壳管式热交换器

1、殼管式熱交換器一、殼管式熱交換器簡介殼管式熱交換器 （shell and tube heat excha nger種結構簡 單、製造容易、成本低廉且維護容易的熱交換器，雖然是緊緻度 （compact ness漱差，仍廣泛被應用於化工製程、動力廠、冷凍機 械等用途。1- 1結構殼管式熱交換器視應用場合的不同也有許多形態的結構設計，美國的管式熱交換製造協會 TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURES ASSCOCIATION （TEMA> 所出版的 STANDARDS OF THE TUBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION 一書

2、中有各種型式殼範，設計殼管式熱交換器的项 目師可自該書中得到設計上所需的基本資料，該書已於1988年發行第七版。圖一為TEMA記號AEP之殼管式熱交換器之基本結構，其記號 分類依前端板（FRONT END>、殼體（SHELL及後端板（REAR END> 的形式來分，如圖二所示。1- 2 LMTD 與 F熱交換器之熱傳方程式一般可用下式表示：（1>其中Q為熱傳量，U為總包熱傳係數，A為傳熱面積冋為冷熱流體 逆流（COUNTER FLOW>進行熱傳時之平均溫差，F為其當其熱傳方 式非逆流時之溫差校正因子，若冷熱兩流體之流向自始至終都維持向或平行（COUNTERor RARA

3、LLEL>貝ij F=1.0,而若非單純的逆向或平行，則FV1.0, F值可依實際情況查表或圖，如圖三即為殼側單通，而管側有2,4,6通時之修正因子F之圖。經簡單的熱傳理論分析可以發現到其型式為一對數平均值，而一般就稱之為對數平均溫差（LOG MEAN TEMPERATURE DIFFERENCE>，簡記為LMTD。LMTD之取法為先取冷熱流體在各 端點（前或後 > 之溫差，而後計算其對數平均，如圖四所示。故丨與 之比值若小於2,則以算術平均溫差所得到的值誤差小 於4%,故一般來說若前後溫差比值小，則用算術平均溫差亦可得 到可被接受的結果。圖三之溫差修正因子係依兩個參數 P及

4、R來查得，P為熱交換 器之所謂溫度效率（TEMPERATURE EFFICIENCY，因此，我們可 以發現到，若某一側流體維持固定溫，即P=0或R=0,則修正因子為1.0O當熱容量比R固定時，溫度效率P大到某一值後，修正因子 F會遽降，若熱交換器在這種範圍下操作，表示該熱交換器為了提 高溫度效率，使得真正的有效溫差大打折扣，而傳熱面積必需大幅 增加，成本也大幅提咼。1-3 污垢因子（Fouling Factor熱交換器之規格通常都必需包含污垢因子的說明，污垢因子在 新機運轉時由於熱傳管表面仍十分乾淨，故污垢因子為零，而機器 或製程在使用了一段時間後，由於髒東西或雜質附著於熱傳管表 面，形成所謂

5、污垢（FOULING or SCALE，通常污垢都是熱傳導係 數很小的物質，故使得熱交換器能力降低，當污垢大到使系統無法 達到最低要求能力時，熱交換器便需要清洗或換新，為配合工廠或 機器之維護，通常污垢因子之訂定是以其運轉一年所會產生之污垢 量所造成影響仍能提供最小能力需求為準。因此，污垢因子之決定 依實際上系統的週邊設備或環境而定，污垢因子大則熱交換器必需 作得愈大，相對的成本愈高。若工作流體係封閉回路者，則其污垢因子應該會很小，若工作 流體會與大氣接觸且沒有良好過濾裝置來清除雜質，則其污垢因子 會較大。工作流體會與熱傳管產生化學反應者，其污垢因子也會較 大。流速小的情況雜質較易沈澱，污垢因

6、子也較大，流速大雖然污 垢因子會較小，且熱傳係數大，但是摩擦力大，管材較易磨損且有 振動問題之可能，壽命較短。故如何決定這些相關因素通常有經驗 值可依循，有些應用的污垢因子甚至有國家標準，設計時不可不 察。以殼管熱交換器之實驗設備而言，由於學校用水不經處理，其 中雜質會在經年累月使用後沈澱在管壁上，污垢量愈來愈大，故比 較前後期同學的數據亦可分析出污垢因子之成長。污垢因子在熱交換器之熱傳方程式中的地位為熱阻抗，如下 式:其中a a為依管外熱傳面積j所定義之總包熱傳係數為管外流體之熱傳係數|-|分別為管外及管內傳熱面積為管內流體之熱傳係數上 分別為熱傳管之外徑及內徑為傳熱管之熱傳導係數為熱傳管總

