热交换器原理与设计管壳式热交换器设计解读.pptx

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1、1管程与管束中流体相通的空间壳程换热管外面流体及相通空间管程管程壳程壳程管程管程二、结构设计二、结构设计第1页/共73页21.1.管程结构(1)管束分程(分程隔板):):条件:当换热器所需换热面，而管子又不能太长时，就要管数n (v)n (v)为使管内vv提高传热效果需分程 管程数:一般有1 1，2 2，4 4，6 6，8 8，1010，1212等七种,最简单、最常用的是单管程。隔板布置方式平行布置法 T T形布置法分程的要求:a.避免流体温差较大的两部分管束紧邻b.程与程之间温差不宜过大,不超过2828c.应尽可能使各管程的换热管数大致相同d.分程隔板槽形状简单,密封面长度较短第2页/共73

2、页3第3页/共73页4管束分程布置图管束分程布置图流向流向第4页/共73页5分程隔板与管板的连接形式:隔板密封面通常10mm;对卧式换热器:设置6mm6mm的排液孔,其位置按具体情况而定第5页/共73页6壳体折流板折流杆防短路结构壳程分程2.壳程结构 壳体接管焊在壳体上，供壳程流体进、出。防冲挡板作用:减小流体的不均匀分布和对管束的侵蚀和震动，在壳程进口接管处设置防冲挡板.固定形式焊接在拉杆、定距管、折流板上焊接在圆筒上用U U型螺栓固定在换热管上第6页/共73页7第7页/共73页8设置条件:a.当壳程进口管流体的vv2 2值为下列数值时，应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒 (i)非腐蚀,非磨

3、蚀性单相流体v22230kg/(m.s2)(ii)其他液体，包括沸点下液体v2740kg/(m.s2)b.有腐蚀或有磨蚀的气体、蒸汽及汽液混合物，应设置防冲板导流筒作用:a.:a.充分利用换热面积,减小壳程进出口处死区 b.b.也起防冲作用 c.c.减少壳程进出口处压降(外导流结构)条件:当壳程进出口接管距管板较远，流体停滞区过大时，应设置导流筒分类：内导流筒和外导流筒两种。第8页/共73页9第9页/共73页10第10页/共73页11作用:a.提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流 体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；b.b.减少结垢。c.c.支承管束折流板、支持板折流板结构形式弓形圆盘-圆环

4、形堰形折流板第11页/共73页12过程设备设计过程设备设计(a)单弓形单弓形(d)圆盘圆盘-圆环形圆环形(c)三弓形三弓形(b)双弓形双弓形弓形缺口高度h h应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h=(0.20h=(0.200.45)D0.45)Di i，最常用0.25D0.25Di i。第12页/共73页13第13页/共73页14圆盘-圆环形折流板第14页/共73页15图2-22 2-22 单弓形折流挡板图2-24 2-24 圆盘圆环形折流挡第15页/共73页16第16页/共73页17布置原则:a.:a.一般应按等间距布置

5、b.b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管 折流板缺口布置原则:a.壳程为单相清洁流体时，折流板缺口 (卧式）应水平上下布置。若气体中含有少量液体,应在缺口朝上的 折流板最低处开设通液口;若液体中含有少量气体，应在缺口朝下 的折流板最高处开通气口;b.壳程介质为气液共存或液体中含有固体 颗粒时，折流板应垂直左右布置，并在 折流板最低处开通液口;c.间距：L Lminmin不小于0.20.2管内径DiDi，且不小于50mm50mm；L Lmaxmax不大于DiDi；第17页/共73页18过程设备设计过程设备设计壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置折流板缺口布置折流板缺口布置通液口通液口

