第2章管壳式热交换器

1、第二章第二章 管壳式热交换器管壳式热交换器 间壁式热交换器间壁式热交换器 n管式热交换器管式热交换器 管壳式、套管式、螺旋管式等管壳式、套管式、螺旋管式等 n板式热交换器板式热交换器 n延伸表面热交换器延伸表面热交换器 n蓄热式热交换器蓄热式热交换器 管壳式换热器管壳式换热器 2.1 管壳式换热器的分类管壳式换热器的分类 基本类型基本类型 固定管板式换热器固定管板式换热器 浮头式换热器浮头式换热器 U形管式换热器形管式换热器 填料函式换热器填料函式换热器 （1 1）固定管板式换热器）固定管板式换热器 固定管板式换热器固定管板式换热器 11封头；封头；22法兰；法兰；33排气口；排气口；44壳体

2、；壳体；55换热管；换热管；66波形膨胀波形膨胀 节；节；77折流板（或支持板）；折流板（或支持板）；88防冲板；防冲板；99壳程接管；壳程接管；1010管板；管板； 1111管程接管；管程接管；1212隔板；隔板；1313封头；封头；1414管箱；管箱；1515排液口；排液口；1616定距定距 管；管；1717拉杆；拉杆；1818支座；支座；1919垫片；垫片；2020、2121螺栓、螺母螺栓、螺母 优点：优点：结构简单、紧凑、能承受较高的压力，结构简单、紧凑、能承受较高的压力， 造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵 管或更换。管或更换。 缺点：缺点：

3、不易清洗壳程，壳体和管束中可能不易清洗壳程，壳体和管束中可能 产生较大的热应力。产生较大的热应力。 n 为为减少热应力减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性，通常在固定管板式换热器中设置柔性 元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。 带膨胀节的固定管板式换热器带膨胀节的固定管板式换热器 图7-2 固定管板式换热器 图7-3 带补偿器的固定管板式换热器 n 适用场合适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程 需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的

4、场合。场合。 （2） U形管式换热器形管式换热器 U U形管式换热器形管式换热器 1.1.中间挡板；中间挡板；2.U2.U形换热管；形换热管；3.3.排气口；排气口；4.4.防冲板；防冲板；5.5.分程隔板分程隔板 U U形管式换热器形管式换热器 U U型管式换热器型管式换热器 优点：优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。 缺点：缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。 适用场合：适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、 腐蚀性

5、大的物料。腐蚀性大的物料。 图7-6 U形管式换热器 浮头式换热器浮头式换热器 11防冲板；防冲板；22折流板；折流板；33浮头管板；浮头管板；44钩圈；钩圈；55支耳支耳 （3）浮头式换热器）浮头式换热器 浮头结构示意图浮头结构示意图 优点：优点：管内和管间清洗方便，不会产生热应力。管内和管间清洗方便，不会产生热应力。 缺点：缺点： 结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中 无法检查。无法检查。 适用场合：适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。 浮头式热交换器浮头式热交换器

6、 图7-4 浮头式换热器 （4 4）填料函式换热器）填料函式换热器 填料函式换热器填料函式换热器 1.1.纵向隔板；纵向隔板；2.2.浮动管板；浮动管板；3.3.活套法兰；活套法兰；4.4.部分剪切环；部分剪切环；5.5.填填 料压盖；料压盖；6.6.填料；填料；7.7.填料函填料函 优点：优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管 间清洗方便间清洗方便 缺点：缺点：填料处易泄漏。填料处易泄漏。 适用场合：适用场合：4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、易以下，且不适用于易挥发、易燃、易 爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。爆、有毒及贵重

7、介质，使用温度受填料的物性限制。 填料函式密封填料函式密封 釜式重沸器 n类似浮头式、U形管换热器，清洗维修方便，可处理 不清洁，易结垢的介质，并能承受高压、高温. 2.2 2.2 管壳式换热器的结构管壳式换热器的结构 n管壳式换热器流体的管壳式换热器流体的流程流程 一种流体走管内，称为一种流体走管内，称为管程管程，另一种流体，另一种流体 走管外，称为走管外，称为壳程壳程。管内流体从换热管一端流。管内流体从换热管一端流 向另一端一次，称为向另一端一次，称为一程一程；对；对U U形管换热器，形管换热器， 管内流体从换热管一端经过管内流体从换热管一端经过U U形弯曲段流向另形弯曲段流向另 一端一次

