发 器1加 热 管 束 ； 2中 央 循 环 管 ；3汽 液 分 离 空 间 ； 4加 热 室 卧 式 壳 管 式 冷 凝 器 液 态 制 冷 剂 入 口 制 冷 剂 蒸 气 出 口传 热 管 外 壳 液 态 制 冷 剂 满 液 式 卧 式 壳 管 式 蒸 发 器冷 冻 水进 口 冷 冻 水出 口 图 2.53 滑

53、动 管 板 式 浮 头 热 交 换 器2.8高 温 、 低 温热 交 换 器 综 述图 2.54 管 端 的 防 护 结 构通 常 指 工 作 温 度 350 以 上 ， 压 力 10MPa以 上 。温 度 超 过 10001500 、 压 力 超 过 20 30MPa的 热 交 换 器 也 屡见 不 鲜 。2.8.1 高 温 高 压 管 壳 式 热 交 换 器 2.8.2工 业 炉 用 高 温 热 交 换 器 图 2.56 整 体 式 热 交 换 器 结 构 图 2.55 铸 铁 针 片 管 图 2.57环 缝 式 辐 射 热 交 换 器 图 2.58环 缝 式 辐 射 热 交 换 器 的 结 构 系 统 图 2.59圆 栅 管 式 辐 射 热 交 换 器 图 2.60管 式 辐 射 热 交 换 器 和 对 流热 交 换 器 的 组 合 装 置1管 式 辐 射 热 交 换 器 ； 2对 流 热 交 换 器 2.8.3低 温 热 交 换 器 图 2.64150m3/h制 氧 装 置 原 理 流 程 图 图 2.66卵石蓄冷器图 2.6550m3/h制 氧机 的 主 热 交 换 器1,5补 偿 接 头 ；2上 盖 板 ；3中 心 管 ；4下 盖 板