6、通液口通液口通气口通气口通气口通气口(a)(b)第18页/共73页19过程设备设计过程设备设计卧式换热器的壳程介质为气液相共存或液体中含有固体颗粒时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开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页/共73页20折流板上管孔与换热管折流板与壳体内壁之间过大泄露严重,不利传热;易引起振动。过小安装困难。间隙折流板的排列方式：第20页/共73页21缺口左右方交错排列。卧式热交换器中的排列方式缺口上下方交错排列第21页/共73页22折流板的安装折流板的安装d14mm时时第22页/共73页23 折流板的固定 折流板的固定是通过拉杆和定距管来实现的

7、。拉杆结构 第23页/共73页24第24页/共73页25支持板设置条件:当换热器在工艺上无须设置折流板，但管子又比较长，超过最大无支撑跨距时，需设置一定数量的支持板，按照折流板处理.作用:a.:a.减小跨距防振 b.b.支承管子增加管子刚度，防止管子产生过大挠度形状尺寸:同折流板 最大无支撑跨距:换热管外径10121416192532384557 最大无支撑跨距钢管-11001300150018502200250027503200有色金属管7508509501100130016001900220024002800第25页/共73页26过程设备设计过程设备设计A A、换热管外径14mm14mm时

8、点焊结构B、换热管外径 14mm14mm时拉杆-定距管结构dndn折流板、支持板固定方式：第26页/共73页27拉杆数量:与拉杆直径，壳体DNDN有关拉杆布置:尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的 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折流杆针对传统折流板:有传热死区,流体阻力,易产生管振动等缺点开发 新型折流杆结构结构:1 1支撑杆2 2折流杆3 3滑轨第27页/共73页28第28页/共73页29优点:a.传热量相同下，pp比弓形折流板降低50%50%；b.没有传热死区 c.结垢速度快；d.管束不易振动(壳程流体流向由横流变为轴流)(4)防短路结构目的:防止壳程流体，在某

9、些区域短路使传热效率增加结构：旁路挡板 图挡管 图中间挡板 图第29页/共73页30旁路挡板旁路挡板折流板折流板旁路挡板为了防止壳程边缘介质短路第30页/共73页31挡管挡管挡挡管管挡管结构防止管间短路；分程隔板槽背面两管板之间设置两端堵死的管子，即挡管；挡管一般与换热管规格相同，可与折流板点焊固定，也可用拉杆（带定距管或不带定距管）代替。挡管每隔3 34 4排换热管设置一根，但不设置在折流板缺口处第31页/共73页32中间挡板中间挡板U U形管束中心部分存在较大间隙 ，防止管间短路；中间挡板一般与折流板点焊固定；壳体DN500mmDN500mm时设置1 1块挡板500DN1000mm时时设置

10、2 2块挡板DN1000mm时时设置不少于3 3块挡板第32页/共73页33(5)壳程分程(纵向隔板)目的:a.:a.满足工艺设计要求 b.b.增大壳程流体传热系数型式:E:E型、F F型、G G型、H H型保证隔板与壳体间密封防介质短路纵向隔板与壳体的连接形式:焊接将隔板与壳体内壁焊接 可拆有密封元件壳程分程较管程分程困难，所以一般壳程2 2注:折流板仅改变流向而不是分程第33页/共73页34壳程分程壳程分程对分流双分流双分流第34页/共73页35第二节 管壳式热交换器的结构计算任务:确定设备的主要尺寸内容:管程流通截面积确定壳体直径壳程流通截面积进出口连接管尺寸一、管程流通截面积的计算单管

11、程热交换器的管程流通截面积为：第35页/共73页36式中：At为管程流通截面积，m2；Mt为管程流体的质量流量，Kg/s；t为管程流体的密度，Kg/m3；Wt为管程流体的流速，m/s；需管数n式中：d1管子内径，m；第36页/共73页37每根管子的长度L为式中：F热计算所需要的传热面m2；d管子的计算直径，m计算直径的选取方法：一般情况下，管子的计算直径取换热系数小的那一侧的，只有在两侧的换热系数相近时才取平均直径作为计算直径。第37页/共73页38换热管的长度与壳体直径的比值在425之间；一般为610，对于立式热交换器而言比值为46。若算得的管长过长，则应该做成多程的热交换器。换热管长度取值