8、，称为一端一次，称为两程两程. . n 换热管换热管 l在管壳式热交换器使用各种各样的管子，大部分在管壳式热交换器使用各种各样的管子，大部分 为直管和为直管和U U形管。形管。 l构成换热器的传热面构成换热器的传热面. .碳钢、合金钢、铜、塑料、碳钢、合金钢、铜、塑料、 石墨材料。石墨材料。 一般情况下使用一般情况下使用光管光管，当壳侧的传热系数比管侧，当壳侧的传热系数比管侧 低时，如壳内为高粘度液体，气体，蒸汽时，使用低时，如壳内为高粘度液体，气体，蒸汽时，使用 低翅管加强换热。低翅管加强换热。 在另外一些特定情况下，选用双层管在另外一些特定情况下，选用双层管 横纹槽管横纹槽管 n双面强化管

9、，内表面环形凸肋，外表面环形凹肋双面强化管，内表面环形凸肋，外表面环形凹肋. n管内换热系数为光管换热系数的管内换热系数为光管换热系数的23倍；倍； n管外纵流条件下，管外传热系数为光管的管外纵流条件下，管外传热系数为光管的1.6倍倍. n传递热量相同，泵功率相同，取代光管，节约材传递热量相同，泵功率相同，取代光管，节约材 料料30%-50% 螺旋槽螺旋槽 n 主要用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液主要用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液 体的沸腾或管内外蒸气的冷凝，管内传热系数为光管体的沸腾或管内外蒸气的冷凝，管内传热系数为光管 传热系数的传热系数的1.5-2.0倍；管外传热系数为

10、光管传热系数倍；管外传热系数为光管传热系数 的的1.5倍倍. 缩放管缩放管 波纹管波纹管 n 波纹管优点波纹管优点 l 既强化管内，又强化管外，结构特点：波形既强化管内，又强化管外，结构特点：波形 变化，管壁薄，小于变化，管壁薄，小于1mm. l 传热系数较光管高传热系数较光管高23倍，波纹管换热器具倍，波纹管换热器具 有传热效率高，不易结垢，热补偿能力强有传热效率高，不易结垢，热补偿能力强. 等边三角形，同心圆法，正方形法等边三角形，同心圆法，正方形法 n 换热管及其在管板上的排列换热管及其在管板上的排列 n一边与流向垂直，在相同管板面积上管数排列最多，一边与流向垂直，在相同管板面积上管数排

11、列最多， 传热系数较高（与正方形排列比），节约管板面积传热系数较高（与正方形排列比），节约管板面积. n换热管间不宜清洗，适用于不结垢护着可用化学方换热管间不宜清洗，适用于不结垢护着可用化学方 法清洗以及允许压降较高的工况。法清洗以及允许压降较高的工况。 n 换热管在管板上的排列形式换热管在管板上的排列形式 有有正三角形、转角正三角形、正三角形、转角正三角形、 正方形和转角正方形正方形和转角正方形等等. n一边与流向平行，特点皆于等边三角形与正一边与流向平行，特点皆于等边三角形与正 方形排列之间，不宜用于卧式冷凝器底部，方形排列之间，不宜用于卧式冷凝器底部， 换热管外表面的冷凝液膜削弱传热换热

12、管外表面的冷凝液膜削弱传热. n 最不紧凑，便于机械清洗，用于需要将管束最不紧凑，便于机械清洗，用于需要将管束 抽出清洗的换热器，如浮头式换热器中。抽出清洗的换热器，如浮头式换热器中。 n对比正方形排列，板间距相同的情况下，流对比正方形排列，板间距相同的情况下，流 通面积比正方形小，有利于流速提高通面积比正方形小，有利于流速提高. . n多种排列方式组合多种排列方式组合 p45p45 组合排列与转角排列组合排列与转角排列 n 换热管中心距换热管中心距 定义：管板上两管子的中心线距离。定义：管板上两管子的中心线距离。 涉及清洗，固定方法。涉及清洗，固定方法。 确定方法：确定方法： 换热管中心距不

