換熱器設(shè)計及性能分析總結(jié)二版

換熱器的定義:在工程中，將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給其他流體的設(shè)備(又稱熱交換器,此2=Exchanger)。一般是兩種溫度不同的流體參與傳熱,一種流體溫度較高,放出熱量,另一種流體溫度較低,吸收熱量。但是,在某些換熱器中,也有多于兩種具有不同溫度流體參與傳熱的。這里所講的換熱器是指以傳熱為其主要目的的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中的有些設(shè)備,如制冷設(shè)備、干燥設(shè)備、精餾設(shè)備等等,在其完成指定的生產(chǎn)工藝過程的同時，都伴隨著熱量的交換,但傳熱并不是其主要目的,因此,就不屬于換熱器的范疇。換熱器的分類：按用途分：預(yù)熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等按制造材料分：金屬、石墨、陶瓷、熟料等按工作原理分:回?zé)崾?蓄熱式)即冷熱流體交替流過換熱表面、混合式(冷熱流體直接相互摻混)、間壁式(冷熱流體由固體壁面隔開)按流動型式：順流、逆流、混流、一次交叉流、順流式交叉流、逆流式交叉流、混合式交叉流各種流型平均溫差的比較(1)逆流平均傳熱溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順流平均傳熱溫差。事實上，在所有換熱流型中,逆流和順流是兩種極端情形,逆流傳熱性能最好,平均傳熱溫差最大，順流傳熱性能最差,平均傳熱溫差最小。(2)在折流換熱器中,即包含有逆流、也有順流,因此，其平均傳熱溫差介于逆流和順流之間。(3)對于三種典型的一次交叉流動而言，相同條件下兩種流體都橫向不混合的平均傳熱溫差最大，相反,兩種流體都橫向混合的平均傳熱溫差最小。對于多次交叉流動而言,總趨勢為逆流的多次交叉流動平均傳熱溫差接近于逆流,總趨勢為順流的多次交叉流動平均傳熱溫差接近于順流。(4)從出口溫度來看,逆流式換熱器冷流體出口溫度可能高于熱流體出口溫度,但順流式換熱器冷流體出口溫度永遠(yuǎn)低于熱流體出口溫度。另一方面,逆流式換熱器中冷、熱流體最高溫度位于換熱器的同一端,該處傳熱壁面溫度高,工作條件惡劣;而順流式換熱器中冷、熱流體在換熱器同一端進(jìn)入,傳熱面冷卻較好在所有流型中,交叉流動換熱面熱應(yīng)力最小。(5)在換熱器設(shè)計中,從提高傳熱性能的角度看,應(yīng)盡可能采用逆流或接近于逆流的交叉流,但若熱流體溫度較高,因為采用逆流而對換熱面材質(zhì)提出更高要求時,就必須進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇最佳的方案。(6)如果在換熱過程中,一種流體的溫度不變，例如純工質(zhì)的沸騰與凝結(jié)換熱,或者一種流體的溫度變化相對于另一種流體非常小,則所有流型的平均傳熱溫差相同,流型對平均傳熱溫差的影響消失。如蒸發(fā)器和冷凝器,發(fā)生相變的流體溫度不變,所以不存在順流還是逆流的問題。①分段的加權(quán)平均溫差：At=一m工A①i=1Atm,i

熱容量比R定義為換熱器兩流體中較小得熱容量與較大的熱容量之比。R=min（qmcp）max傳熱單元數(shù)NTU二KF/Wmin以熱容量小的流體為基準(zhǔn)傳熱單元數(shù)是反應(yīng)換熱器傳熱性能的一個重要指標(biāo)，傳熱單元數(shù)越大，表明換熱器傳熱能力越強(qiáng)，傳熱性能越好。傳熱單元數(shù)也可理解為具有較小熱容量流體的溫度變化與平均傳熱溫差之比,因此,相同平均傳熱溫差下，傳熱單元數(shù)越大,意味著流體溫度變化越大,換熱效果越好,反之亦然;在傳熱單元數(shù)中,包含傳熱面積、流體質(zhì)量流量和傳熱系兩方面的物理量,其分別代表了換熱器的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，因此，傳熱單元數(shù)是一個反映換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)傳熱有效度傳熱有效度的定于基于如下的思想：當(dāng)換熱器無限長（面積無限大），對于一個逆流換熱器來說，定義最大可能傳熱量，最大可能傳熱量是指熱面積為無窮大時的傳熱量。按照熱力學(xué)第二定律,在傳熱過程中,熱流體溫度最低只能冷卻到冷流體進(jìn)口溫度,冷流體溫度最高只能升到熱流體進(jìn)口溫度,最大傳熱量即是指這兩種情況下的傳熱量。傳熱有效度即為實際傳熱量傳熱有效度即為實際傳熱量與最大可能傳熱量之比。①=(qc)(t'-1')maxmpmin1 2順流：e=1-exp[-NTU(1+R)]0 。i順流：e=1-exp[-NTU(1+R)]^=——逆流：￡= 。 1-Rexp[-NTU(1-R)]max按照傳熱有效度的定義,它是一個小于1的換熱器無因次性能參數(shù),其大小反映了換熱器在傳熱性能方面接近理想狀況的程度,也可用于比較不同流型換熱器性能上的差異。對于只有兩種流體參與的換熱過程,換熱器傳熱有效度僅與兩種流體的進(jìn)、出口溫度有關(guān)。但是,對于三種或三種以上流體參與的換熱過程,則其傳熱有效度不僅與流體進(jìn)出口溫度有關(guān),還與流體熱容量、傳熱面積、傳熱系數(shù)等因素有關(guān)。多次交叉流動—流型圖不同多次交叉流型的差別主要表現(xiàn)在三個方面,即交叉次數(shù)、總的流動趨勢和交叉流動過程中的混合狀況,這三個因素都可以用多次交叉流型圖表示。如下表所示（總流動趨勢為逆流的多次交叉流型）。