换热器的设计计算思路与原则

1、列管式换热器的设计计算1.流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)(1)不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。(3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较

2、小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)T即可达到湍流，以提高对流传热系数。在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。2 .流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求

3、。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。3 .流体两端温度的确定若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。两者是相互矛盾的。一般来说，设

4、计时可采取冷却水两端温差为510C。缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。4 .管子的规格和排列方法选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有。25X2.5mm及()19Xmm两种规格的管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m,则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。系列标准中也采用这四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46(对直径小的换热器可大些)。如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形

5、、正方形直列和正方形错列等，如第五节中图4-25所示。等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。管子在管板上排列的间距(指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.31.5)do,且相邻两管外壁间距不应小于6mm,即t>(d+6)o焊接法取t=1.25do。5 .管程和壳程数的

6、确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。管程数m可按下式计算，即：(4-121)式中u管程内流体的适宜速度，m/s;u'管程内流体的实际速度，m/s。图4-49串联列管换热器当壳方流体流速太低时，也可以采用壳方多程。如壳体内安装一块与管束平行的隔板,流体在壳体内流经两次

7、，称为两壳程，如前述的图4-47和图4-48所示。但由于纵向隔板在而是将几个换热器串分别安装在两个4-49所示。制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，联使用，以代替壳方多程。例如当需二壳程时，则将总管数等分为两部分,内径相等而直径较小的外壳中，然后把这两个换热器串联使用，如图6 .折流挡板安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。第五节的图426已示出各种挡板的形式。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的1040%,一般取2025%,过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(0.21)倍。

8、系列标准中采用的h值为：固定管板式的有150、300和600mm三种；浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图3-42所示。7 .外壳直径的确定换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查

9、出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走"短路"，可以适当增减一些管子。另外，初步设计中也可用下式计算壳体的内径，即：(4-122)式中D壳体内径，m；t管中心距，m;nc横过管束中心线的管数；b'管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，一般取b'=（11.5）do。nc值可由下面的公式计算。管子按正三角形排列时：（4-123）管子按正方形排列时：（4-124）式中n为换热器的总管数。按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸，见表4-15。8 .主要构件封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体（一般小于40

10、0mm）,圆形用于大直径的壳体。缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。放气孔、排液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。接管尺寸换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即：式中Vs-旋体的体积流量，/s;u-接管中流体的流速，m/so流速u的经验值为：对液体u=1.52m/s对蒸7气u=2050m/s对气体u=（1520）p/p（p为压强，单位为atm;p为气体密度，单位为kg/）9

11、 .材料选用列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。10 .流体流动阻力（压强降）的计算（1）管程流体阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其总阻力Api等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为：（4-125）式中Ap1、Ap2-分别为直管及回弯管中因摩擦阻

12、力引起的压强降，N/;Ft-结垢校正因数，无因次，对于。25x2.5mm的管子，取为1.4, 对（）19X2mm的管子，取为1.5;Np-管程数；Ns-串联的壳程数。上式中直管压强降Ap1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降Ap2由下面的经验公式估算，即：（4-126）（2）壳程流体阻力现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多，但是由于流体的流动状况比较复杂，使所得的结果相差很多。下面介绍埃索法计算壳程压强Apo的公式，即：(4-127)式中Api'流体横过管束的压强降，N/;Ap2'流体通过折流板缺口的压强降，N/;Fs企程压强降的结垢校正因数，无因次，对液体可取1.1

13、5,对气体或可凝蒸气可取1.0而(4-128)(4-129)式中F-管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5,对正方形斜转45°为0.4,正方形排列为0.3;fo-壳程流体的摩擦系数，当Reo>500时，nC-横过管束中心线的管子数；NB-折流板数；h-折流板间距，m;uo-按壳程流通截面积Ao计算的流速，而。一般来说，液体流经换热器的压强降为0.11atm,气体的为0.010.1atm。设计时，换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。三、列管式换热器的选用和设计计算步骤1 .试算并初选设备规格(1)确定流体在换热器中的