13、小于换热管中心距不小于1.25倍管外径倍管外径。 n 布管限定圆布管限定圆 用来决定壳体内管束的大小。用来决定壳体内管束的大小。 n 管板和管子的连接管板和管子的连接 管板和管子的连接方式有管板和管子的连接方式有胀接胀接和和焊接焊接，对，对 于高温高压下常采用于高温高压下常采用胀胀、焊焊并用的方式。并用的方式。 l 胀接胀接 胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或胀接适用于换热管为碳钢，管板为碳钢或 低合金钢，设计压力不超过低合金钢，设计压力不超过4MPa、设计温度、设计温度 不超过不超过350，且无特殊要求的场合。，且无特殊要求的场合。 l 焊接焊接 碳钢或低合金钢，温度在碳钢或低合金钢，温度

14、在300以上，大以上，大 都采用焊接连接。都采用焊接连接。 管板与换热管的焊接连接管板与换热管的焊接连接 n 管箱管箱 位于壳体两端，其作用是位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体控制及分配管程流体。 管箱结构形式管箱结构形式 1.1.隔板；隔板；2.2.管板；管板；3.3.箱盖箱盖 n壳体及其与管板的连接壳体及其与管板的连接 在壳程进口接管处常装有在壳程进口接管处常装有防冲板防冲板或称或称缓冲板缓冲板。 进口接管及防冲板的布置进口接管及防冲板的布置 n固定管板式中，两端管板均与壳体采用固定管板式中，两端管板均与壳体采用焊接连接焊接连接，管管 板兼作法兰用板兼作法兰用。 n浮头式、浮头式、U

15、形管式及填料函式换热器中采用形管式及填料函式换热器中采用可拆连接可拆连接， 将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。将管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。 管板与壳体连接结构管板与壳体连接结构 n 折流板折流板 作用作用：流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的：流体反复地改变方向作错流流动或其他形式的 流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高流动，并可调节折流板间距以获得适宜流速，提高 传热效率。另外，支撑管束的作用。传热效率。另外，支撑管束的作用。 分类：分类： 常用折流板有弓形和圆盘常用折流板有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形的有圆环形两种，弓形的有 单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用

16、最多。单弓形、双弓形及三弓形，单弓形和双弓形应用最多。 弓形折流板弓形折流板 圆盘圆盘- -圆环形折流板圆环形折流板 折流板缺口尺寸折流板缺口尺寸 l折流板的固定折流板的固定 通过通过拉杆拉杆和和定距管定距管来实现。来实现。 拉杆结构拉杆结构 折流杆换热器折流杆换热器 n折流板使流体横掠管束，在增强传热的同时，折流板使流体横掠管束，在增强传热的同时， 也会引起流体的也会引起流体的诱导振动诱导振动。 n诱导振动对换热器的损伤诱导振动对换热器的损伤 l管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使 管子经常碰击时，就会使管壁磨损变薄，直管子经常碰击时，就会使管壁磨损变

17、薄，直 至破坏；至破坏； l管子与折流板孔壁因振动不断碰撞，从而引管子与折流板孔壁因振动不断碰撞，从而引 起管子破裂；起管子破裂； l振动的管子与管板连接处受到很大的应力，振动的管子与管板连接处受到很大的应力， 久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏，久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏， 并造成接头泄漏。并造成接头泄漏。 l管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时 间连续振动就会导致管子破裂。间连续振动就会导致管子破裂。 l振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷 扩展，直至产生裂纹。扩展，直至产生裂纹。 n 对折流板

18、管式换热器而言，对折流板管式换热器而言，减少诱导振动减少诱导振动振振 幅的幅的措施措施有：有： l 降低横掠管束的流速；降低横掠管束的流速； l 提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚 度，减小管子的跨度。度，减小管子的跨度。 n最有效的防止诱导振动的方法是将流体由横最有效的防止诱导振动的方法是将流体由横 掠管束改为纵掠管壳，但纵掠管壳的换热系掠管束改为纵掠管壳，但纵掠管壳的换热系 数又不如横掠管束。数又不如横掠管束。 n这是一对矛盾，这也正是新型折流杆管壳是这是一对矛盾，这也正是新型折流杆管壳是 换热器产生的背景换热器产生的背景 折流杆换热器折流杆换热器 折