程內(nèi)是指每次交叉換熱的區(qū)域，程間是指每次交叉過程之間的區(qū)域，而程內(nèi)和程間的組合就構(gòu)成全程。根據(jù)示意圖，判斷兩種流體在程間和程內(nèi)是否混合。例題4例有一管式空氣預(yù)熱器，煙氣在管內(nèi)流過，程間橫向混合，如圖所示。己知:總傳熱面積為A=1353m2,傳熱系數(shù)飛35川/（皿2口，煙氣熱容量W/14460W/K,進(jìn)口溫度t「=480℃，空氣熱容量W2=10540W/K,進(jìn)口溫度％?=135℃，求煙氣及空氣的出口溫度。1解：傳熱單元數(shù)NTU=熱容量比：R= 分傳熱單元數(shù)NTUi=1/2NTU查圖得￡i- 2￡-￡2(1+R)總傳熱有效度￡=1-￡2Ri平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計算傳熱量值,顯然E-NTU法對假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感,這是該方法的優(yōu)勢。在校核計算時,由于傳熱單元數(shù)和熱容量比都已知，因此,可以方便地根據(jù)無因次量間的關(guān)系計算出傳熱有效度，從而確定流體出口溫度或總的換熱量。所以,在校核計算中，傳熱單元數(shù)法能顯出更大的優(yōu)越性。設(shè)計計算：①初步布置換熱面，并計算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)K;②根據(jù)給定條件,由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個待定的溫度;③由冷熱流體的4個進(jìn)出口溫度確定平均溫差;④由傳熱方程式計算所需的換熱面積A，并核算換熱面流體的流動阻力；⑤如果流動阻力過大,則需要改變方案重新設(shè)計。校核計算：①先假設(shè)一個出口溫度，按熱平衡式計算另一個出口溫度;②根據(jù)4個進(jìn)出口溫度求得平均傳熱溫差③根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)，算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)K;④己知KA和4t，按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的Q;⑤根據(jù)4個進(jìn)出口溫度,用熱平衡式計算另一個Q,(這個值和上面的Q,都是在假設(shè)出口溫度下得到的,因此，都不是真實的換熱量;)⑥比較兩個Q值,滿足精度要求，則結(jié)束,否則,重新假定出口溫度,重復(fù)①-⑥,直至滿足精度要求效能傳熱單元數(shù)法設(shè)計計算的步驟(1)先假定一個流體的出口溫度.按熱平衡式計算另一個出口溫度(2)根據(jù)4個進(jìn)出口溫度求得平均溫差(3)根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu).算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k(或已知)(4)已知kA.按傳熱方程式計算在假設(shè)出口溫度下的tm,得到Q(5)根據(jù)4個進(jìn)出口溫度.用熱平衡式計算另一個Q.這個值和上面的Q.都是在假設(shè)出口溫度下得到的.因此.都不是真實的換熱量⑹比較兩個Q值.滿足精度要求.則結(jié)束.否則.重新假定出口溫度.重復(fù)(1)-(6).直至滿足精度要求。在校核計算中,E-NTU法運(yùn)用較多。在設(shè)計計算時，平均溫差法傳熱有效度-傳熱單元數(shù)法是通過換熱器無因次量間的關(guān)系E=f(NTU,R)來計算換熱器性能,由于無因次量間的關(guān)系也是基于傳熱方程和熱平衡方程導(dǎo)出的,因此,傳熱有效度-傳熱單元數(shù)法和平均傳熱溫差法兩者并無本質(zhì)區(qū)別,只是處理方法不同。傳熱有效度也是一個反映換熱器性能的重要指標(biāo)，在計算中應(yīng)盡量追求大的傳熱有效度。例如，在其他條件相同時，在所有流型中逆流換熱器傳熱有效度是最大的,且隨傳熱單元數(shù)的增大而增加，因此,在選擇流型時，應(yīng)盡量采用逆流,并增大傳熱單元數(shù)。熱交換器計算方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較對于設(shè)計性熱計算.采用平均溫差法可以通過中的大小判定所擬定的流動方式與逆流之間的差距.有利于流動方式的選擇。而在校核性傳熱計算時.兩種方法都要試算。在某些情況下.K是已知數(shù)值或可套用經(jīng)驗數(shù)據(jù)時.采用傳熱單元數(shù)法更加方便。假設(shè)的出口溫度對傳熱量Q的影響不是直接的.而是通過定性溫度.影響總傳熱系數(shù).從而影響NTU.并最終影響Q值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計算Q值.顯然e-NTU法對假設(shè)

