管壳式换热器的设计要点1

1、管壳式换热器的设计要点换热器的设计过程包括计算换热面积和选型两个方面。有关换热器的选型问题，前面已经 讲过了，下面主要介绍管壳式换热器的设计要点及如何分析计算结果、调整计算，而设计 出满足工艺需要的、传热效率高的换热器。11.1设计计算的基本模型及换热器的性能参数换热器的性能主要是通过下列公式来描述的。a. 冷、热两流体间热量平衡qreq=(wcp t)hot=(wcp t)coldw流体质量流量cp流体的比热hot-热流体cold一冷流体at进出口温度差b. 传热率方程qact=(a) ( a tm) (1/xr)s r=(l/hi) o+(l/ho) o+ (rf) o+ (rw) or总

2、热阻a传热面hi、ho分别为两流体的传热膜系数rf两流体的污垢热阻rw金属壁而热阻a tm平均温度差0通常换热计算以换热管外表面为基准c. 传热率的估算qactqrcqd. 对压力降的限制条件( pi)actw (a pi)al low(a po)actw ( a po)allowap压力降下标i表示管内下标o表示管外11.2换热器的计算类型换热器的计算类型常分为设计计算和校核计算两人类。换热器计算一般需要三大类数据: 结构数据、工艺数据和物性数据，其屮结构数据的选择在换热器小最为重要。在管売式换热 器的设计中包含有一系列的选择问题，如壳体型式、管程数、管子类型、管长、管子排列、 折流板型式、

3、冷热流体流动通道方式等方而的选择。工艺数据包括冷、热流体的流量、进出 口温度、进口压力、允许压降及污垢系数等。物性数据包括冷、热流体在进出口温度下的密 度、比热容、粘度、导热系数、表面张力。a.设计计算design设计计算就是通过给定的工艺条件，来确定一台未知换热器的结构参数，并使其结构最优、 尺寸最小。对设计计算应先确定卜列基本的儿何参数:_管长一一管间距流向角换热管外径及管壁厚b.校核计算rating校核计算就是评估一台己知换热器的传热性能，即通过校核设备的儿何尺寸來看其 是否能满足传热要求。校核计算应已知下列基本的儿何参数：一管程数壳内径/管数折流板间距/折流板数一一管长/管间距流向角一

4、管内径/管壁厚11.2.1设计元素的选取设计计算时应考虑下列的儿个棊本设计元索：一一壳体型式:temae, f, g, j, k, x。壳内径：通常最大为2米。换热管儿何尺寸：光管、翅片管管径（19mm, 25. 4mm 等）管长系列（3叫5m, 6m, 7. 2m等）一一管子排列角：30° , 60° , 45° , 90°管间距:1.25 1.50倍的管子外径折流板型式：单圆缺、双圆缺、管窗内不排管及为防止管子振动而加的支承板。11.3最终计算结果的分析目前，换热器计算常川的计算软件为美国的iitri和英国的iitfs,这两大软件均为在国 际上享有盛

5、誉的传热设备专用计算软件。当设计计算结朿后，如何根据实际的工况，來判断 计算结果是否满足要求，出现问题后如何解决，这对设计者来说都是很重要的，在评价最终 设计计算时应考虑并校核以下各项。11.3.1总体设计尺寸细长型的换热器比短粗型要经济，通常悄况下管长和壳径之比为5 10,但有时根据 实际需要，长、径之比可增到15或20,但不常见。对立式热虹吸再沸器，要控制其长、径 比在310之内。11.3.2热阻大小首先根据流体的物系及实际经验來推断一下传热系数值是否合理，应特别注意管内'雷诺 数的大小。在层流流动（管侧re<2000,壳侧re<300）和过渡区流动中，应使用分段计算的

6、方 式（htfs程序无此功能），以确保传热系数值计算的止确。在评估计算结果的同时，应考虑 程序计算的精确度。如果热阻在管侧和壳侧分布平衡，则该设计是好的，如果一侧热阻值过 大，应该分析原因，分析管、売侧冷、热流体的分布是否合理，如果是由于某一侧污垢系数 过大而引起的，则可不必进一步修改原设计。11.3.3设计余量换热器设计计算时设计余量值的大小取决于计算精度、实际经验及対现场的操作控制等。 例如：对冷却水换热器，当水流速大于1.5m/s吋，没必要给出过大的设计余量，过大的余 量反而会造成水流速的降低。但对层流和过渡区流动，由于计算精度不好，故盂要给出较大 的设计余量，通常需耍在考虑了传热阻力值

