管壳式换热器设计.pdf

第第第第第第第第第第第第第第第 第四 四四四四四四四四四四四四四四 四篇 篇篇篇篇篇篇篇篇篇篇篇篇篇篇篇 管管管管管管管管管管管管管管管 管壳 壳壳壳壳壳壳壳壳壳壳壳壳壳壳 壳式 式式式式式式式式式式式式式式 式换 换换换换换换换换换换换换换换 换热 热热热热热热热热热热热热热热 热器 器器器器器器器器器器器器器器 器设 设设设设设设设设设设设设设设 设计 计计计计计计计计计计计计计计计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 第一章 管壳式换热器的 结 构 及 其 组 成 管壳式换热器是最常用的一类换热器 被誉为工业过程的 传热之母 广泛应用于电 厂 化工以及过程工业领域 如果经济 也会用到其它类型的换热器 尽管其它类型的换热 器的使用越来越多 但管壳式换热器由于适应性广 还将长期受到人们的欢迎 第一节管壳式换热器的结构 管壳式换热器的主要构件包括管子 折流板 壳体 前封头 后封头 管板 接管等 对于 一些固定管板式的换热器 膨胀节是重要的部件 这些部件的组合选择取决于操作压力与 温度 热应力 流体的腐蚀特性 结垢性 可清洗性以及费用等 其它构件包括接管 支承物 膨胀节 接管及支承物将在有关章管壳式换热器的机械设计中讨论 每一构件都有很多几 何变量 本章将具体讨论 管壳式换热器的主要构件如图 所示 图 管壳式换热器的主要组件 第一章管壳式换热器的结构及其组成 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 第二节管子 换热器中使用横截面呈圆形的管子 由于换热器中的传热在管子表面 从性能的角度 来考虑管子几何变量的选择显得重要 管子的一些重要几何变量包括管外径 管壁厚度 管 心距 管子排列方式 见图 等 管子应该能承受 两侧的操作温度与压力 壳体和管束之间不同的热膨胀引起的热应力 管程和壳程流体的腐蚀性 有两种类型的管子 直管和 这些尺寸的管子 在很多情况下性能最优并且最经济 用得最多的是尺寸为 1523 和 1 23 的管子 它们的综 合性能最好 最经济 直径为 1 23 的管子常用于清洁流体 如要用机械方法清洗 最小也 要 1 23 044 的管子 23 0 44 的管子通常用于处理可能结垢的流体 如果再小就 不能用机械方法除垢 降膜式换热器和蒸发器一般使用 023 5 44 和 23 0 5 44 的 5 第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 管子 二 管壁厚度 管壁厚度一般用 时 管壳式换热器采用低翅片管 见图 4 1 5 增加壳侧的换热面积 通常在单根低翅 片管上的翅片呈螺旋状或环状 管壳式换热器翅片的高度略低于 4 时一般认为是低翅片类型 最常见 的翅片密度为 6 a 47 7b9 翅片 42c 466 4 以及 26c 等几种 其 它长度的换热器也可能会用到 图 4 1 5低翅片管 54第一章管壳式换热器的结构及其组成 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 五 管子的加工方法 换热器用的管子可能是焊接的 也可能是无缝的 焊接管是长条邢的材料卷合成圆柱 形然后自动焊接而成 无缝管通过挤压或热轧成型 铜和铜合金只能加工成无缝管 但大 部分市面上常见的金属能加工成以上两种类型的管子 关于管子的细节在相关章材质选择 和制造中另有叙述 六 双层金属管 为满足管侧和壳侧两边特定的工艺要求 可采用双层金属管 例如 当管子的材料跟壳 侧流体匹配但跟管侧流体不匹配时 双层金属管可以使得能满足两边的腐蚀性条件 七 管子根数 管子根数取决于流体流量和允许的压降 通常要使得管侧水或类似流体的流速为 型浮头 没有管程数限制 管侧两相流 无论是冷凝还是沸腾 最好采用单程或 4 形管以避免不均匀分布造成 的传热不均匀 第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 图 多管程布置典型的管侧分程 形管 2 拉杆尺寸1 4 56 对 05 89 1 320浮头盖1 