溫度沒有平均溫差法敏感.這是該方法的優(yōu)勢。例題5換熱器串聯(lián)查出每臺換熱器的Pi關(guān)系式：1-關(guān)系式：1-P1-PR1H)t''-t'由P二-2一2得t''t'-t' 212由R二t■一工得t"t''-t' 122流體流動方式的選擇總體原則1、在給定溫度狀況下，保證獲得較大的平均溫差，以較小傳熱面積,降低金屬或其他材料的消耗。2、使流體本身的溫度變化值盡可能大,從而使流體的熱量得到合理利用,減小它的消耗量,并可節(jié)省泵或風(fēng)機(jī)的投資與能量消耗。3、盡可能使傳熱面的溫度比較均勻,并使其在較低的溫度下工作,以便用較便宜的材料制造換熱器。溫度不均勻（熱應(yīng)力）、溫度高對材料的要求也越高。4、應(yīng)有最好的傳熱工況,以便得到較高的傳熱系數(shù)同樣起到減小傳熱面積的作用。強(qiáng)化傳熱的原理增大平均傳熱溫差：改變熱流體或冷流體溫度就能改變傳熱溫差△，另一方面,改變換熱流體之間的流動方式如順流、逆流或錯流等，它們的傳熱溫差也就不同。增加傳熱溫差應(yīng)考慮到實際工藝或設(shè)備條件上是否允許。增加傳熱面積：擴(kuò)展傳熱面積以增加傳熱,合理地提高設(shè)備單位體積的傳熱面積，如采用翅片管、波紋管、板翅式傳熱面等提高傳熱系數(shù);增強(qiáng)傳熱的積極措施是設(shè)法提高傳熱系數(shù)。因為傳熱過程總熱阻是各項分熱阻的疊加,并且應(yīng)使對流換熱系數(shù)小的那一項增大，才能更有效地增加傳熱系數(shù)。（從熱阻最大的環(huán)節(jié)入手、單相對流換熱、沸騰換熱、凝結(jié)換熱）強(qiáng)化傳熱技術(shù)的分類傳熱過程：導(dǎo)熱過程強(qiáng)化；對流傳熱過程的強(qiáng)化：單相對流、沸騰傳熱、凝結(jié)傳熱；輻射傳熱過程的強(qiáng)化。是否需要額外動力：有源技術(shù)（主動強(qiáng)化）：表面振動、射流沖擊、外加磁場；無源技術(shù)（被動強(qiáng)化）：粗糙表面，表面處理，擴(kuò)展表面。單相流體對流換熱的強(qiáng)化無源強(qiáng)化技術(shù)管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱的強(qiáng)化——改變管道截面形狀（橫紋槽管、縮放管、波紋管、交叉縮放橢圓管）流體旋轉(zhuǎn)法（管內(nèi)插入物、螺紋槽管和螺旋內(nèi)肋管）管外強(qiáng)制對流換熱的強(qiáng)化——擴(kuò)展表面換熱、人工粗糙度有源強(qiáng)化技術(shù)：機(jī)械攪拌法，射流沖擊法，添加劑法。強(qiáng)化傳熱的性能評價強(qiáng)化傳熱的方法多種多樣，人們往往希望找到那些具有高傳熱效率、低成本、低阻力損失等良好性能的途徑，這就需要全面、正確地評價各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)的性能。根據(jù)所依據(jù)的理論基礎(chǔ)不同,評價方法分為三類。以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)、以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)、以熱經(jīng)濟(jì)學(xué)為基礎(chǔ)。以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)：Q/N消耗單位功率所傳遞的熱量缺陷：只考慮了能量數(shù)量上的差異，不考慮品質(zhì)上的差異。以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)：它通過比較強(qiáng)化管和光管在相同條件下由于不可逆過程引起的嫡產(chǎn)來判斷強(qiáng)化傳熱性能的優(yōu)劣，嫡產(chǎn)數(shù)越小，則采用強(qiáng)化傳熱手段的能量有效利用程度越好。缺陷：沒有考慮傳熱強(qiáng)化所帶來的材料消耗、動力消耗、制造安裝、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用的變化等。以熱經(jīng)濟(jì)學(xué)為基礎(chǔ)：較為典型的是憚經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評價法，該指標(biāo)既考慮了采用強(qiáng)化傳熱措施后傳熱能力的改善，又考慮了加工制造在內(nèi)的強(qiáng)化傳熱管所有費(fèi)用的變化,可為換熱設(shè)備設(shè)計時強(qiáng)化傳熱管的選擇提供依據(jù)。換熱器應(yīng)滿足的幾項基本要求：①保證滿足生產(chǎn)過程所要求的熱負(fù)荷；②強(qiáng)度足夠及結(jié)構(gòu)合理；③便于制造、安裝和檢修;④經(jīng)濟(jì)上合理。管殼式換熱器管殼式換熱器主要由換熱管束、殼體、管板、前端管箱和后端結(jié)構(gòu)等部件組成。管束兩段固定在管板上，然后整體安裝在殼體內(nèi)。前端管箱和后端結(jié)構(gòu)分別通過法蘭與殼體兩端相連，檢修或清洗時可方便拆卸。在管殼式換熱器中,將在管內(nèi)流動的流體稱為管流體,換熱管內(nèi)的通道及其相貫通處稱為管程;在管外流動的流體稱為殼流體，管外流道及其貫通處稱為殼程。冷熱兩種流體分別在管程和殼程流動,通過換熱管壁實現(xiàn)熱量的交換。在換熱器前端管箱和（或）后端結(jié)構(gòu)上設(shè)有管程流體的進(jìn)、出口接管。單管程——如果流體從前端管箱的進(jìn)口接管流入、一次流過管束、從后端結(jié)構(gòu)上的出口接管流出，則稱為單管程。多管程——當(dāng)管殼式換熱器換熱面積較大，換熱管數(shù)較多時，管內(nèi)流通截面積增大，流速降低。為了提高管內(nèi)流體流速，可以將換熱管束平均分成若干組，使流體在換熱管束內(nèi)多次往返流動,稱之為多管程。管程數(shù)指管流體沿?fù)Q熱管軸向往返的次數(shù)，一股取2、4、6?????單殼程——?dú)こ塘黧w沿殼體軸向一次通過殼程稱為單殼程。當(dāng)換熱器殼體直徑較大時，殼程流體流通截面積增大，流速降低?！