列管式換熱器的選用及設(shè)計(jì)原則

1、5.7.3列管式換熱器的選用與設(shè)計(jì)原那么換熱器的設(shè)計(jì)即是通過傳熱過程計(jì)算確定經(jīng)濟(jì)合理的傳熱面積以及換熱器的構(gòu)造尺寸,以完成生產(chǎn)工藝中所要求的傳熱任務(wù).換熱器的選用也是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù),計(jì)算所需的傳熱面積,選擇適宜的換熱器.由于參與換熱 流體特性的不同,換熱設(shè)備構(gòu)造特點(diǎn)的差異,因此為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝的實(shí)際需要,設(shè)計(jì)或選用換熱器時(shí)需要考慮多方面的因素,進(jìn)展一系列的選擇,并通過比較才能設(shè)計(jì)或選用出經(jīng)濟(jì)上合理和技術(shù)上可行的換熱器. 本節(jié)將以列管式換熱器為例,說(shuō)明換熱器選用或設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題. 一、 流體通道的選擇 流體通道的選擇可參考以下原那么進(jìn)展：1 .不干凈和易結(jié)垢的流體宜走管程,以便于清洗管子；2

2、 .腐蝕性流體宜走管程,以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕,而且管也便于檢修和清洗；3 .高壓流體宜走管程,以免殼體受壓,并且可節(jié)省殼體金屬的消耗量；4 .飽和蒸汽宜走殼程,以便于及時(shí)排出冷凝液,且蒸汽較干凈,不易污染殼程；5 .被冷卻的流體宜走殼程,可利用殼體散熱,增強(qiáng)冷卻效果；6 .有毒流體宜走管程,以減少流體泄漏；7 .粘度較大或流量較小的流體宜走殼程,因流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí),由于流體流向和流速不斷改變,在 很低的雷諾數(shù)Re100)下即可到達(dá)湍流,以提升對(duì)流傳熱系數(shù).在選擇流體流徑時(shí),上述各點(diǎn)常不能同時(shí)兼顧,應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾,例如首先考慮流體的壓強(qiáng)、防腐 蝕及清洗等要求,然后再校核對(duì)

3、流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降,以便作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇.6 .流體流速的選擇增加流體在換熱器中的流速,將加大對(duì)流傳熱系數(shù), 減少污垢在管子外表上沉積的可能性,即降低了污垢熱阻,使總傳熱系數(shù)增大,從而可減小換熱器的傳熱面積.但是流速增加,又使流體阻力增大,動(dòng)力消耗就增多.所以適宜的流速要通過經(jīng)濟(jì)衡算才能定出.此外,在選擇流速時(shí),還需考慮構(gòu)造上的要求.例如,選擇高的流速,使管子的數(shù)目減少,對(duì)一定的傳熱面 積,不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù).管子太長(zhǎng)不易清洗,且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄?溫度差下降.這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問題.7 .流體兩端溫度確實(shí)定假設(shè)換熱器中冷、 熱流體的溫度都由工藝條

4、件所規(guī)定,就不存在確定流體兩端溫度的問題.假設(shè)其中一個(gè)流體僅進(jìn)口溫度,那么出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來(lái)確定.例如用冷水冷卻某熱流體,冷水的進(jìn)口溫度可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件作出估計(jì),而換熱器出口的冷水溫度,便需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來(lái)決定.為了節(jié)省水量,可使水的出口溫度提 高些,但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積,那么要增加水量.兩者是相互矛盾的.一般來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)時(shí)可 采取冷卻水兩端溫差為 510 Co缺水地區(qū)選用較大的溫度差,水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差.8 .管子的規(guī)格和排列方法選擇管徑時(shí),應(yīng)盡可能使流速高些,但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速圍.易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較 大的管徑.我國(guó)目前試用的列管式換熱