19、流板换热器的优点折流板换热器的优点 n纵掠管束，防止诱导振动的产生，提高了换热器的纵掠管束，防止诱导振动的产生，提高了换热器的 安全性。安全性。 n减小了壳侧流体的阻力，降低管侧的泵功。减小了壳侧流体的阻力，降低管侧的泵功。 n增强流体的扰动，减少了横掠管束时的流动死区增强流体的扰动，减少了横掠管束时的流动死区 和漏流损失，强化壳侧的换热，即壳侧的换热系和漏流损失，强化壳侧的换热，即壳侧的换热系 数不低于横掠时换热系数，传热系数可提高数不低于横掠时换热系数，传热系数可提高15%- 50%。 n减少污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的减少污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的 使用寿命。使用寿

20、命。 标准代号为标准代号为JBT4714472092 对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、对浮头式换热器和冷凝器、固定管板式换热器、 立式热虹吸式重沸器及立式热虹吸式重沸器及U形管式换热器的具体结构形形管式换热器的具体结构形 式、基本参数及其组合都作了具体的规定式、基本参数及其组合都作了具体的规定(定型定型)。 三、管壳式换热器的标准三、管壳式换热器的标准 GB1511999管壳式换热器管壳式换热器 国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标国家技术监督局发布的关于管壳式换热器的国家标 准，是管壳式换热器设计和制造的主要依据。准，是管壳式换热器设计和制造的主要依据。 换热器的型号表示法

21、换热器的型号表示法 n满液式蒸发器满液式蒸发器-管程管程: :载冷剂载冷剂; ;壳程壳程: :制冷剂制冷剂 n干式蒸发器干式蒸发器-管程管程: :制冷剂制冷剂; ;壳程壳程: :载冷剂载冷剂 n 离心式离心式和和螺杆式冷水机组螺杆式冷水机组中中, 蒸发器的型式主要是满蒸发器的型式主要是满 液式蒸发器和干式蒸发器两种。液式蒸发器和干式蒸发器两种。 n 满液式蒸发器满液式蒸发器中，中， 制冷剂经过节流装置进入蒸发器制冷剂经过节流装置进入蒸发器 壳程壳程，蒸发器内的液位保持一定。蒸发器内的传热管，蒸发器内的液位保持一定。蒸发器内的传热管 浸没在制冷剂液体中。吸热蒸发后的气液混合物中仍浸没在制冷剂液体

22、中。吸热蒸发后的气液混合物中仍 含有大量液体含有大量液体, 从蒸发器内逸出的湿蒸气经气液分离后从蒸发器内逸出的湿蒸气经气液分离后 再回入压缩机。再回入压缩机。 n 干式蒸发器干式蒸发器中，由热力膨胀阀或电子膨胀阀直接控中，由热力膨胀阀或电子膨胀阀直接控 制液体制液体制冷剂进入蒸发器的管程制冷剂进入蒸发器的管程，制冷剂液体在管内，制冷剂液体在管内 完全转变为气体，而被冷却的介质则在传热管外的管完全转变为气体，而被冷却的介质则在传热管外的管 程中流动。程中流动。载冷剂载冷剂(冷媒水冷媒水)走壳程走壳程，蒸发器中有数量，蒸发器中有数量 不等的不等的折流板折流板。 n 满液式蒸发器优点满液式蒸发器优点

23、 传热效率高。液态制冷剂淹没大量换热管束传热效率高。液态制冷剂淹没大量换热管束,蒸发蒸发 管表面高度强化管表面高度强化, 完全浸泡在冷媒中。完全浸泡在冷媒中。 制冷剂蒸汽无需过热度制冷剂蒸汽无需过热度, 从而蒸发温度可以大幅的从而蒸发温度可以大幅的 提升，大大提高机组的能效比，大容量机组能效提提升，大大提高机组的能效比，大容量机组能效提 升更加明显。升更加明显。【在冻水回水【在冻水回水12, 出水出水7的条件下的条件下, 蒸发蒸发 温度可达温度可达5( 而干式仅为而干式仅为2) 】 n 满液式蒸发器缺点满液式蒸发器缺点 满液式蒸发器需要注入大量的制冷剂满液式蒸发器需要注入大量的制冷剂 在采用氟

24、利昂制冷剂时在采用氟利昂制冷剂时, 润滑油的分离较困难。润滑油的分离较困难。 n干式蒸发器优点干式蒸发器优点 无需回油装置就能将润滑油带回压缩机。无需回油装置就能将润滑油带回压缩机。 制冷剂用量少制冷剂用量少, 为相同制冷量满液式蒸发器的为相同制冷量满液式蒸发器的1/3。 n干式蒸发器缺点干式蒸发器缺点 当采用多流程时当采用多流程时, 气、液两相制冷剂在端盖内转向时气、液两相制冷剂在端盖内转向时 会出现分离会出现分离, 造成下一个流程中各管子中制冷剂流量造成下一个流程中各管子中制冷剂流量 分配不均匀的不利现象。含气量越多分配不均匀的不利现象。含气量越多, 分配越不均匀分配越不均匀, 甚至会使有