12、：管程数Zt为：式中：l所确定的管子的长度mL管程总长，m；第38页/共73页39管子的总根数n每程管数式中：流程数的选取：过多隔板在管板上占去过多的面积，管板排管数降低增加流体穿过隔板垫片短路的机会增加流体的转弯次数及流动阻力流程数适中第39页/共73页40程数宜取偶数，以使流体的进、出口连接管做在同一封头管箱上，便于制造。二、壳体直径的确定内径方法作图（可靠，准确）估算第40页/共73页41式中：b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离，b（11.5）d0(d0为管外径)。b 沿六边形对角线上的管数。估算 当管子按照等边三角形排列时，；当管子接正方形排列时壳体的外径强度钢制压力容器标准的规

13、定加以确定第41页/共73页42 公称直径小于或等于400mm400mm的热交换器，可以采用无缝钢管制作圆筒，卷制圆筒的公称直径以400mm400mm为基础，以100mm100mm，为进级档，必要的时候允许以50mm50mm为进级档。三、壳程流通截面积的计算内容：确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。纵向隔板式中：A AS S为壳程流通截面积，m m2 2；M Ms s壳程流体的质量流量，Kg/sKg/s；s s壳程流体的密度，Kg/mKg/m3 3w ws s壳程流体的流速，m/sm/s；第42页/共73页43纵向隔板长度确定的基本原则：流体在纵向隔板转弯时的流速各流程中顺管束流动时速度。壳程流

14、通截面积流程数第43页/共73页44弓形折流板缺口高度缺口处的流通截面积两折流板间错流的流通截面积缺口高度确定原则为避免流动速度变化引起压降，流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积接近。第44页/共73页45流体在缺口处的流通截面积Ab第45页/共73页46缺口总截面积缺口处管子所占面积FC为错流区内管子数占总管数的百分数式中：h表示折流板缺口高度，m；Ds表示热交换器壳体内径，m；式中：DL表示最大布管圆直径，m第46页/共73页47折流板切口中心角，弧度；两折流板间错流的流通截面积AC正方形斜转或直列排列时三角形排列时第47页/共73页48式中：ls折流板间距；d0管子

15、外径；s管间距；sn与流向垂直的管间距。As，Ab，Ac之间的关系As为保证流速所需要的流通截面积 A Ab b流体在缺口处的流通截面积AC两折流板间错流的流通截面积第48页/共73页49（3）盘环形折流板环板圆孔处的流通面积a1盘板的流通面积a2环板的流通面积a3a3盘周至圆筒内壁截面减去该处管子所占面积Dm环内径D1和盘径D2的算术平均值sn 与流向垂直的管间距第49页/共73页50第三节 管壳式热交换器的传热计算一、传热系数的确定1、确定传热系数的主要方法：经验选用数据实验测定通过计算热阻间壁材料第50页/共73页51圆管流体与洁净壁面流体与结垢壁面定义:热交换器运行一段时间后，壁表面会

16、形成一层污垢，引起附加热阻。第51页/共73页52决定因素：污垢的导热系数d及污垢的厚度污垢系数：rd=d/d污垢热阻传热量传热公式2、圆管的传热系数确定第52页/共73页53以外表面积为基准时：式中：0表示管外；i表示管内；以内表面为基准时第53页/共73页54近似计算外表面内表面（管壁比较薄）式中r rs,is,i管内壁的污垢热阻，m m2 2/W/W；r rs,os,o管外壁的污垢热阻，m m2 2/W/W；w w管壁厚度，m m；w w管材的导热系数，W/mW/m；d dm m管子的平均直径第54页/共73页55或者金属壁面的导热热阻流体的对流换热热阻对于新的热交换器污垢热阻可以忽略不