7、的大小和程序的计算精度后决定。对再沸腾器, 过大的设计余量反而是无益的，特别是在设备运转初期，会发生如控制困难等操作问题。另 外，有些设计计算，为了满足允许压降值的限制，可能会造成设计余最较人，此时应根据实 际经验來判定计算结果是否正确或对允许压降值的大小作适当的调整。11. 3. 4压降的利用和分布允许压降必须尽可能加以利用，如果计算压降与允许压降有实质差别，则必须尝试 改变设计参数。在校核了计算所得压降值是否小于允许值z后，应对压降的分布作进一步的 校核，这其小包括有进、出口接管处压降、错流和管窗流的压降，压力降必须大部分分布在 换热率高的地方，如横掠管束的错流流动处；如果在接管或管窗处的

8、压降占总压降的比例较 大，应考虑增人接管尺寸及折流板间距。一般对进、出口接管的压降希望控制在总压降的3 0%左右。特别对有轴向接管的换热器，接管部分的压降最好控制在总压降的30%以下，否 则会造成管子进口处的偏流。为防止物流对壳程入口处的管子进行冲击，引起振动和腐蚀, 一般均在换热器壳程进口处设置防冲板或分布器，在计算压降时要有所考虑。另一个必须记 住的事实是，允许压降是人为给定的，所以，如果在设计中允许压降得到了充分利用，而增 加一点压降会增加很大的经济性，则应再行设计并考虑增加允许压降的对能性。11.3.5流速需校核管子进出口处、壳侧进口处和接管内的流速。一般來说流体流速在允许压降范围 内

9、应尽量选高些，以便获得较大的换热系数和较小污垢沉积，但流速过大会造成腐蚀并发 生管子振动，而流速过小则管内易结垢。对冷却水系统，设计计算时可参考下表中推荐的值 （碳钢管）o最小流速最人流速推荐值管侧1. 0 m/s3. 0 m/s大于1. 5m/s売侧0. 5 m/s1. 5 m/s0. 7 1. om/s如來冷却水的流速低于上表中的最小流速，最好征得工艺工程师的同意增人允许压降或 变化冷却水的流率。对冷却水以外的单相和两相流用值判断。对壳侧进口流速，按tema规定p/值不 能超过5950 kg/ms2（碳钢管）。对管窗内不排管换热器，管窗流速应为错流速度的2 2.5 倍，气体和蒸汽的流速可在

10、8 30m/s之间。11.3.6壳侧流路分析iitrt程序在计算结果中对壳侧各流路给出了校详细的分析，可以参考下表中给a,b,c,e, f流的推荐值。流路a 一折流板管孔和管子z间的泄漏流路;流路b 错流流路；流路c 管朿外围和壳内壁之间的旁流流路:流路e折流板与壳内壁z间的泄漏流路；流路f管程分程隔板处的中间穿流流路。流路名称flow fractionb错流>0.6（湍流，re>300）>0.4（层流，re>300）b流路对传热有利，其值应尽量大。cf旁流0. 1c, f值最好不超过0.1,为满足这一条 件，可使用密封装置。对浮头式或小壳 径壳体的换热器，如果c值较人

11、，应使 用密封装置。对u型管或管程数较多的 换热器，通常f值会较人，应考虑在管 程分程隔板处使用密封装置（如密封垫 或密封杆）或改变管子排列方式和折流 板圆缺位置。a泄漏流0. 15应尽量减少泄漏，但当污垢系数超过0. 0008m h° c/kcal时,由于污垢可能会 将管子和折流板管孔z间的间隙堵塞，此，a值较大也无妨，但此时对壳侧压 力损失应留有余量，最好计算一下。一 但间隙被堵塞，壳侧压降为多大。e泄漏流0. 05e值会造成温度剖而的变形，如果e值久 于0.15,可使用双圆缺折流板。最大限度地加人b-stream(错流)，减少泄漏流，而事实上漏流不可能也不必要被全 部阻止，因为