25、些管内无液体或液体很少甚至会使有些管内无液体或液体很少, 使这些管子失使这些管子失 去了蒸发冷却的作用。去了蒸发冷却的作用。 由于折流板与壳体之间一般都有间隙泄漏由于折流板与壳体之间一般都有间隙泄漏(即冻水短即冻水短 路路) ，降低了水侧的换热效果。，降低了水侧的换热效果。 将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体 分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，并沿换热分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，并沿换热 管内壁呈均匀膜状流下。在流下过程中，被壳程加热管内壁呈均匀膜状流下。在流下过程中，被壳程加热 介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的介质

26、加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的 分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入冷凝器冷凝（单分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入冷凝器冷凝（单 效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实 现多效操作，液相则由分离室排出。现多效操作，液相则由分离室排出。 n降膜蒸发器降膜蒸发器 液膜与加热管的热阻小，传热系数高。可以多效液膜与加热管的热阻小，传热系数高。可以多效 作业，很小的温差（作业，很小的温差（6-86-8），就能正常工作。），就能正常工作。 广泛用于医药、食品、化工、轻工等行业的水或有机溶媒溶广泛用于医药、食品、化工、轻工等行业的水或有机溶媒溶

27、液的蒸发浓缩，并可广泛用于以上行业的废液处理。液的蒸发浓缩，并可广泛用于以上行业的废液处理。 n 结构计算结构计算 n 传热计算传热计算 n 流动阻力计算流动阻力计算 管壳式热交换器的计算管壳式热交换器的计算 2.2 2.2 管壳式热交换器的结构计算管壳式热交换器的结构计算 n管程流通截面积管程流通截面积的计算的计算 n壳体直径壳体直径的计算的计算 n壳体流通截面积壳体流通截面积的计算的计算 n进出口连接管直径进出口连接管直径的计算的计算 2.2.1 2.2.1 管程流通截面积管程流通截面积的计算的计算 t t tt M A 式中：式中：At管程流通截面积，管程流通截面积，m2; Mt管程流体

28、的质量流量，管程流体的质量流量，kg/s; 管程流体的密度，管程流体的密度，kg/m3; t管程流体的流速，管程流体的流速，m/s n所需管数：所需管数： 2 ti 4/nAd i d 管子内径管子内径 式中：式中： n每根管子的长度每根管子的长度 传热面积传热面积 L/Fdn n管程数：管程数： t Z/L l n总的管子根数总的管子根数 tt nnZ 每程管数每程管数 管程总长管程总长 2.2.2 2.2.2 壳体直径壳体直径的确定的确定 2.2.3 2.2.3 壳程流通截面积壳程流通截面积的计算的计算 确定确定纵向隔板纵向隔板和和折流板折流板的数目和尺寸的数目和尺寸 P55 2.2.4

29、2.2.4 进出口连接管直径进出口连接管直径的计算的计算 2.3 2.3 管壳式热交换器的传热计算管壳式热交换器的传热计算 2.3.1 传热系数确定传热系数确定 经验数据；实验测定；计算得出经验数据；实验测定；计算得出 管壳式热交换器所用的管子大多为圆管管壳式热交换器所用的管子大多为圆管 n目的：使设计的热交换器能够在传热面积、目的：使设计的热交换器能够在传热面积、 传热系数、平均温差等方面的综合结果满足传热系数、平均温差等方面的综合结果满足 传热方程式的要求。传热方程式的要求。 光滑圆管的换热系数光滑圆管的换热系数 外表面外表面 内表面内表面 管壁较薄时，近似公式管壁较薄时，近似公式 外表面