4 深度对管面积 1 32 套环设计 14 最大压力 1 72 垫圈材料1 4 压力 1 72 垫圈最小宽度14 全面积垫圈 1 72 垫圈表面平整度1 4 公差 1 723分程隔板垫片1 4 限制或非限制 1 20 管板最小厚度1 管径的函数 1 8 1 230管5管板接头 14 膨胀的长度 1 27分程隔板槽1 4 有压力限制 1 26管板盖 14 507 350789 1 200管箱与碟帽盖1 4 最小厚度 1 2 管箱端盖沟槽1 分程隔板 最小 1 0020端法兰螺栓最小尺寸1 5 05 35689 70第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 图 壳体和封头的 9 8也做过其 它修正和改进 5 9 方法用来计算理想管束 即没有任何泄漏和旁路管束的传热 与流阻性能 然后对各种泄漏和旁路流动的影响进行计算 修正理想管束的传热和压降 一 些组织 例如传热研究公司 a 49 b 9 b 9cd e c 9f 9 a g 4 e 和传热与流体流动服务 中心 a 49 b 9 g 6 h7g 6 i 9j7c b 46i 等也提出了其它的一些方法 这些方法的使 用一般受到这些组织成员的限制 不过可以使用 k c等个人编制的程序 表 壳侧不同流路的流动分率 流路湍流层流流路湍流层流 横掠流 l m 01 m 1 管束 壳体旁路流 加强焊 管壁的厚度是否够焊接 是否指定了管板上管孔开槽或不开槽 8 指定要进行哪些检测保证管子与管板间的连接完整 所有以上这些以及很多其它的因素一起确定了换热器的类型 8 第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 三 管壳式换热器设计需考虑的方面 评价一台给定或设计的换热器最基本的标准是应该在允许的压降条件下完成给定的热 负荷任务 同时还应满足的其它条件如下 承受正常操作条件以及开机 停机和其它影响热设计和机械设计的条件 维护和维修 多壳体情况 费用 54 a标准的表bcd e 中查到 第十篇中列出了 部分数据 的计算 已知了 和 管外的总传热面积 包括翅片面积 可由以下 方程求得 9 根据传热面积 求壳体尺寸和管长 现在的问题是如何根据 的值选用合适的管长 折流板切口 为壳内径 5的百分数 中间各折流板间跨 为进 出口折流板间 和 不同于 时 则也要计算 2第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 图 管壳式换热器 33 图 83 8 13 8 8 第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 续表 错流 流路 泄漏面积 流路旁路校正因子 管束进口区和出口区跨距与中间不同的校正因子 层流时负传热温差校正因子 所有这些校正因子的综合效应对一个合理的好的管壳式换热器设计 典型的是在 23 数量级也即换热器平均壳程传热膜系数为相应理想横流管束计算值的 2 该值即为在 4 年1ab 之间 设计计算如 太 低 必须修改加大折流板跨距 增加管节距 将管束布置改为 a壳型或两者结合 典型的流阻校正因子 在 范围 折流板太靠近的短跨距 其值较低 第 步 管束旁路传热校正因子 7和压力旁路校正因子 7 必须首先知道下列参数 每块折流板的旁路 密封 挡板对数 每两相邻折流板顶端之间的横流管排数 9 7关联式为 7 6 范围 取决于换热器的结构类型和旁路 密封 挡板条对数 6 第四章管壳式换热器的设计方法 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 可抽式浮头 只有 对旁路挡板 值较低 对于固定管板式换热器 较高 第 步 层流下逆向传热温差校正因子 8 9 8 式中 和 分别为壳程流体动力粘度 定压比热容 导热系数和质量流 率 5 b时 贝尔 8 拟合曲线为 9 8 8 9 8 c 9 8 8 9 8 3 6 8 6 在 2 4 方程 a b c 0 d e 方程 a 式中 2 3 加热 2 38 冷却 在 为4 中间区时 传热膜系数不是直线关系 在该区段f 