17、计条件d0di非金属材料不适用第55页/共73页56二、换热系数的计算管内外换热系数 在试验基础上，把它的变化规律用努谢尔准则数（NuNu），或传热因子（j jh h）与雷诺数(Re)(Re)之间的关系用公式或线图形式表示出来。努谢尔准则数对流换热强度第56页/共73页57雷诺准则数流体的流动状态 传热因子科恩传热因子柯尔本传热因子第57页/共73页58关系壳侧换热计算无折流板 有折流板纵向流过管束当量直径管内湍流求出按照孔式折流板盘环折流板弓形折流板第58页/共73页59孔式折流板Re=32104G Gavav平均质量流量，Kg/(mKg/(m2 2s)s)式中：G G0 0管孔间隙中的质量

18、流速，Kg/(mKg/(m2 2s)s)G Ga a壳程流体顺流管束的质量流量，Kg/(mKg/(m2 2s)s)第59页/共73页60M Ms s壳程流体的质量流量dH折流板上管孔直径，m mls折流板间距，m m；盘环折流板Re=32104式中Gm为平均质量流速，Kg/(mKg/(m2 2s)s)第60页/共73页61计算G Gm m所用的基准面A As s弓形折流板廷克壳侧流体流动模型壳侧流体分为错流、漏流及旁流流路流路A:流路B流路C流路D流路E管子与折流板上的管孔之间存在间隙流路A折流板前后存在压差泄漏管外壁的结垢第61页/共73页62流路在环形间隙内有较高的换热系数，主流速度低，对

19、传热不利。特点流路B横向流过管束特点对传热和阻力影响最大流路C管束最外层管子与壳体之间存在间隙而产生的旁路。通过设置旁路挡板，改善这个流路对传热的影响特点流路D折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流。特点漏流温度发生畸变第62页/共73页63流路E多管程，安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所占据的通道，若用来形成多管程的隔板设置在主横向流的方向上它将会造成一股或多股旁路特点设置挡管贝尔法内容：理想管束的传热因子校正错流通过理想管束换器结构参数操作条件第63页/共73页64第64页/共73页65结构参数计算1 1、总管数n nt t;2 2、错流区排管总数N NC CD DS S热交换器壳体

20、内径s sP P管间距，m m式中图中读出图中读出估算3 3、两折流板顶部错流面积占总面积的百分数F FC C第65页/共73页664 4、错流区内管子数占总管数的百分数F FC C式中h h表示折流板缺口高度，m m；D Ds s表示热交换器壳体内径，m mD DL L表示最大布管圆直径，m m；第66页/共73页675 5、每一缺口内的有效错流管排数N NCWCW6 6、错流面积中旁流面积所占分数F FbPbP若有E E路存在时式中N NE E管程隔板所占的通道数，（E E流路数）L LE EE E流道的宽度第67页/共73页687 7、一块折流板上管子和管孔之间的泄漏面积A Atbtb式

21、中D Db b折流板直径，m mD Ds s表示热交换器壳体内径，m m式中dH为管孔直径n nt t总管数;8 8、折流板外缘与壳体内壁之间的泄漏面积A Asbsb第68页/共73页699 9、流体通过缺口的流通面积A Ab b1010、缺口的当量直径D DW W(用于Re100Re100的情况)11、折流板数目如果进出口段板间距不等于l ls s,则第69页/共73页70l ls,is,i,进口段从折流板到管板的距离。l ls,os,o出口段从折流板到管板的距离式中贝尔法计算壳程换热系数的过程：1 1、由理想管束的传热因子图查出柯尔本传热因子j jH H假定壳程流体全部错流流过管束2 2、查取折流板的校正因子jc,缺口处不排管的结构jc=1=1第70页/共73页713 3、查取折流板泄漏影响的校正因子j j1 1(A(A和E E流路)，4 4、查取旁通影响的校正因子j jb b5 5、折流板间距不等时的校正因子 j js s6、逆温梯度的校正因子7、计算壳程传热因子jj0=jHjcj1jbjsjr8 8、计算处壳程换热系数0第71页/共73页72Thank you for attention!第72页/共73页73感谢您的观看！第73页/共73页