30、外表面 内表面内表面 忽略管壁热阻，污垢热阻且管壁很薄时忽略管壁热阻，污垢热阻且管壁很薄时 Oi Oi K 2.3.2 2.3.2 换热系数的计算换热系数的计算 1. 管内、外换热系数管内、外换热系数 流体通过壁面的换热系数，通过实验确定为流体通过壁面的换热系数，通过实验确定为 努塞尔数努塞尔数，传热因子传热因子，雷诺数雷诺数的关系。的关系。 传热因子传热因子 1/30.14 Pr(/) hw jNu 1/30.14 /Re Pr(/) Hw jNu Re hH jj n 科恩传热因子科恩传热因子 n 柯尔本传热因子柯尔本传热因子 2. 壳侧换热壳侧换热 流动复杂且存在旁流、漏流，需专门的公式

31、流动复杂且存在旁流、漏流，需专门的公式 1) 1) 无折流板无折流板时，按照纵向流过管束考虑；时，按照纵向流过管束考虑； 4 32 10Re 2) 2) 盘环形折流板盘环形折流板 4) 4) 盘环折流板盘环折流板 4 32 10Re 3) 3) 孔形折流板孔形折流板 5) 5) 弓形折流板弓形折流板 应用比较普遍，占主导地位，研究较多应用比较普遍，占主导地位，研究较多 各种方法比较各种方法比较 n柯尔本柯尔本方法：基于理想管束，误差大；方法：基于理想管束，误差大； n科恩科恩方法：考虑了管程方法：考虑了管程- -壳程流动、温度、壳程流动、温度、 结垢等，比较完整；但过于简化，传热系数结垢等，比

32、较完整；但过于简化，传热系数 比较接近实际，压降相差比较大；比较接近实际，压降相差比较大； n廷克廷克的流动模型：将流动分类的流动模型：将流动分类 n贝尔法贝尔法：基于实验数据，并加以修正，应用：基于实验数据，并加以修正，应用 比较广。比较广。 廷克廷克流路模型流路模型 将壳侧流体分为将壳侧流体分为错流错流、漏流漏流及及旁路旁路等流路等流路 贝尔法贝尔法 n思路：思路： 假定全部壳程流体以假定全部壳程流体以纯错流纯错流的形式通过理想管的形式通过理想管 束，得到束，得到理想管束的传热因子理想管束的传热因子，再根据具体操，再根据具体操 作条件引入各项作条件引入各项校正因子校正因子。 n先决条件先决

33、条件 明确知道换热器的结构参数（管数，各个泄明确知道换热器的结构参数（管数，各个泄 漏面积等）漏面积等） n得到结构参数后，按照全部错流穿过理想管束，得到结构参数后，按照全部错流穿过理想管束， 得到柯尔本传热因子得到柯尔本传热因子 2 0.14 0 3 () Hw sp jpr G c n以结构参数为基础，查取各种条件下的校正以结构参数为基础，查取各种条件下的校正 因子因子 ji，再计算实际情况下的传热因子，得到，再计算实际情况下的传热因子，得到 壳程传热因子壳程传热因子 jo 校正因子包括：科尔本校正因子包括：科尔本jH 、缺口、缺口jc 、泄露、泄露jl 、旁通、旁通 jb 、间距不等、间

34、距不等js 、低、低Re时逆温度梯度时逆温度梯度jr等。等。 与换热相关的几个问题与换热相关的几个问题 1.1.定性温度定性温度 n定性温度的含义定性温度的含义 取法：取法：1 1）流体的平均温度；）流体的平均温度；2 2）壁温；）壁温；3 3）流体和壁）流体和壁 温的平均温度。温的平均温度。 n对油类以及其他高粘性流体，按照卡路里温度计算对油类以及其他高粘性流体，按照卡路里温度计算 2. 2. 定型定型( (性性) )尺寸尺寸 n对流体运动或传热发生主导影响的尺寸对流体运动或传热发生主导影响的尺寸 n圆管内换热取管内径；管外强迫流动取管圆管内换热取管内径；管外强迫流动取管 外径；非圆性管道取

35、外径；非圆性管道取当量直径当量直径. . 式中：式中：A:流体的流通截面积；流体的流通截面积； U:湿周边或热周边长湿周边或热周边长 de = 4A / U 3 3 粘度修正粘度修正 cr QF t 4 4 同时存在对流和辐射换热问题的处理同时存在对流和辐射换热问题的处理 近似值：液体加热取近似值：液体加热取1.05；液体冷却取；液体冷却取0.95 气体加热和冷却都为气体加热和冷却都为1.0 2.3.3 壁温的计算壁温的计算 一般情况下一般情况下 放热侧放热侧 吸热侧吸热侧 壁温与换热系数同时计算时，壁温与换热系数同时计算时，迭代比较法迭代比较法。 假设壁温，在此基础上求得换热系数，分假设壁温