12、安装换热器吋总需要有间隙。11.3.7对折流板的设计分析单圆缺和双圆缺折流板为管壳式换热器中常用的折流板烈式，换热器中折流板的布置对 设计计算冇很大影响，一般从下面几各方面來检查原设计是否合理。a. 从流体流动、传热和污垢系数等方曲考虑，最好将折流板的圆缺高度控制 在壳体直径的2030%,而板间距则控制在壳体直径3050%z间，并不应 小于50mm ob. 避免大圆缺小间距或小圆缺大间距的设计。应优化选取折流板圆缺的大小 和板间距人小，通常b值(折流板圆缺修正系数)最好在0.90.92之间。c. 除了管窗内不排管以外，流体的错流速度和在管窗内的流动速度不应相 差太大，流体在x-flow和win

13、dow内的速度大并且越接近越好。d. 如果壳侧压降受到允许压降的限制，考虑使用双圆缺折流板,若还是不行, 考 虑变化売体型式，选用tema的j、g、h、x型壳体。11.3.8有效平均温差在htrt程序中是这样描述有-效平均温羌的：effectivemtd=(lmtd)(f)(delta)其屮：lhtd为对数平均温差f= (tube) (baffles) (f/g) (hot/cold)tube:即ft,是对管侧多铮程流动的修正系数。通常设计计算时应保证ft大于0.8。当ft小于0.8时，换热器的经济效益是不合理的，此时应另选其它流动型式，以提高ft值。 如：增加管程数或壳程数，或着用儿台换热器

14、串联，必要吋亦可调整温度条件。但在特殊情 况下，如温度有0.51.0°c交叉时，ft = 0. 75,也能接受。baffle:即折流板数修正系数。当折流板数较少时，壳侧流体的混合流动性能较低，故 需进行修正。通常此值等于1.0。delta:温度变形系数。这个系数是用来计算e流对温度差的影响人小的。设计计算时 希望6 a>0. &若8 a<0. &应考虑采川e流路小的折流板型式，也町增加换热器的串联数。h0t/c0ld：是对由于物性参数变化而造成的总传热系数变化的修疋，通常为0. 981.0。f/g：在temaf型壳体和g型壳体中，有一纵向横隔板，f/g就是

15、対通过此板的热量泄 漏的修正。如果f/gvo. 95,考虑便用保温板或增加壳程串联数。11.3.9总传热系数首先从流体的相态、物性和以往经验上来分析计算结果是否合理。另外，污垢系数的选 取对传热系数也冇很大的影响，对计算结果应综合分析，并结合实际经验來评定。11.3. 10管子振动换热管的管束属于弹性体，被流过的流体扰动，离开其平衡位置，管了产生振动。 在壳侧，拉杆和隔板也有振动的倾向,但这些部件的刚性比管了人，所以不容易被激起振动。 设计计算结束后为保证换热器的稳定操作，应校核计算结果中的有关管振动各项数值，如: 临界流动速度(criticalvelocity)、涡流脱落(vortexshe

16、dding)、湍流抖振(turbulentbuf feting) >声音共振(acousticresonance) 11振幅等。通常当折流板间距(包括进、出口处) 超过400mm时，冇可能发生管了振动。当壳侧物流为液体时，需仔细检查临界流动速度及涡 流脱落频率值的人小；而当売侧物流是气体时，应仔细检杏临界流动速度、涡流脱落、湍流 抖振、声音共振和振幅等值是否满足无振动的耍求。如果因为在进、出口处的折流板间距过 大而造成了振动，可通过在接管口下增加支撑板來避免。另外为避免振动的发生，折流板间 距应小于tema最大不支撑长度的80%。11.4如何调整设计方案，得到最佳计算结果通常情况卜彖温度

17、、压降和传热系数等设计计算控制要素很少彼此鮫好地相配合, 经常是某一设计要素为设计计算的控制因素，由于一个简单的设计变更能带來设备尺寸的减 小，因此找出控制因素能尽快冇效的帮你解决问题。11.4. 1传热系数为控制因素吋总传热阻力的人小主要是由壳侧、管侧、污垢和管了的金属阻力来决定的，为了提高总 传热系数的人小，应分析是哪一侧的传热系数影响了它，采川何种方法，可以提高传热系数 值。a. 提高壳侧传热系数的方法使用低翅管一减小换热管外径和管间距一提高b流速度（可使用密封设备或减小壳体和折流板z间的间距）一选丿ij f型或g型売体b. 提高管侧传热系数的方法减小管外径增加管长一变换流动分布，管侧流