獮榱颂岣邭こ塘黧w流速也可在與管束軸線平行方向上設(shè)置縱向隔板進(jìn)行分程，殼程數(shù)Ns指殼程流體沿殼體軸向往返的次數(shù)。但是，由于受到空間限制，殼程分程隔板安裝困難，因此，一般都盡量避免采用縱向隔板對殼程進(jìn)行分程。折流板——為了提高殼程流體流速，強(qiáng)化殼程傳熱過程，通常都采用各種型式的折流板。選擇合適的折流板型式和折流板間距，可以方便地控制流速并使管外的縱向流動變?yōu)闄M向沖刷，從而加強(qiáng)了對流體的擾動，有效提高管外對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。管殼式熱交換器分類：(1)固定管板式熱交換器，將管子兩端固定在位于殼體兩端的固定管板上，由于管板與殼體固定在一起，所以稱之為固定管板式換熱器。特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，在殼程程數(shù)相同的條件下，可排的管數(shù)比較多，殼程不能夠檢修和清洗，因此不適宜易結(jié)垢和不清潔流體的換熱過程。應(yīng)用場合:適用于殼程流體潔凈且不宜結(jié)垢，流體溫結(jié)小于70°C,流程壓力小于600kPa的場合。(2)U形管式熱交換器：U形管式換熱器的換熱管束由U形彎管組成。管子兩端固定在同一塊管板上，彎曲端不固定，因此，每根U形管都可以沿管子軸向自由伸縮而不受其他管子及殼體的影響，熱補(bǔ)償性能好。U形管換熱器在需要清洗時可將整個管束抽出，但清除管內(nèi)壁卻比較困難;由于管程為雙管程,因此，管內(nèi)流體流速高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大,但流動阻力也隨之地加。(3)浮頭式熱交換器結(jié)構(gòu):浮頭式換熱器的兩端管板只有一端通過法蘭與殼體固定聯(lián)接，這一端稱為固定端;而另一端的管板不與殼體聯(lián)接，其可相對于殼體滑動，這一端被稱為浮頭端。即浮頭式換熱器的一塊管板與殼體固定，另一塊管板可以在殼體內(nèi)來回活動，并連接一浮頭，當(dāng)管束受熱受冷時即可自由伸縮。由于整個浮頭位于殼體內(nèi)部,故又稱為內(nèi)浮頭式換熱器。優(yōu)點(diǎn):管束的熱膨脹不受殼體的約束，殼體與管束之間不會因差脹產(chǎn)生熱應(yīng)力。管程殼程的清洗檢修較為方便，將整個管束從固定端抽出即可。缺點(diǎn):浮頭蓋與管板法蘭連接面積較大，殼體直徑增加,在管束與殼體之間形成阻力較小的環(huán)形通道,部分流體由這里通過不參加換熱,形成短路。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,造價高，易發(fā)生內(nèi)漏。(4)填料函式熱交換器—結(jié)構(gòu)特點(diǎn):管板只有一端與殼體固定連接,另一端采用填料函密封,可在調(diào)料函中滑動,浮頭露在殼體外面,又稱為外浮頭式熱交換器。管束可以自由伸縮,不會因殼壁和管壁的溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單,加工制造方便,節(jié)省材料,造價比較低廉,且管束從殼體內(nèi)可以抽出，管內(nèi)、管間都能進(jìn)行清洗,維修方便。缺點(diǎn)：因填料處易產(chǎn)生泄漏，填料函式換熱器一般適用于4MPa以下的工作條件,且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì),使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。管殼式換熱器的命名**XXXDN-P-A-LN-aI(或II)PdNXXX第一個字母代表前端管箱形式,第二個字母代表殼體形式,第三個字母代表后端結(jié)構(gòu)形式DN-公稱直徑；Pt/Ps-管殼程設(shè)計壓力，相等時只寫Pt;A公稱換熱面積；LN/d—熱管工程長度，熱管外徑；Nt/Ns-管程數(shù)和殼程數(shù)，單管程只寫Nt(I或II):I級熱交換器采用高級或較高級冷拔鋼管,II級換熱器采用普通冷拔鋼管AES500-1.6-54---4125A平蓋管箱；E單程殼體；S鉤圈式浮頭；公稱直徑為500mm;管程和殼程設(shè)計壓力分別為1.6Mpa；公稱換熱面積為54m2；管長6m；換熱管外徑25mm；4管程單殼程；I一級管束碳素鋼較高級冷拔換熱管表示平蓋管箱,公稱直徑500mm,管程和殼程設(shè)計壓力均為1.6MPa，公稱換熱面積54m2,碳素鋼較高級冷拔換熱管，管長6m,管外徑25mm；4管程、單殼程鉤圈式浮頭式換熱器。前端管箱：A:平蓋管箱B:封頭管箱C:用于可拆管束與管板制成的一體管箱N:與管板制成一體的固定管板管箱D:特殊高壓管箱殼體型式:E:單程殼體F:具有縱向隔板的雙程殼體G:分流^雙分流I:U形管式熱交換器J：無隔板分流K：釜式重沸器O：外導(dǎo)流后端結(jié)構(gòu)型式：L:與A相似的固定管板結(jié)構(gòu)M:與B相似的固定管板結(jié)構(gòu)N:與C相似的固定管板結(jié)構(gòu)P:填料函式浮頭5：鉤圈式浮頭T：可抽式浮頭U:U形管束環(huán):帶套環(huán)填料函式浮頭。換熱管（光管、翅片管、螺紋管）換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件,主要通過管壁的內(nèi)外面進(jìn)行傳熱，所以換熱管的形狀、尺寸和材料，對傳熱有很大的影響。