当前位置: 首页 > >

2019最新《热交换器原理与设计》管壳式热交换器设计2123物理_图文

第二章 管壳式热交换器
1

二、结构设计
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

壳程

管程

(a) BEM立式固定管板式换热器

2

1.管程结构
(1)管束分程(分程隔板):
①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↓ ) 为使管内v↑→提高传热效果→需分程
②管程数: 一般有1,2,4,6,8,10,12等七种, 最简单、 最常用的是单管程。
③隔板布置方式 平行布置法 T形布置法
④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28℃ c.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
3

隔板
4

管程数 1 流动顺序

管箱隔板

介质返回 侧隔板

图序

a

管束分程布置图

2

4

6

1 2

1 2 3 4

12 43

1 23
4

1 23 54
6

21 34 65

b

c

d

e

f

g

流向
5

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φ6mm的排液孔, 其位置按具体情况而定
6

2.壳程结构 ⑴壳体

壳体 折流板 折流杆 防短路结构 壳程分程

①接管→焊在壳体上,供壳程流体进、出。
②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.

焊接在拉杆、定距管、折流板上 固定形式 焊接在圆筒上
用U型螺栓固定在换热管上
7

8

设置条件:a.当壳程进口管流体的ρv2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, 非磨蚀性单相流体ρv2>2230kg/(m.s2) (ii)其他液体,包括沸点下液体ρv2>740kg/(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 ③导流筒
作用:a.充分利用换热面积, 减小壳程进出口处死区 b.也起防冲作用 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。

9

10

11

⑵折流板、支持板 ①折流板 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.减少结垢。 c.支承管束 结构形式 弓形 圆盘-圆环形 堰形折流板
12

水平 竖直

竖直 转角

转角

(a)(a单)单弓形(弓a)形单弓形

过程设备设计
(c()三C)弓三弓形形 (C)三弓形

(b)双(弓b形)双(b弓)双形弓形

(d)(圆d)盘四弓-圆形 环形(d)四弓形

弓形缺口高度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=(0.20~0.45)Di,最常用0.25Di。 13

14

圆盘-圆环形折流板
15

图2-22 单弓形折流挡板

图2-24 圆盘—圆环形折流挡

16

17

布置原则: a.一般应按等间距布置 b.管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管

c.间距:Lmin不小于0.2管内径Di,且不小于 50mm; Lmax不大于Di;

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;
18

壳程为单相清洁液体时,折流板缺口上下布置 通气口

过程设备设计

通液口

(b)

(a)

折流板缺口布置

19

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

(c) 折流板缺口布置

20

折流板上管孔与换热管

过大—泄露严重,不利传热;

折流板与壳体内壁之间

间隙→

易引起振动。

过小—安装困难。

折流板的排列(方a)式BE:M立 式 固 定 管 板 式 换 热 器
21

卧式热交换器中的排列方式 缺口上下方交错排列
缺口左右方交错排列。
22

折流板的安装
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。
拉杆结构
24

25

②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. 减小跨距→防振 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

10 12 14 16 19 25 32 38 45 57

最大无

钢管

- - 1100 1300 1500 1850 2200 2500 2750 3200

支撑跨距

有色金属 管

750

850

950

1100 1300 1600 1900 2200 2400 2800

26

dn
③折流板、支持板固定方式:
A、换热管外径≤14mm时——点焊结构
点焊

d+1

d

过dn程设备设计

B、换热管外径 >14mm时——拉杆-定距管结构

ddnn

ddnn

点焊

27

拉杆数量: 与拉杆直径,壳体DN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

⑶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:

23

1

1支撑杆 2折流杆 3滑轨 28

29

优点: a.传热量相同下,Δp比弓形折流板降低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,在某些区域短路→使传热效率增加 旁路挡板 图
结构: 挡管 图 中间挡板 图
30

旁路挡板
旁路挡板
折流板折流板 为了防止 壳程边缘 介质短路
旁路挡板
31

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3~4排换热管设置一根,但不设置在折流板缺口处
挡挡 板管

挡挡管管

挡管结构

32

中间挡板

中间挡板

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DN≤500mm时→设置1块挡板

500<DN<1000mm时→设置2块挡板

DN≥1000mm时→设置不少于3块挡板

33

(5)壳程分程(纵向隔板)
目的: a.满足工艺设计要求 b.增大壳程流体传热系数
型式: E型、F型、G型、H型 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 保证隔板与壳体间密封→ 防介质短路 壳程分程较管程分程困难,所以一般壳程≤2 注: 折流板仅改变流向而不是分程
34

壳程分程

对分流

双分流

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

管程流通截面积

内容 :

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
单管程热交换器的管程流通截面积为:
36

At ? M t / ?t wt
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; ρt——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

n ? 4At / ?d12

式中: d1——管子内径,m;

37

每根管子的长度L为
L ? F/?dn
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。
38

换热管长度取值: 换热管的长度与壳体直径的比值在4-25之间; 一般为6-10,对于立式热交换器而言比值为4-6。 若算得的管长过长,则应该做成多程的热交换器。
管程数Zt为: Zt ? L / l
式中: l——所确定的管子的长度m L——管程总长,m;
39

管子的总根数
nt ? nZt

式中: n——每程管数

流程数的选取:

流程数适中

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
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 Ds ? ?b ?1?s ? 2b?