18、动改为壷侧流动11.4.2压力降为控制因素时a.可通过下述方法來减小壳侧压力降使用双鬪缺折流板或管窗内不排管一选用tema j型壳体一增加管间距一改变流向角，可选用45°或90°b.町通过下述方法来减小管侧压力降增人管子外径减小管长11.4.3温差推动力为限制因索时为提高温差推动力，最好选川纯逆流型设备。增加壳程数减小e流的大小11. 4. 4设计中预料到振动吋应采取什么措施应采取以下措施屮的一种或多种，以降低扰动频率或增加门然频率。1) 减小管子跨距长度：这可以增加自然频率同时也使错流速度增加。2) 减小壳侧流体速度：可以用减小流量和改变管距或流向角的方法达到这个冃的,

19、结果是使扰动频率降低。3) 改变折流板型式：折流板窗屮无管的设计，使所有的管了都受到支撐，因此，将 折流板改变成这种形式，可以减少最长跨距的管子，因而对以增加白然频率。4) 降低壳体入口流速：如果对进口区域的可靠性有疑问，应使用较大的进口管直径、 防冲板，并环绕壳体安装一个挡板，以便提供较大的进口面积，这样可以减少干扰频率。5) 增加折流板厚度。6) 将管与折流板孔之间的间隙减至最小。7) 折流板材料不应比管子材料硬。8) 使用厚壁管并使管子紧固。9) 如果预计有声学振动，则可采用解谐隔板。10）堵塞所有旁路流和流程分隔漏流，因为这些地方流速鬲（由丁流动阻力），可能局部损坏管了。在上面1）3）

20、项中，换热器的热力性能和压降都必须重新计算。第4）9）项不明显影响换热器的热力性质。第5）8）项增加了自然频率。第10）项可以加强热力性能。板式换热器与套管换热器的简单区别（1）板式换热器属于高效换热设备。在实际应川中冇两种，一种是旋压法制造的伞板式换热 器，另一种是冲压法制造的平板换热器，其结构特点如下：板式换热器体积小、占地而积少。板式换热器占地面积为同样换热能力的列管换热器的30%左右，若与淋洒式的排管冷却器 相比就更优越。板式换热器传热效率高。板式换热器能使两种热交换流体处于较低的流速卜，增强扰动，激起湍流，从血强化传热， 传热系数值k可达16720j/ （m2h°c）（水对

21、水），较z列管换热器高24倍。板式换热器组装灵活。当生产上要求改变工艺条件和产最时，板式换热器只要增减板片数最或改变板片组装流程 通道形式，即可满足要求。板式换热器金属消耗量低。板式换热器主要由不锈钢或钛合金压制的传热片、密封胶梨、夹紧螺栓和压紧板整机框架 等零部件组成。板式换热器的板片每平方米消耗金属为8kg左右，而同样参数的螺旋板式换 热器则需要20kg左右，英他管壳式换热器就更多了。板式换热器热损失小。板式换热器由于仅是板片周i韦i边暴露在人气屮，所以热损失仅1%左右，不需要采用保温 层。板式换热器拆卸、清洗、检修方便。松开压紧螺母即可进行清洗维护，更换胶垫或板片。对于容易结垢的介质，一

22、方面由于板式 换热器屮的介质有激烈的湍流，具湍流临界雷诺数比一般列管式换热器低10倍左右，因而 不易结垢。（2）套管式换热器是为中小型冷水（热泵）机组设计制造的专用产品。广泛应用于水环热泵 机组，水源冷水（热泵）机组，空气源冷水（热泵）机组，地源冷水（热泵）机组等制冷设 备。套管式换热器结构全面优化整合，使结构更合理，性能更稳定。与套穿具内铜管管束一起弯 制成层叠螺旋形状的套管主体，并以钢制的固定支架与套管式主体焊接巩固成型，套管两端 各自导出制冷剂和冷却水连接套路压缩机的川途及分类一、定义：压缩机是用來提高气体压力和输送气体的机械。二、主要用途：1动力用压缩机：压缩气体驱动各种风动机械，如：