14、流动途径。(2)根据传热任务计算热负荷Q。(3)确定流体在换热器两端的温度，选择列管式换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性温度下流体的性质。(4)计算平均温度差，并根据温度校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数。(5)依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K选值。(6)由总传热速率方程Q=KSAtm,初步算出传热面积S,并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。2 .计算管、壳程压强降根据初定的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流

15、板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。3 .核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数“i和ao,确定污垢热阻Rsi和Rso,再计算总传热系数K',比较K得初始值和计算值，若K'/K=1.151.25,则初选的设备合适。否则需另设K选值，重复以上计算步骤。通常，进行换热器的选择或设计时，应在满足传热要求的前提下，再考虑其他各项的问题。它们之间往往是互相矛盾的。例如，若设计的换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降(阻力)增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数和压强降降低，但却又要受到安装换热器所能允许的尺寸的限制，且换

16、热器的造价也提高了。此外，其它因素(如加热和冷却介质的用量，换热器的检修和操作)也不可忽视。总之，设计者应综合分析考虑上述诸因素，给予细心的判断，以便作出一个适宜的设计。一、列管式换热器的选用及设计原则(一)形式与结构的选定1.固定管板式与浮头式的选择固定管板式与浮头式相比，其结构简单，造价低(约相差20%),所以在工艺条件允许时应优先使用。但固定管板式的管束与壳体要承受较大的膨胀应力，且管束无法抽出清扫，故当冷热两流体的极限温度超过50c或壳程流体易生垢、有腐蚀时应当选用浮头式。2.管束形式及管径、管长的选择目前，国产浮头换热器系列中，F、FA型为19X2mm管子，正三角形排列；FB型为25

17、x2.5mm管子，正方形斜转450排列。正三角形排列单位传热面金属耗量低，小管径有利于传热，还可承受较高的压力，但壳程不易清扫，故只与壳程流体洁净时才优先选用FB系列。固定管板换热器系列中管长有1.5、2、3、6m四种；浮头式只有3、6m两种，对单位传热面积而言，长管比短管节省金属，对炼油厂常用的大型换热器，一般都采用R6m长的管子。3.折流挡板的选择前已述及，安装折流挡极可以提高壳程流体的速度，使端流程度加剧，以提高壳程对流传热系数。下面就常用的横向圆缺形折流挡板作一简要介绍。圆缺形折流挡板切去的弓形高度约为外壳内径的10%40%,一般取20%25%。因形缺口太大或太小都会产生"死

18、角”不利于传热。两相邻折流挡板间的距离(板间距)B约为外壳内径的0.21.0倍。系列标准中采用的B值，对固定管板式的有150、300和600mm三种；对浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过大时，不能保证流体垂直地流过管束，使壳程对流传热系数下降；板间距过小时，不仅制造、检修困难，且阻力损失也大。折流挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图所示。挡板缺口高度和板间距的影响(a)缺口高度过小，板间距过大；(b)正常；(c)缺口高度过高，板间距过小4.壳径的选定壳径越大，单台换热器传热面积越大，单位传热面金属耗量越低，即用一台大换热器比用多台小型换热器经济。但壳径

19、的选择还需根据壳程流速及壳程数对平均温差的影响综合考虑。(二)管程和壳程的确定主要是根据流体的性质、流量、生垢及腐蚀情况等因素，并依据有利传热、减少压降、便于操作与清扫等原则来确定。一般可按下列原则处理：(1)不洁净或易结垢的流体应流经易清洗的一侧。对于固定管板式换热器上述物料应流经管程，而对于U形管式换热器应流经壳程，对浮头式换热器，流经管程或壳程均可。(2)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体应流经管程。(3)具有腐蚀性的流体应流经管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。(4)压力高的流体宜流经管程，以免壳体受压。(5)饱和蒸筑或沸腾液体应走壳程。因有相变化时对流传热系数很大，不需要用提高流速的方法来强化传热过程，同时也便于排出冷凝液。(6)粘度大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在设有折流挡板的壳程中流动低的雷诺数(Re>100)下即可达揣流，以利于提高壳程的对流传热系数。(7)需要冷却的流体一般流经壳程，便于散热。以上各点往往不能同时兼顾，应视具体问题，首先考虑流体的压力、防腐蚀及清洗等要求，综合、权衡考虑，以便作出较恰当的选择。(三