7、長度為管外及管內壁之污垢因子2L Floating head cover-external22. Floating tubesheet skiit23. Packing box24. Packing25. Packing glan虚26. Lantern ring27* Tierods and spacers28, Transverse baffles or support phtes29. Impingement plate30- Longitudinal bafflePass paitition32* Vent connection33. Drain connection34. nstru

8、ment connection35. Support saddle36. Lifting lug37. Support bracket3S. Weii39* Liquid level connectionStandard Nomenclature of Heat Exchanger ComponentsL Stationary head-channel2r Stationary head-bonnet3, Stationary head flange-channel or borinet4, Channel cover5* Stationary head noizle6, Stationary

9、 tubesheet1, Tubes& Shell9. Shell cover10- Shell flang亡亠stationary head end11. Shell flange-rear head end12* Shell nozzle13* Shell cover flange14. Expansion joint15* Floating tubesheet16* Floating head cover17. Floating head flange13. Floating head backing device19. Split shear ring20. Slip-on b

10、a eking flange圖一 AEP殼管式熱交換器之結構HOHT EHPHATbONMY HEAD TYPES11SPECIAL HIGH P览ESSUJtE CLOSUREPH " kJ ad G.|AND JlEWiCiVA&LE COVEP(IMfEGRAL COVtfllyu*<HJmOjEOml/GHANNiEL INTEGRAL WITK TU&I- SHEET AND KtMOVABlE COVER彳1Q|rCHANNEL INTEGSAL WITH TUBESHEET ARD REVABtE COVEfl1P厂FMPU-U THBOUGH F

11、LOATIHGuwFIXED TUSEiHER LIKE STATIOHABt HEAPHEAD TTPUFLOATliNG WITH BACKING DEVJCf圖二TEMA殼管式熱交換器之分類FIXED TUefSMEET LIKE 旷 STATiaHAHY HEADflXED IUBESHEET uke "hrr stateonary headUTSIOE PACKED FLOATING HEAOiHEADKTfBNAUY SLALtO FkOATlNQ TUBESriiET=lhermaC capacityratiocc-nvtou 却：HJMPTtp(Broken line

12、 shows temperature meetconditfon, i,e, T, - r;).7ess-ob-R M 20 凸0.4Q7 O.S 0,91.Q301Mgr51為進口，下標24b逆向流P = temperature efficiency - *H - !t 圖三 殼側單通之殼管式交換器的溫差校正因子圖，圖中下標 為出口圖四平行流及逆向流熱交換1-2熱交換器2- 1溫度分布殼管式熱交換器之殼側流體為單通，而管側有雙通是一種很基 本的型式，如圖五為典型的這種殼管式熱交換器的流體溫度分布 圖。在圖五所示之1-2熱交換器中，管側流體對殼側流體有一通為逆向流，另一通為平行流，即此熱交換器

13、為一逆向流熱交換器與一 平行流熱交換器之組合，依方程式(2所得之LMTD非其真正溫差, 其真正的溫差必須由圖三求得溫差校正因子 F來加以修正。圖五1-2熱交換器之溫度分布圖殼管式熱交換器的殼側為了增強熱傳效果，通常會有許多擋板 (BAFFLE，因此殼側流體在進入熱交換器後會在管陣中穿越來回數 次，其流場自然是紊性的，故殼側流體可視為完全混合而使溫度分 布呈平滑地變化趨勢。管側流體則在第一通先升溫到，在第二通時再逐步升溫到 。圖六 另一種1-2熱交換器之溫度分布圖若1-2熱交換器之冷熱流體之進出口位置改變，如圖六，則其 管側流體之溫度變化可能會在第二通時有降溫的現象發生。這是因 為第一通管側流體

14、在其末端已與殼側進口端的最高溫度流體熱交 換，其溫度可能高於仍在殼側中流動的工作流體之溫度，故當其逆 向流回時，因為管側溫度高於殼側流體，故會形成熱能的回送，因 此，經驗告訴我們，若溫差校正因子小於0.75，則不能用如圖六的進出口布置方式。理論上，圖五與圖六的布置方式其溫度校正因子是相同的(KERN,PROCESS HEAT TRANSFER, 1950, McGrawHill。2- 2熱傳係數管側的熱傳係數可假設工作流體均勻分布於每一熱傳管中，用 Dittus-Beolter 方程式1(4其中n=0.4加熱用(管側流體溫度較高n=0.3冷卻用(管側流體溫度較低來求，此式為最常用之紊流經驗公式