小管徑且管壁較薄的管子在相同的殼徑內(nèi)可以排列較多的管子,使換熱器單位體積的傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊，單位傳熱面積金屬耗量少，傳熱效率也稍高一些，但制造麻煩,且易結(jié)垢,不易清洗。換熱管的管徑選取原則1、盡量選用標(biāo)準(zhǔn)管徑，這樣在經(jīng)濟(jì)和制造上都是有益的2、盡量選用小直徑管子，這樣可以增大換熱面積，節(jié)約金屬消耗，降低換熱器成本。在相同條件下，采用小直徑管子可使管內(nèi)、外對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，同時，能使單位體積內(nèi)布置更多的傳熱面。管子在管板上的排列原則保證管板強(qiáng)度；設(shè)備緊湊,以便減小管板和殼體的直徑,并使管外空間的流通武面減小,以便提高管外流體的流速；制造、安裝、和修理、維護(hù)方便管子在管板上的排列方式（1）等邊（正）三角形：正三角形排列是最常見的排列方式,在這種排列方式中，流體流動方向與三角形的一條邊垂直,是一種最典型的錯排。正三角形排列布管比較緊湊，流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，便于管板劃線及鉆孔,但管間不易清洗，流動阻力天。這種排列方式適用于殼程介質(zhì)不易結(jié)垢且不需要機(jī)械清洗、允許壓降較大的換熱過程。（2）同心圓：所謂同心圓排列是指以殼體中心作為管束的中心,在同心圓上排列管子。此時,管間距s既是兩層圓周之間的距離,也是圓周上管子之間的間距,但是,必須指出,管子直線間距和圓弧上管間距稍有差別,因為在圓周上布置的管子必須是整數(shù),從而采用這種排列方式時,各層圓周上的管間距是不相等的,這就使得管板上的劃線、制造和裝配都比較困難。這種排列方式的優(yōu)點(diǎn)是布管比較緊湊,特別是在靠近殼體處管子排列非常均勻,因此,在小型換熱器中,這種布管方式比等邊三角形排列要好。但隨著殼體直徑的增大,同心圓排列的優(yōu)點(diǎn)逐漸消失,因此,在大型換熱器中,多采用等邊角形排列。（3）正方形：正方形排列是一種典型的順排，在這種排列方式中，流體流動方向與正方形的一邊垂直。這種排列方式在相同條件下可排列的管數(shù)最少，因此，布管最不緊湊,流體對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低，但流動阻力小。正方形排列的主要優(yōu)點(diǎn)是易于清掃，故在易于結(jié)垢、需將管束抽出清洗的場合非常實用，例如，在浮頭式和填料函式換熱器中就常采用這種排列方式。（4）組合排列組合排列是指在換熱器中同時具有多種排列方式的一種排列。例如,在多管程換熱器中,每一程都采用等邊三角形排列,面在各程相鄰管排間,為便于安裝分程隔板,則采用正方形排列。需要說明的是,在多管程換熱器中,分程隔板要占據(jù)一部分管板面積,因此,分程陋板槽兩側(cè)管間距會增加,實際排管數(shù)必須扣除增加的間距后計算或作圖確定。（5）轉(zhuǎn)角排列：轉(zhuǎn)角等邊三角形排列法:流體的流動方向與三角形的一條邊平行的排列方法。（6）轉(zhuǎn)角正方形排列法:流體的流動方向與正方形的一條對角線垂直的排列方法。■管板與殼體的連接管板和殼體的連接方式有兩種,即不可拆連接和可拆連接。所謂不可拆連接是指換熱器兩端的管板直接焊在外殼上，并將延伸到殼體周圍之外的部分兼作法蘭，在固定管板式換熱器中常采用不可拆連接。這種連接方式，拆下管箱即可檢修脹口或清掃管內(nèi)污垢，但由于換熱管束、管板和殼體連為一休，換熱器在運(yùn)行時管子和殼體內(nèi)熱應(yīng)力較大，需要進(jìn)行熱補(bǔ)償。不可拆連接適合高壓、有毒、易爆介質(zhì)的換熱，但殼程清洗較為困難?！龉軞な綋Q熱器的部件管箱型式很多,包括平板型、封頭型、碟型、半球形及錐形等，但最常用的是平蓋管箱和封頭管箱,如圖所示。平蓋管箱結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但承壓能力低;封頭管箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，但承壓能力強(qiáng)。對于大直徑換熱器和介質(zhì)壓力較高的換熱器,應(yīng)優(yōu)先采用封頭管箱。管程一換熱管內(nèi)的通道以及與其相貫通處稱為管程。殼程—換熱管外的通道以及與其相貫通處稱為殼程。管束分程（分程隔板）：條件：當(dāng)換熱器所需換熱面增加，而管子又不能太長時。管程數(shù):一般有1，2，4，6，8，10，12等七種（當(dāng)管利數(shù)為偶數(shù)時，制、安裝和檢修都比較方便），隨著管程數(shù)的增多，管程流體流程增加，流動阻力增加，因此，管程數(shù)不易太多。一般以2、4程較為普遍。（③）分程的原則：1、避免流體溫差較大的兩部分管束緊鄰；2、相鄰程間平均壁溫之差不超過28℃；3、應(yīng)盡可能使各管程的換熱管數(shù)大致相同；4、分程隔板板槽形狀簡單，密封面長度較短縱向隔板為了提高流體的流速和湍流程度，強(qiáng)化殼程流體的傳熱，在管外空問常裝設(shè)縱向隔板或折流板?？v向隔板在U形管殼式熱交換器中常有應(yīng)用。其最小厚度為6mm,當(dāng)殼程壓降較大時應(yīng)適當(dāng)加厚。由于它的安裝難度較大，也由于它與殼體內(nèi)壁之間容易存在間隙而產(chǎn)生流體泄漏在它兩側(cè)的流體溫度不同又存在熱的泄漏,往往降低了裝設(shè)縱向隔板的效果。由于這兩個方面的問題,兩塊以上的縱向隔板在實際中很少采用。折流板作用：a.提高殼程流體流速,增加湍動程度；使殼程流體垂直沖刷管束,提高殼程傳熱系數(shù);b.