23、气动扳手、风镐。控制仪表和白动化装迸。交通方而：汽车门的开启。食品和医药工业中用高压气体搅拌浆液。(5)1、纺织业中，如喷气织机。2气体输送用压缩机管道输送为了克服气体在管道 中流动过程中，管道对气体产牛的阻力。瓶装输送缩小气体的体积，使有限的容枳 输送较多的气体。3.制冷和气体分离用压缩机如氟里昂制冷、空气分离。4.石汕、化工 川压缩机用于气休的合成和聚合，如：氨的合成。润滑汕的加氢精制。三、压缩机的分类按作用原理分：容积式和速度式(透平式)按压送的介质分类：空气压缩机、氮气压缩机、氧气压缩机、氢气压缩机等(3) 按排气压力分类:低压(0.3-1.0mpa)中压(1.0-10mpa)高压(1

24、0-100mpa)超高 压 oloompa)按结构型式分类：压缩机-容积式、速度式。容积式-回转式(包括螺杆式、滑 片式、罗茨式)、往复式(包括活塞式、隔膜式)。速度式一离心式、轴流式、喷射式、 混流式。如何选怎换热器的换热管？管子必须能够承受：内、外侧的压力；两侧的温度；由管、壳膨胀差所引起的热应力；管 侧和壳侧流体的腐蚀性。1. 1管型常川换热管为光管和外翅片管，近儿年一种新型换热管一波节管也常被用于采暖、供热 上，另外，高通量强化管也被用于某些特定的场合。在选取换热管时要充分考虑其可用性、 适应范i韦i及管材价格。管壳式换热器通常惯例使用光管作换热管，它可以用任何材料做成， 并满足冇较宽

25、的管壁范围，这种型式的换热管适用于所冇管壳式换热器。低翅管的翅片可 将光管的外表而积增人约2. 5倍。当壳侧污垢系数小于0. 00053m2. k/w时使用低翅管较为经 济，但它不可川在腐蚀速率超过0. 05nmi/年的场合，由于此时翅片的寿命将只有3年或更短。 対同样长度和壁厚的光管來说，翅片管的价格要高出其50%70%,因此，只冇当光管的管外 总阻力与管内总阻力z比大于或等丁 3吋，需耍采用外翅片管。这种情况经常会发生在用 蒸汽加热的再沸器、预热器、水冷器和处理冇机流体的冷凝器中。但若光管的管外总阻力 与管内总阻力之比小于3时，可作一下具体的经济比较，因若采用外翅管可减小売径，降 低成本，

26、故哪种管型较合理需具体情况具体分析。翅片管的另一个特殊用途是解除瓶颈问 题，扩大现冇设备的能力。而当传热壁两侧传热膜系数都很小时，宜用两面带翅的设备， 如板翅式换热器或外翅管内加麻花条或螺旋线强化器。1.2管长管长的选取是受到两方面因素限制的，一个是材料费用，另一个是可用性。长一点的 管子（12.加的碳钢管，21.3m的铜合金管）通常只在美国可以得到。但是6m长的换热管则 是很普遍的。无相变换热时，管子较长则传热系数也增加，在相同传热面吋，采用长管较 好，一是可减少管程数，二是可减少压力降，三是每平方米传热而的比价低。但是管子过 长给制造带来困难，因此，一般选用46m的换热管。对于人而积、或无

27、相变的换热器可以 选用89m的管长。在冷凝器屮选丿ij长管子的一个缺点是会增大设备放證平台的钢结构，增 加费用。另外，长管朿也需要有较大的管子抽出空间，因此需要增加设备的占地血积。1.3管径和壁厚管径愈小换热器愈紧凑、愈便宜。但是管径愈小换热器的压降将增加，为了满足允许 的压降，一般推荐选用19mm的管子。对于易结垢的物料，为了清洗方便，采用外径为25m m的管了。对于冇气一液两相流的工艺物流，一般选川较大的管径，例如再沸器、锅炉，多 采用32mm的管径，有接火加热时多采用76mm的管径。常用倒内换热管的规格见表101。表10-1常用国内换热管的规格材*钢管标准外径x厚度nim碳钢gb8163

28、-8710 x 1. 522 9455xxxx2222532 x 338 x 345 x 357 x 3. 510 x 1. 514 x 2不锈钢gb2270 8019 x 225 x 232 x 238 x 2. 545 x 2. 557 x 2. 52折流板的选取折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，增加流体速度，以增强传热; 同吋起支撐管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。2. 1折流板型式折流板的型式有圆缺形、环盘形和孔流性等。通常为圆缺形折流板,并可分为单圆缺形、 双圆缺形和三圆缺形。在婆求压降小的情况下，也可选用环盘形折流板，但传热较差，应用 较少。孔流形折流板使流体穿过折流板孔和管子