15、，平均誤差約，用於水時之計算結果則約低估10%。若經計算其雷諾數 Re為層流，則以層 流的熱傳係數來算，由於壁溫通常不可能為常數，而熱通量是否為 近似常數則依實際情況而定，故建議以Nu=4去作估算應為可接受的方法。殼側之熱傳是在一種非常複雜的情形下進行的，其熱傳係數與管陣布置方式、管陣與殼壁之間隙分布大小、擋板形式、擋板尺 寸、擋板間隔、不同管通間之距離、流體進口處是否有擋板及擋板 形式、是否有密封板(SEALING STRIP都有關；因此，殼側之熱傳 係數的預估事實上並無一個放諸四海皆準的經驗公式可用。KERN(1950> 建議，若擋板為 25% 橫切(HORIZONTAL CUT&g

16、t; 則 殼側熱傳係數可依下式計算：此式中之各參數的定義，可由圖七查得。進一步的研究及项目上的 需要則可參考DANIEL A. DONOHUE, Heat Transfer and PressureDrop in Heat Exchangers, Industrial and Engineering Chemistry, vol.41 No.11, pp.2499251d由於殼側熱傳之預測非常複雜，設計者必需有經驗據輔佐，而 且，因為影響殼側熱傳係數之參數非常的多，所以，在引用舊數據 時必需確實掌握有原始製作時之加工圖面，在這種情形下，分析仍 然有其必要性，透過計算分析才能瞭解任何一種改善方案

17、之可能影 響效應，再輔以成品的測試或實際運轉數據則可建立更進一步的資 料庫。L；二 E i工：J圖七 殼側熱傳係數<KERN,1950)三、實驗測試本組殼管式熱交換器實驗系統之目的在於：1. 培養學生對殼管式熱交換器之基本認識，透過實驗及數據之計 算，對熱交換器之熱性能評估建立基本完整的認識。2. 透過實驗過程，瞭解量測數據之不準的意義，並建立儀表校正之 需要的觀念。s:1-2Cl?IK.自M(a)管側自來水，殻側熱水本實驗系統之流程圖如圖八所示，主要零組件包含： 1-2熱交換器乙個泵浦乙個面積式流量計兩個電熱水槽乙個PT100溫度計四個電源開關可調式變壓器乙個殼管流體切換電磁閥四個熱交

18、換器基本規格：三脾覚换啟(bj管側熱水，殻側自來水包:疣量計%：三適電迅.闕穴交挥!器圖八實驗系統流程圖3-1實驗系統11-2然交映器殼：長 800mm,內徑 156.3mm管：不繡鋼管，OD=15.9mm, ID=12.7mm , 32根正三角形排列，管 距=21.2mm擋板：25%橫切，ABS板，厚2mm, 11塊，間距64.8mm3- 2電源供應由於本實驗使用電熱器作為熱水之熱源，故實驗時務必注意使 用的安全性，基本上整組實驗系統已作了相當完善的安全防護措 施，但在使用變壓器時電源供應之電壓最好不要超90伏特。3- 3流量讀取及校正在本實驗系統中有兩個面積式流量計，分別為左流量計及右流

19、量計，左流量計量取殼流體之流量，右流量計量取管側流體之流 量。其個別之校正為左流量計：標準右流量計:(6>(7>標準其中X=器示值，即依流量計刻度所讀到之值。 丫二校正值，即校正後的流量。若不經校正，直接讀取流量計上之值，則左流量計之誤差為 ，右流量計之誤差亦約為亠。3-4溫度讀取在實驗臺上，冷熱流體之進出口溫度均度同步顯示，偵測器 (SENSOR為 PT 100,誤差。用變壓器調整輸入電熱器之電壓後，觀察自來水回流溫度之變 化，當其溫度不再有E 以上之變化時，記錄各點溫度及各流量值。3-5水流方向切換(已改為手動操作當欲改變冷熱流體在殼側或管側以進行其差異之比較時，面盤 上有一紅

20、色鈕可供改變四個電磁閥之位置，為使其操作較順利，我 們建議先關閉總電源，然後再送電，則系統的操作將較穩定。3-6數據收集及計算日期：實驗人：記錄者：殼側流Mms器示値 校正値熱傳量Q率-ms . cp , At殻画進口溫度T （°C）殼側出口溫度血（°C）管側流量时亡器示値；校正値熱傳量Qt =.Cp !*管側進口溫度亡1 （°C） - 管側出口溫度“（°C）檢查：丨筈严1 X10°% ?若此値小於5% 表示這一組"'數據可能有很好的可信度丨Q s + Q t Q-2兰Ti t2)-(LMTD =ln2 -T2-ti ) 伫2二tlF （查圖三）=°-碍.LMTD