36、，在此基础上求得换热系数，分 别求得壁面两侧的传热量，二者进行比较修正别求得壁面两侧的传热量，二者进行比较修正 壁温，再次计算。壁温，再次计算。 2.4 管壳式热交换器的流动阻力计算管壳式热交换器的流动阻力计算 阻力来源阻力来源 流体的粘性；壁面引起的流体内部相对运动流体的粘性；壁面引起的流体内部相对运动 热交换器的热交换器的阻力分类阻力分类 流体与壁面的流体与壁面的摩擦阻力摩擦阻力 流动过程中的流动过程中的局部阻力局部阻力 注：注：管侧与壳侧的阻力分别计算管侧与壳侧的阻力分别计算 所设计的热交换器的压降超出允许范围时，需修改所设计的热交换器的压降超出允许范围时，需修改 n管程阻力由管程阻力由

37、沿程阻力沿程阻力、回弯阻力回弯阻力和和进出口连进出口连 接管阻力接管阻力三部分构成，三部分阻力分别计算。三部分构成，三部分阻力分别计算。 n各自的计算公式见书各自的计算公式见书P70-71P70-71 2.4.2 2.4.2 壳程阻力计算壳程阻力计算 n对于相同的雷诺数，壳程摩擦系数大于管程对于相同的雷诺数，壳程摩擦系数大于管程 摩擦系数；壳程的压降可能比管程小。摩擦系数；壳程的压降可能比管程小。 n壳程的阻力与流速、水力直径、折流板数，壳程的阻力与流速、水力直径、折流板数， 流体密度等密切相关，所以要按照其类型不流体密度等密切相关，所以要按照其类型不 同分别计算。同分别计算。 n装有装有弓形

38、折流板的壳程阻力弓形折流板的壳程阻力，按照，按照贝尔法贝尔法计计 算具有比较好的准确性。算具有比较好的准确性。 流路分析法流路分析法 根据并联管路原理如下公式：根据并联管路原理如下公式： BCE束 PPPP AD缺束 PPPP 根据质量守恒如下公式：根据质量守恒如下公式： SBCEDAi MMMMMMM 每一流路的压降公式：每一流路的压降公式： 2 sii ii w S Pk 2.5.1 2.5.1 流动空间选择流动空间选择 原则原则 1. 1. 提高传热系数受到限制的侧的换热系数；提高传热系数受到限制的侧的换热系数； 2. 2. 尽量节省材料尽量节省材料 3. 3. 减少各种热损失、冷量损失

39、；减少各种热损失、冷量损失； 4. 4. 减少热应力减少热应力 5. 5. 不易结垢，结垢后易清洗；不易结垢，结垢后易清洗； 6. 6. 高压下工作时，密封简单高压下工作时，密封简单 7. 7. 便于流体的流入、分配和排出便于流体的流入、分配和排出 2.5 2.5 管壳式换热器的合理设计管壳式换热器的合理设计 n管程流过液体：容积流量小，不清洁、易结管程流过液体：容积流量小，不清洁、易结 垢；高压；腐蚀性；高温；低温。垢；高压；腐蚀性；高温；低温。 n壳程流过液体：壳程流过液体： n发生矛盾时，确定主要目标发生矛盾时，确定主要目标 2.5.2 2.5.2 流体温度的确定流体温度的确定 1） 热

40、端温差小于热端温差小于20； 2 ）冷端温差小于）冷端温差小于5； 3） 冷却或冷凝时，冷却或冷凝时， 冷流体的初温大于热流体的凝冷流体的初温大于热流体的凝 固点；有不凝性气体参与时，冷流体终温要低于固点；有不凝性气体参与时，冷流体终温要低于 被冷凝气体露点被冷凝气体露点5 4） 空冷时，进口温差要大于空冷时，进口温差要大于20 5 ）多管程热交换器避免温度交叉）多管程热交换器避免温度交叉 2.5.3 2.5.3 管径选择管径选择 原则：原则： 倾向于较小的管径，管壁要满足压力以及倾向于较小的管径，管壁要满足压力以及 腐蚀要求；同时满足胀管要求腐蚀要求；同时满足胀管要求 2.5.4 2.5.4 流速