推荐采用下式 a 第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 计算 或 等比较 了贝尔 台华法 流路分折法和2 76 法几种方法的流体动力性能预测误差 十 台华 a653b3 法对其它类型几何结构管壳式换热器设计应用 台华法最初的建立和发表的公开文献中 多多少少明确地限于用在设计光滑管 8 型管 44944 2 3444 5 4 4 4 4 4 99 4 3 4 对于低翅片管的摩擦因子 贝尔建议了一个保守值 即是取相应光滑管束的 3 倍 而 0 a则建议取光滑管束的 3 4 年菲利浦炼油厂 gh i g l i 大约有三个管壳式换热器管束的换 热管子振动破坏 从而导致频繁的工厂停工 对该换热器的应急修理采取用杆的管支承来 代替原来的折流板支承 结果是使换热器操作性能有明显的改善 这就是折流杆换热器构思 的出发点 3第四章管壳式换热器的设计方法 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 折流杆换热器的结构 折流杆换热器 图 是应用杆来支承换热管 杆的直径等于管排间的间隙在管束 的垂直方向和水平方向内交替地插有折流杆 该支承杆布置在正方形管束等距排列 在管 与支承杆间没有间隙 支承杆两端焊接于挡板圆环上 每一个单独的折流杆挡板的主要部 件包括支承杆 挡板圆环 横向支承板条 管程分程隔板造成的壳程有害空间的堵板以及纵 向滑杆等 如图 所示 四种不局的折流杆结构 焊于纵向滑杆上 以组 成折流杆挡板笼 其装配结构如图 中所示 换热管与折流杆的布置表示在图 中 图 折流杆热交换器和支承 示图 折流圈球详图 折流支承构件的装配示图 换热管与支承杆的布置 第四篇管壳式换热器设计 热电技术联盟 本资料从网上收集 整理 仅供学习参考 请勿用于商业途径 博瑞 主要优点 限制了壳程换热器的流体诱发振动 尽管折流杆换热器由于其热力流体动力方面的优点而获得广泛的应用 但防止换热管 的流体流动诱发振动仍然是主要的设计考虑 折流杆管束消除了有害的流体诱发振动是采 用了以下这些主要的设计新措施 每根传热管在所有四个方向上都受到支承 换热管的四个点完全受到了限制 折流杆与管之间具有最小的点接触 由于这些换热器壳程为纵向流场 漩涡分离和抗体弹性不稳定流体诱发振动机理 这些 是在壳程横流管束中导致流体流动诱发振动的根源 都不存在了 类似地 由于管子与支承 杆间的零间隙 可能会在板式折流板装置上发生的管子磨损和碰撞在折流杆换热器中也都 不存在了 在某些设计条件下板式折流板仍然是需要的 而管子绝对地完全受到支承是很 苛刻的 因而可能会采用组合的折流杆 折流板换热器的结构 折流杆挡板的实际应用 折流杆换热器典型的应用包括气 气热交换器 压缩机后冷却器 气 油冷却器 反应 器 进料流出物换热器 冷却器 卡特尔 重沸器 废热锅炉 氟化氢 酸冷器以及碳 黑空气预热器等 操作特点 支承折流杆的布置方式造成无阻碍的壳程流道 这导致在折流杆换热器中主要是纵向 流场 产生比任何一种商品热交换都要高的热力流体效率 管束壳程纵向流的主要特点包 括下列这些 比之折流板横向流换热器具有极低的壳程压降和非常高的壳程热传递对压降的比 值 在纵向流中 摩擦阻力压降只直接产生在传热表面 而没有折流板缺口区流体绕转那样 的压降损失 均匀的流场分布 没有像弓形折流板换热器那样的任何死区存在 均匀的流场造成 均匀的局部热传递率和少的污垢 壳程流体流过折流杆挡板构件流体收缩过程产生压降 但强化了传热 正如相关内容所报道的 折流杆换热器热传递率比之优良的双弓形折流板换热器 和性 能通常较高的三弓形折流板 以及在折流板缺口处设有布管的设计都要高 由于壳程中没 有管束的横流阻力 又没有反复的返流效应存在 因而壳程压降损失低 热力性能 对于壳程 努歇尔 数表达式 层流和湍流时为 0 1 2 3 4 2 5 层流时 5 6 0 7 2 6 4 2 5 湍流时 5 6 8 式中 1和 7 分别为层流和湍流时的折流杆几何结构函数 压降 流体流过折流杆换热器管束时的程压力损失包括进口和出口接管 定义为包括非 折流杆挡板摩擦组分压降的总和 1以及折流杆挡板处流动阻力