5、器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有()25 x 2.5m及()19X m畫種規(guī)格的管子.管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原那么.長(zhǎng)管不便于清洗,且易彎曲.一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m,那么合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m.系列標(biāo)準(zhǔn)中也采用這四種管長(zhǎng).此外,管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng),一般取L/D為46(對(duì)直徑小的換熱器可大些 ).如前所述,管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等,如第五節(jié)中圖4- 25所示.等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有：管板的強(qiáng)度高；流體走短路的時(shí)機(jī)少,且管外流體擾動(dòng)較大,因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高； 一樣的殼徑可排列更多的管子.正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁,適用于殼程

6、流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低.正方形錯(cuò)列排列那么介于上述兩者之間,即對(duì)流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥嵘?管子在管板上排列的間距(指相鄰兩根管子的中央距),隨管子與管板的連接方法不同而異.通常,脹管法取t=(1.31.5)do,且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm,即t (d+6).焊接法取t=1.25do.9 .管程和殼程數(shù)確實(shí)定當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí),有時(shí)會(huì)使管流速較低,因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小.為了提升管流速,可采用多管程.但是程數(shù)過多,導(dǎo)致管程流體阻力加大,增加動(dòng)力費(fèi)用；同 時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少,

7、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問題.列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有 1、2、4和6程等四種.采用多程時(shí),通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等.管程數(shù)m可按下式計(jì)算,即：U in =II(4-121)式中u管程流體白適宜速度,m/s ;u管程流體的實(shí)際速度,m/s.Ji嗔圖4-49串聯(lián)列管換熱器當(dāng)殼方流體流速太低時(shí),也可以采用殼方多程.如殼體安裝一塊與管束平行的隔板,流體在殼體流經(jīng)兩次, 稱為兩殼程,如前述的圖4-47和圖4-48所示.但由于縱向隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難,故一般不采用殼方多程的換熱器,而是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用,以代替殼方多程.例如當(dāng)需二殼程時(shí),那么將總管數(shù)等分 為兩局部,分別安裝在兩個(gè)徑

8、相等而直徑較小的外殼中,然后把這兩個(gè)換熱器串聯(lián)使用,如圖4-49所示.10 折流擋板安裝折流擋板的目的,是為了加大殼程流體的速度,使湍動(dòng)程度加劇,以提升殼程對(duì)流傳熱系數(shù).1040%,第五節(jié)的圖426已示出各種擋板的形式. 最常用的為圓缺形擋板,切去的弓形高度約為外殼徑的一般取2025%,過高或過低都不利于傳熱.兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼徑D的(0.21府.系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的 h值為：固定管板式的有150、300 和600mm三種；浮頭式的有150、200、300 480和600mm五種.板間距過小,不便于制造和檢修, 阻力也較大. 板間距過大,流體就難于垂直地流過管束,使對(duì)流傳熱系數(shù)下降

9、.擋板切去的弓形高度及板間距對(duì)流體流動(dòng)的影響如圖3-42所示.11 外殼直徑確實(shí)定換熱器殼體的徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑.根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中央距及管子的排列方法等,可用作圖法確定殼體的徑.但是,當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí),作圖法太麻煩費(fèi)時(shí),一 般在初步設(shè)計(jì)時(shí),可先分別選定兩流體的流速,然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積,于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑.待全部設(shè)計(jì)完成后,仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖.為了使管子排列均勻,預(yù)防流體走短路,可以適當(dāng)增減一些管子.另外,初步設(shè)計(jì)中也可用下式計(jì)算殼體的徑,即D = tU-l)+2b(4-122)式中 D殼體徑,m；t管中央距

10、, m;nc橫過管束中央線的管數(shù)；b管束中央線上最外層管的中央至殼體壁的距離,一般取b =(11.5) do.nc值可由下面的公式計(jì)算.管子按正三角形排列時(shí)：“二LLn (4-123)g千按下方形排列葉口匚-L1而(4 124)官子按正方形排列時(shí)：(4-124)式中n為換熱器的總管數(shù).按計(jì)算得到的殼徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸,見表4-15.8 .主要構(gòu)件封頭封頭有方形和圓形兩種,方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm),圓形用于大直徑 的殼體.緩沖擋板為預(yù)防殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊,可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板.導(dǎo)流筒殼程流體的進(jìn)、出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間(死角),為了提 高傳