41

式中:

b′——管束中心线上最外层管中心至壳体内壁距离, b′=(1~1.5)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,b ? 1.1 n t ;

当管子接正方形排列时 b ? 1.19 nt

壳体的外径

强度

钢制压力容器标准的规定加以确定 42

公称直径小于或等于400mm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400mm为基础,以100mm, 为进级档,必要的时候允许以50mm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

As? ? M s / ? sws

式中:

AS′——为壳程流通截面积,m2; Ms——壳程流体的质量流量,Kg/s;

ρs——壳程流体的密度,Kg/m3

ws——壳程流体的流速,m/s;

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。

壳程流通截面积 流程数

? ? As?

?

?
4Z s

Ds 2 ? nt d0 2

? ? ?
Zs ? 4 As?2

Ds 2 ? nt d02

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。
45

流体在缺口处的流通截面积Ab
Ab ? 缺口总截面积Awg ? 缺口处管子所占面积Awt
46

缺口总截面积

Awg

?

Ds 2 4

? ? ?

1 2

?

? ????1 ?

2h Ds

????

s

in

?
2

? ? ?

? ? 缺口处管子所占面积

Awt

? ?d0 2
8

nt

1 ? Fc

式中: FC——为错流区内管子数占总管数的百分数

Fc

?

1
?

????
??

?

2????

Ds ? DL

2h

????

s

in

???arccos????

Ds ? DL

2h

???????

?

2

arccos????

Ds ? DL

2h

?????????

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;

DL——表示最大布管圆直径,m

47

θ——折流板切口中心角,弧度;

?

?

2 arc c os????1 ?

2h Ds

????

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

Ac

?

? ls ?Ds
?

?

DL

? ????

DL ? d0 sn

?????s

?

d

0

???
?

三角形排列时

Ac

?

? ls ?Ds
?

?

DL

?

? ?

?

DL

? d0 s

???s
?

? d0 ???
?

48

式中:

ls——折流板间距; d0——管子外径; s——管间距;

sn——与流向垂直的管间距。 As,Ab,Ac之间的关系

As ? Ab Ac
As——为保证流速所需要的流通截面积

Ab——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
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

a1 ? a2 ? a3

环板的流通面积a3

a2

? ?Dmh????1?

d0 sn

????

As ? a2a3

a3——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

50

第三节 管壳式热交换器的传热计算

一、传热系数的确定

经验选用数据

1、确定传热系数的主要方法:

实验测定

热阻 间壁材料

通过计算

Q

?

?

A
?

?t w1

?

tw2

?

?

t w1

?
?

tw2

A?

R? ? A?

51

圆管

Q ? 2??L?tw1 ? tw2 ?
ln d0 di

ln d 0 R ? di
2?? L

流体与洁净壁面

Q ? ?A?t ?

?t 1

?A

流体与结垢壁面

R? 1
?A

定义: 热交换器运行一段时间后,壁表面会形成一
层污垢,引起附加热阻。
52

决定因素:污垢的导热系数λd及污垢的厚度

污垢系数:rd=δd/λd

污垢热阻

R ? ? d ? rd ?d A A

传热量

Q ? tw ?t rd ? 1
A ?A

传热公式

Q ? KF?tm

2、圆管的传热系数确定

q ? ?tm 1 K

R? 1 K

53

以外表面积为基准时:

? 1
K0

?

1
?i

????

d0 di

???? ?

n j ?1

d0
2?i

ln

?? ??

dj d

?1 j

?? ??

?

1
?0

式中: 0——表示管外;

i——表示管内;

以内表面为基准时

? 1
Ki

?1
?i

?

n di
j?1 2? j

ln

?? ??

d j?1 dj

?? ??

?

1
?0

????

di d0

????

54

近似计算 (管壁比较薄)

外表面

1 K0

?1
?i

????

d0 di

????

?

rs,i

????

d0 di

????

?

?w ?w

????

d0 dm

? ?? ? rs,0 ?

?1
?0

内表面

1 Ki

?1
?i

? rs,i

?

?w ?w

????

di dm

????

?

rs,0

????

di d0

????

?

1
?0

????

di d0

????

式中 rs,i——管内壁的污垢热阻,m2℃/W;

rs,o——管外壁的污垢热阻,m2℃/W;

δw——管壁厚度,m; λw——管材的导热系数,W/m℃;

dm——管子的平均直径

55

dm

?

d0 ? di

ln????

d0 di

????

非金属材料 不适用

或者

K ? ?0?i ?0 ??i

条 件

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计

d0≈di

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(Nu), 或传热因子(jh)与雷诺数(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

Nu ? ?l ?
57

雷诺准则数
Re ? wl
?