減少結(jié)垢;c.支承管束（當(dāng)換熱管較長時，折流板可有效地支撐管束，提高其剛度，防止管束的振動）。結(jié)構(gòu)型式：折流板型式很多，主要有弓形折流板、盤環(huán)形折流板、扇形折流板、管孔形折流板等。支持板（支承板）設(shè)置條件:當(dāng)換熱器在工藝上無須設(shè)置折流板，但管子又比較長，超過最大無支撐跨距時,需設(shè)置一定數(shù)量的支持板,按照折流板處理.作用:a。減小跨距一防振；b.支承管子一增加管子剛度，防止管子產(chǎn)生過大撓度弓形折流板幾何尺寸的影響弓形折流板的缺口高度h和板間距B的大小是影響殼程流體傳熱和流動的兩個重要因素，確定的基本原則是保證殼程流體流過缺口處的流通面積（流速）與流過兩塊折流板間的流通面積（流速）相近。擋管（假管）安裝分程隔板會使殼程形成不為管子所占據(jù)的通道，假管是兩端堵死的管子,安裝在分程隔板槽背面兩管板之間。J防止管間短路。J擋管一般與換熱管規(guī)格相同,可與折流板點(diǎn)焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。J擋管每隔3?4排換熱管設(shè)置一根,但不設(shè)置在折流板缺口處。旁路擋板換熱管束外圍與殼體內(nèi)壁間存在的間隙會形成旁流,旁路擋板即用來減小管束外環(huán)間隙的旁流，主要通過旁路擋板增加流動阻力,迫使大部分殼程流體通過管束進(jìn)行傳熱。防沖板位于殼程流體進(jìn)口處的管束,經(jīng)常會受到高速流體的沖刷,因此,在殼程流體進(jìn)口處需要設(shè)置防沖擋板，保護(hù)進(jìn)口處的換熱管免于受到磨損和沖蝕。防沖擋板的形式有如圖所示的三種，其中（a）、（b）是將防沖板兩側(cè)焊在定距管和拉桿上，（c）是直接焊在殼體壁上。導(dǎo)流筒：為使流體更均勻地流入管間，防止流體對進(jìn)口段管束的沖刷，并減小遠(yuǎn)離接管處的死區(qū),提高傳熱效果,可裝設(shè)導(dǎo)流筒。導(dǎo)流筒有內(nèi)導(dǎo)流筒和外導(dǎo)流筒兩種形式。設(shè)置條件:A、當(dāng)殼程進(jìn)口管流體的PU2值為下列數(shù)值時，應(yīng)在殼程進(jìn)口管處設(shè)置防沖板或?qū)Я骱啠?、非腐蝕、非磨蝕性的單相流體,pu2>2230kg/（m-s2）2、其他液體,包括沸點(diǎn)下的液體,pu2>740kg/（m?s2）B、有腐蝕或有磨蝕的氣體、蒸汽及汽液混合物，應(yīng)設(shè)置防沖板。C、當(dāng)殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大時，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流簡，以減少流體停滯區(qū),增加換熱管的有效換熱長度。折流板缺口高度確定原則:為避免流動速度變化引起壓降,流體在缺口處的流通械面積與流體在兩折流板間錯流的流通截面積接近?！钊笨诖笮∮霉蜗腋哒?xì)んw內(nèi)直徑的百分比來表示。缺口高度越大，流速越低，擾動效果下降,傳熱能力降低;缺口高度越小流場越不均勻,且容易堵塞。☆應(yīng)使流體流過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。折流板厚度對傳熱和流動沒有影響，但是，為了有效防止管束振動、并承受拆換管子時的拉作用，必須要保證一定的折流板厚度。一股情況下，折流板厚度至少是換熱管壁厚度的一倍，且最薄不能小于3mm。折流板上管孔與換熱管和折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙，過大會造成：泄漏嚴(yán)重，不利于傳熱且易引起振動；過小會導(dǎo)致安裝困難。對流換熱系數(shù)計算過程定性溫度的取法流體的平均溫度、壁面溫度、流體和壁面的平均溫度；定型尺寸的選擇選取原則:對流體運(yùn)動或傳熱發(fā)生主導(dǎo)影響的尺寸。圓管內(nèi)的換熱過程:取管子內(nèi)徑；圓管管外強(qiáng)迫流動換熱:管子外徑；非非圓形管道:當(dāng)量直徑管殼式換熱器的流動阻力換熱器由于流動阻力引起的壓降式衡量換熱器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個重要指標(biāo)，如果壓降大，則輸送流體所消耗的機(jī)械功就多。流動阻力產(chǎn)生的根源：黏性流動阻力產(chǎn)生的條件：固體壁面流動阻力大小的決定因素：物理性質(zhì)、流動狀況、壁面因素?fù)Q熱器流動阻力的分類：摩擦阻力：由于流體與壁面的摩擦；局部阻力：由于流動方向或速度突然改變所產(chǎn)生的。管殼式換熱器的阻力包括管程與殼程阻力管程阻力的計算總阻力=沿程阻力+回彎阻力+進(jìn)出口連接管阻力在相同雷諾數(shù)下,因為殼程流體橫向沖刷管束時流速和方向在不斷變化,因此,殼程摩擦系數(shù)大于管程摩擦系數(shù),但是，因為壓降與流速、水力直徑、折流板數(shù)和流體密度等有關(guān),因此,同樣雷諾數(shù)下殼程壓降有可能比管程低。無折流板時，可用管程阻力公式計算殼程阻力管、殼程流體的確定原則①提高傳熱系數(shù)受到限制的那一側(cè)的換熱系數(shù)，使傳熱面兩側(cè)的傳熱條件盡量接近;②節(jié)省金屬材料;③清洗污垢方便;④減少熱量、冷量損失;b減少殼體和管子因受熱不同而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力;⑥在高壓下工作的熱交換器,使密封簡單可靠;⑦便于流體的流入、分配和排出。