11、熱效果,常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒,使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間.放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔,以排除不凝性氣體和冷凝液等.接收尺寸換熱器中流體進(jìn)、出口的接U直徑按下式計(jì)算,即 ：式中Vs-流體的體積流量,陋/s；u -接收中流體的流速,m/s.流速u的經(jīng)歷值為：對(duì)液體u=1.52 m/s對(duì)蒸7氣u=2050 m/s對(duì)氣體u=(1520)p/ p鄭5強(qiáng),單位為 atm ; p為氣體密度,單位為 kg/ )在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低9 .材料選用列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用.性能要下降.同時(shí)具有耐熱性、高

12、強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的.目前合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等.不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好,但價(jià)格高且較稀缺,應(yīng)盡量少用.10 .流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)算(1)管程流體阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得.對(duì)于多程換熱器,其總阻力A畸于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和.一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì),故管程總阻力的計(jì)算式為：她二(APi十姐用也/4-125式中Api、A-p2-分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降,Ft-結(jié)垢校正因數(shù),無(wú)因次,對(duì)于 .25X 2.5mmj管子,子,取為1.5;Np-管程數(shù)；Ns-串聯(lián)的殼程數(shù).上式中直管壓強(qiáng)降 A p

13、何按第一章中介紹的公式計(jì)算；回彎管的壓強(qiáng)降軌=3(凈(4-126)(2)殼程流體阻力 現(xiàn)已提出的殼程流體阻力的計(jì)算公式雖然較多,2N/m ；取為 1.4,對(duì) 4 19 X 2mlmJ管A p油下面的經(jīng)歷公式估算,即但是由于流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜,使所得的結(jié)果相差很多.下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng),一 M(4-127)A pO勺公式,即：式中a p1 流體橫過管束的壓強(qiáng)降,N/陽(yáng)；A p2 流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降,N/加；Fs殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù),無(wú)因次,對(duì)液體可取可取1.0幺與二織七(N5+L)亨而一 (4-128)AP；=砥(3,5-初)D 2(4-129)式中F-管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降

14、的校正因數(shù),對(duì)正三角形排列F=0.5,對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)0.3;fo-殼程流體的摩擦系數(shù),當(dāng)Reo 500時(shí),口 一 1.15,對(duì)氣體或可凝蒸氣45 為0.4,正方形排列為nC-橫過管束中央線的管子數(shù);NB-折流板數(shù)；h -折流板間距,m；A. - k(D JLjdf.)uo-按殼程流通截面積 Ao計(jì)算的流速,而 F匚.一般來(lái)說(shuō),液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為0.11atm,氣體的為0.010.1atm.設(shè)計(jì)時(shí),換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間予以權(quán)衡,使既能滿足工藝要求,又經(jīng)濟(jì)合理.三、列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟1.試算并初選設(shè)備規(guī)格(1)確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑.(2)根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)

15、算熱負(fù)荷 Q.(3)確定流體在換熱器兩端的溫度,選擇列管式換熱器的型式；計(jì)算定性溫度,并確定在定性溫度下流體的性質(zhì).(4)計(jì)算平均溫度差,并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原那么,決定殼程數(shù).(5)依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)歷值圍,或按生產(chǎn)實(shí)際情況,選定總傳熱系數(shù)K選值.(6)由總傳熱速率方程 Q=KSA tm,初步算出傳熱面積S,并確定換熱器的根本尺寸 (如d、L、n及管子在管板上 的排列等),或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格.2 .計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格,計(jì)算管、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降.檢查計(jì)算結(jié)果是否合 理或滿足工 藝要求.假設(shè)壓強(qiáng)降不符合要求,要調(diào)整流速,再確定管程數(shù)或折流板間距,或選擇另一規(guī)格的設(shè) 備,重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止.3 .核算總傳熱系數(shù)計(jì)算管、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)a i和確定污垢熱阻Rsi和Rso,再計(jì)算總傳熱系數(shù)K,比較K得初始值和計(jì)算值,假設(shè) K/K =1.151.25,那么初選的設(shè)備適宜.否那么需另設(shè)K選值,重復(fù)以上計(jì)算步驟