流体的流动 状态

传热因子

科恩传热因子 柯尔本传热因子

? ? jh ? Nu ? Pr?1/3 ? / ?w ?0.14

jH ? Nu /?Re? Pr ?? Pr 2/3?? / ?w ??0.14 ? ? ??wc?? Pr 2/3?? / ?w ??0.14 58

关系

jh ? jH ? Re

壳侧换热计算

无折流板

纵向流过管束

求出

按照

当量直径

管内湍流

有折流板

孔式折流板

盘环折流板

弓形折流板
59

孔式折流板

Re=3~2×104

?0d0 ?f

? 1.32?? s ? d0 ?s

d0

?0.4 ? ?

?? ??

d0Gav
?f

?0.6 ? ? ?

Prf

1 3

????

?f ?w

?0.14 ?? ?

式中: Gav——平均质量流量,Kg/(m2s)

Gav

?

4dH ls

?? G0 ?

? Ga 2

?? ?

?

????

ls

? 4dH ls

? ???Ga

G0——管孔间隙中的质量流速,Kg/(m2s)

? ? G0

?

?nt

4M s dH 2 ? d02

Ga——壳程流体顺流管束的质量流量,Kg/(m2s) 60

? ? Ga

?

?

4M s Ds 2 ? nt d0 2

Ms——壳程流体的质量流量

dH——折流板上管孔直径,m

ls——折流板间距,m;

盘环折流板

Re=3~2×104

?0d0 ?f

?

2.08de

0.6

?? ??

Gm
?f

0.6

?? ??

Pr1/ 3 ?? ? f
?

0.14

?

?

w

? ?

式中

Gm——为平均质量流速,Kg/(m2s)

61

计算Gm所用的基准面As

As ? a2a3

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
管子与折流板上的管孔之间存在间隙 折流板前后存在压差

泄漏

流路A: 流路B 流路C 流路D 流路E

管外壁的结垢

62

特点 流路在环形间隙内有较高的换热系数,主流速度
低,对传热不利。
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。 特点 通过设置旁路挡板,改善这个流路对传热的影响
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
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 64

65

结构参数计算

1、总管数nt; 图中读出 2、错流区排管总数NC

图中读出 估算

式中

Nc

?

Ds ???1 ? ?

2h Ds

???? sP

DS——热交换器壳体内径

sP——管间距,m

3、两折流板顶部错流面积占总面积的百分数FC′

66

Fc?

?

?R2 ? 2 AWg ?R 2

? ? ? sin? ?? ?

?

1
?

?
??
?

?

2

Ds ? 2h Ds

s

in

? ?arc ?

c

os

Ds ? Ds

2h

? ? ?

?

2

arc

c

osDs ? Ds

2h

? ? ?

4、错流区内管子数占总管数的百分数FC

Fc

?

1
?

?
??
?

?

2

Ds ? 2h DL

sin

? ?arc ?

c

osDs ? 2h DL

? ? ?

?

2

arc

c

os

Ds ? 2h DL

? ? ?

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

DL——表示最大布管圆直径,m;
67

5、每一缺口内的有效错流管排数NCW

N cW ? 0.8h sP

6、错流面积中旁流面积所占分数FbP

? ? FbP ?

Ds ? DL ls Ac

若有E路存在时

FbP

?

? ??

Ds

? DL

?1 2
Ac

NElE ???ls

式中 NE——管程隔板所占的通道数,(E流路数)

LE——E流道的宽度

68

9、流体通过缺口的流通面积Ab

Ab ? 缺口总截面积 Awg ? 缺口处管子所占面积 Awt

10、缺口的当量直径DW(用于Re≤100的情况)

Dw

?

?
2

nt

4 Ab
?1? Fc ?d0

?

Ds?

11、折流板数目

Nb

?

l ls

?1

如果进出口段板间距不等于ls,则

Nb

?

???? l

? ls,i ? ls,o ls

????

?1

69

式中

ls,i ,——进口段从折流板到管板的距离。 ls,o——出口段从折流板到管板的距离

贝尔法计算壳程换热系数的过程:

1、由理想管束的传热因子图查出柯尔本传热因子jH
假定 壳程流体全部错流流过管束

jH

?

?0
GscP

Pr

2

/

3

???

?

?w

0.14
???

2、查取折流板的校正因子jc, 缺口处不排管的结构jc=1 70

3、查取折流板泄漏影响的校正因子j1(A和E流路), 4、查取旁通影响的校正因子jb 5、折流板间距不等时的校正因子 js
6、逆温梯度的校正因子 7、计算壳程传热因子j

j0=jHjcj1jbjsjr

8、计算处壳程换热系数α0

jH

?

?0
GscP

Pr2

/

3

???

?

?w

??0.14 ?

71

Thank you for attention!
72




友情链接: 高中资料网 职业教育网 成人教育网 理学 大学工学资料