確定管、殼程流體時應(yīng)滿足的要求：①流量小、粘度大的流體走殼程；②對于剛性結(jié)構(gòu)換熱器,如果冷熱流體溫差大，應(yīng)使表面?zhèn)鳠嵯荡蟮牧黧w走殼程；③與環(huán)境溫差大的流體走管程，與環(huán)境溫差小的流體走殼程，這有利于減小對環(huán)境的散熱損失；④對于冷凝器,飽和蒸汽易走殼程，這樣有利于凝結(jié)液的排除。⑤易結(jié)垢、易沉淀和不清潔的流體走管程，有毒介質(zhì)走管程因為管程清洗比殼程容易得多,而且管內(nèi)流體不易泄露。⑥高溫、高壓或腐蝕性強(qiáng)的流體走管程,這對降低殼體壁厚,以及耐熱性、耐腐蝕性、密封性等要求非常有利,并可以避免換熱管和殼體同時處于惡劣的工作條件下，從而節(jié)省貴重材料，降低成本,提高經(jīng)濟(jì)性。流速的確定應(yīng)遵循的原則:1、對于易結(jié)垢流體，應(yīng)選取較高的流速,從而加強(qiáng)對壁面的沖刷，抑制污垢的生長。一般管程流速應(yīng)大于1m/s,殼程流速大于0.5m/s.2、流體精度越大,為了保證壓降在允許范圍內(nèi)，流速應(yīng)越低。3、當(dāng)管內(nèi)、外流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差較大時，應(yīng)盡量提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小側(cè)流體流速,從而增大其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),有利于提高總的傳熱系數(shù)。4、對于易燃、易爆的流體,其流速應(yīng)低于安全允許流速。在換熱器運(yùn)行過程中,流體溫度及其變化對換熱器性能有較大影響,主要表現(xiàn)在:1、介質(zhì)溫度過高或過低都會使得間壁兩側(cè)對流傳熱溫差增大，結(jié)垢速度加快,從而使得傳熱惡化。2、隨著冷熱流體溫差增加，換熱管和殼體壁面溫度差也會增大，從而使得兩種之間的差脹增大,對熱補(bǔ)償?shù)囊筇岣摺?、換熱器中流體出口溫度對換熱器傳熱有效度和傳熱強(qiáng)度也具有重要的影響，例如,在逆流式換熱器中,當(dāng)冷流體出口溫度接近熱流體進(jìn)口溫度時,傳熱有效度最大,但傳熱溫差會減小,傳熱強(qiáng)度降低,所需傳熱面積增大。4、在某些流型或某些換熱器中,不合理的出口溫度還可能出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象,發(fā)生反向傳熱,必須盡可能避免。污垢的分類：污垢的類型及特征與換熱介質(zhì)的種類密切相關(guān)，分為液側(cè)污垢和氣側(cè)污垢。液側(cè)污垢指：不潔凈液體與換熱面接觸形成的污垢。包括：結(jié)晶型污垢(如鈣鎂類鹽，在水中的溶解度隨溫度升高而降低，在壁面上形成結(jié)晶型污垢)、沉積型污垢(壁面上的銹、雜物、懸浮在燃燒產(chǎn)物中的灰和未燃盡的顆粒等，一旦進(jìn)入熱交換器就會因為重力而迅速沉積下來)、生物型污垢(如藻類、菌類本身或其剝落物附著在傳熱面上形成污垢，不但阻礙流動和影響傳熱，而且腐蝕傳熱面)；其他：由于壁面腐蝕，燃燒結(jié)焦，某些工藝過程生成的化學(xué)反應(yīng)物或聚合物等，也都形成污垢廷克流動模型各個流路及其意義★★(1)流路A.由于管子與折流板上的管孔間存在間隙.而折流板前后又存在壓差所造成的泄漏.它隨著外管壁的結(jié)垢而減少。(2)流路B.這是真正橫向流過管束的流路它是對傳熱和阻力影響最大的一項。(3)流路C.管束最外層管子與殼體間存在間隙而產(chǎn)生的旁路.此旁路流量可達(dá)相當(dāng)大的數(shù)值。設(shè)置旁路擋板.可改善此流路對傳熱的不利影響。⑷流路D.由于折流板和殼體內(nèi)壁間存在一定間隙所形成的漏流.它不但對傳熱不利.而且會使溫度發(fā)生相當(dāng)大的畸變.特別在層流流動時.此流路可達(dá)相當(dāng)大的數(shù)值。(5)流路E.對于多管程.因為安置分程隔板.而使殼程形成了不為管子所占據(jù)的通道.若用來形成多管程的隔板設(shè)置在主橫向流的方向上.他將會造成一股(或多股)旁路。此時.若在旁通走廊中設(shè)置一定量的擋管.可以得到一定的改善。貝爾法計算殼程對流換熱系數(shù)的過程:②查取折流板缺口的校正因子jc（為Fc的函數(shù)），缺口處不排管的結(jié)構(gòu)jc=1③查取折流板泄漏影響的校正因子j1,（A和D流路）④查取旁通影響的校正因子jb⑤進(jìn)出、口段折流板間距不等時的校正因子js⑥殼程雷諾數(shù)較低時逆向溫度梯度的校正因子jr；⑦計算殼程傳熱因子j0；j0=jH*jc*j1*jb*js*jr⑧計算殼程換熱系數(shù)a0高效就是換熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊即在增加換熱器的傳熱面積的同時,也要減小換熱器的體積。緊湊式：熱交換器的單位體積中所包含的傳熱面積的大小m2/m3>700為緊湊式。高效間壁式熱交換器：螺旋板式、板式、板翅式、板殼式、翅片管式、熱管式、微尺度?！雎菪迨铰菪迨綋Q熱器由兩塊金屬薄板焊接在一塊分隔板上并卷制成螺旋狀而構(gòu)成的。卷制后，在換熱器內(nèi)形成兩條相互隔開的螺旋形通道，在頂、底部分別焊有封頭和兩流體進(jìn)出口接管。其中有一對進(jìn)出口接管是設(shè)在圓周邊上,而另一對進(jìn)出口則設(shè)在圓周的軸心上。換熱時，冷、熱流體分別進(jìn)入兩條通道,在換熱器內(nèi)嚴(yán)格的逆流流動。冷熱兩種流體分別在兩個螺旋通道中流動，流體1從中心進(jìn)入,沿螺旋形通道流到周邊流出;流體2則由周邊進(jìn)入,沿螺旋通道流到中心流出。螺旋流道有利于提高傳熱系數(shù)。定距柱：保證流道的間距，加強(qiáng)湍流，增加螺旋板剛度。用直徑310mm的圓鋼在卷板前預(yù)先焊接在鋼板上?？刹鹗剑豢刹鹗?。I型結(jié)構(gòu)：兩個螺旋通道兩側(cè)完全焊接封閉，不可拆。II型結(jié)構(gòu):一個螺旋通道焊接封閉，另—通道的兩側(cè)敞開。一流體作螺旋形流動，另一流體則作軸向流動。適合于兩流體的流量相差很大的場合。III型結(jié)構(gòu):一流體作螺旋形流動，另一流體則是軸向流動和螺旋流動的組合,適用于蒸汽的冷凝和冷卻。特點(diǎn)：①傳熱系數(shù)高②不易堵塞③由于流道長，可以完全逆流④結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡便⑤操作壓力和溫度可能太高⑥不易檢修■板式換熱器板式換熱器是由一組長方形的薄金屬傳熱板片構(gòu)成，用框架將板片夾緊組裝于支架上。兩個相鄰板片的邊緣襯以墊片（各種橡膠或壓縮石棉等制成）壓緊，板片四角有圓孔,形成流體的通道。組成：傳熱板片，密封墊圈，壓緊裝置，軸及接口管。上導(dǎo)桿，下導(dǎo)桿，夾緊螺栓，支柱。若干矩形板片，其上四角開有圓孔,通過圓孔外設(shè)置或不設(shè)置圓環(huán)形墊片可使每個板間通道只留兩個孔相連。板四角開有角孔，流體由一個角孔流入，即在兩塊板形成的流道中流動，而經(jīng)另一對角線角孔流出（該板的另外兩個角孔則由墊片堵?。?，流道很窄，通常只有3~4mm冷熱兩流體的流道彼此相間隔。為了強(qiáng)化流體在流道中的擾動，板面都做成波紋形。板片間裝有密封墊片，它既用來防漏，又用以控制兩板間的距離。冷熱兩流體分別由板的上、下角孔進(jìn)入換熱器，并相間流過奇數(shù)及偶數(shù)流道，然后再從下、上角孔流出。傳熱板片是板式換熱器的關(guān)鍵元件，不同類型的板片直接影響到傳熱系數(shù)、流動阻力和承受壓力的能力。板片的材料，通常為不銹鋼，對于腐蝕性強(qiáng)的流體（如海水冷卻器），可用鈦板。傳熱板片：流體在低速下發(fā)生強(qiáng)烈湍流,以強(qiáng)化傳熱;提高板片剛度,能耐較高的壓力。人字形板，水平平直波紋管，鋸齒形板。強(qiáng)化傳熱的凹凸形波紋;用以安裝密封墊片的密封槽;介質(zhì)進(jìn)出的角孔;板片懸掛裝置（缺口）;保證密封墊片壓緊時對中的定位缺口;板片組裝后保持流道一定的間隙、并使流層"網(wǎng)狀”化的觸點(diǎn),可使板片在兩側(cè)介質(zhì)有壓差情況下減少板片的變形;使介質(zhì)能均勻沿板片流道寬度分布的導(dǎo)流槽。流動：單邊流，對角流。組裝：串聯(lián)，并聯(lián)，混聯(lián)。密封墊圈：密封作用，防止介質(zhì)漏出（外漏）;在兩板片間造成一定的間隙，形成介質(zhì)的流道（內(nèi)漏）。壓緊裝置：固定與活動的壓緊板、壓緊螺栓。將墊圈壓緊，產(chǎn)生足夠密封力,不發(fā)生泄漏。優(yōu)缺點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小:很小的空間即可提供較大的換熱面積，不需另外的拆裝空間;相同使用環(huán)境下，其占地面積和重量是其他類型換熱器的1/3~1/5。②傳熱系數(shù)高：雷諾數(shù)＞10時，即可產(chǎn)生劇烈湍流，一般總傳熱系數(shù)可高達(dá)3000?8000W/（m2.K）。③端部溫差小:逆流換熱,可達(dá)到1℃的端部溫差。④熱損失小:只有板片邊緣暴露，不需保溫，熱效率三98%。⑤適應(yīng)性好，易調(diào)整:通過改變板片數(shù)目和組合方式即可調(diào)節(jié)換熱能力，與變化的熱負(fù)荷相匹配。⑥流體滯留量小，對變化反應(yīng)迅速，拆裝簡單,容易維護(hù):板片是獨(dú)立的單元體，拆裝簡單，可將密封墊密閉的板片拆開、清洗。⑦結(jié)垢傾向低:高度紊流、光滑板表面，使積垢機(jī)率很小，且具自清潔功能，不易堵塞。⑧低成本:使用一次沖壓成型的波紋板片裝配而成，金屬耗量。低，當(dāng)使用耐蝕材料時，投資成本明顯低于其他的換熱器。缺點(diǎn)：處理能力不大；操作壓力比較低，一般不超過20atm;受墊片耐熱性的限制，操作溫度不能太高;一般合成橡膠墊不超過130℃，壓縮石棉墊圈也不超過250℃。板翅式熱交換器基本結(jié)構(gòu)：板束（基本單元（通道）：隔板，翅片，封條），導(dǎo)流片，封頭板翅式換熱器結(jié)構(gòu)組成：（a）_由基本換熱元件組成:在兩塊平隔板1中夾著一塊波紋形導(dǎo)熱翅片3,兩端用側(cè)條2密封，形成一層基本換熱元件（基本單元體）；（b）_許多這樣的單元體根據(jù)流體流動方式的布置進(jìn)行交錯疊合（使相鄰兩流道流動方向交錯）焊接（釬焊）起來構(gòu)成板翅式換熱器。常用翅片類型：平直,鋸齒,多孔,波紋翅片。板翅式換熱器由于兩側(cè)都有翅片，用作氣-氣換熱，傳熱系數(shù)對空氣可達(dá)350W/（m2K）。板翅式換熱器結(jié)構(gòu)非常緊湊，輕巧，每立方米體積中容納的傳熱面積可高達(dá)4300m2,承壓可達(dá)100bar。缺點(diǎn):容易堵塞，清洗困難，不易檢修。適用于清潔和無腐蝕的流體換熱。翅片：擴(kuò)大傳熱面積,提高換熱器緊｝奏性和傳熱效率。支撐隔板,提高熱交換器的強(qiáng)度和承壓能力。支撐隔板,提高熱交換器的強(qiáng)度和承壓能力。傳熱機(jī)理:二次傳熱表面（不像隔板那樣直接傳熱,翅片傳熱面積約為換熱器