第三章列管換熱器設(shè)計示例,1,一、設(shè)計計算基本步驟（續(xù)）,2,(8)計算管子數(shù)和管長，對管子進行排列，確定殼體直徑(9)根據(jù)管長與殼體直徑的比值，確定管程數(shù)：(10)計算管程和殼程壓力降，若壓力降不符合要求，調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板的間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓力降直至滿足要求為止；,一、設(shè)計計算基本步驟（續(xù)）,3,(11)計算管程和殼程的對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，計算得到總傳熱系數(shù)K，比較初設(shè)值K與計算值K，若KK1.151.25，則初選或初步設(shè)計的換熱器合適；如果不滿足上述要求，用計算值代替初設(shè)值，從步驟(6)起，重復(fù)以上計算，直到滿足要求為止。上述步驟為一般原則，設(shè)計換熱器時，可視具體情況靈活變動。,一、設(shè)計計算基本步驟（續(xù)）,4,二、操作條件的確定,1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇在列管式換熱器中，哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程，一般可從下列幾方面考慮：(1)不潔凈的或易結(jié)垢的流體走易于清洗的一側(cè)；對于固定管板式換熱器一般走管程；U形管換熱器，一般走殼程。(2)粘性大的或流量小的流體，宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，一般在雷諾數(shù)(Rel00)以下，即可達到湍流，有利于提高傳熱系數(shù)。,5,二、操作條件的確定,1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇（續(xù)）(3)有腐蝕性的流體應(yīng)走管程，這樣，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蝕的材料，而殼體及管外空間的其他零件都可以使用比較便宜的材料。(4)壓力高的流體走管程，因為管子直徑小，承受壓力的能力好，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。(5)有毒的流體走管程，減少泄漏的機會。(6)飽和蒸汽一般走殼程，便于冷凝液的排出(7)被冷卻的流體走殼程，便于散熱。,6,二、操作條件的確定,1、換熱器內(nèi)流體通入空間的選擇（續(xù)）(8)對于固定管板式換熱器，若兩流體的溫差較大，對流傳熱系數(shù)較大者宜走管程，這樣可以降低管壁與殼壁的溫差，減少熱應(yīng)力。以上原則，在實際中不可能同時兼顧，對具體情況仔細分析，抓住主要方面。例如首先從流體的壓力、腐蝕性以及情況等方面考慮，然后再對壓力降和傳熱系數(shù)等方面要求進行校核，以便作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇。,7,二、操作條件的確定,2、流速的選擇換熱器內(nèi)流速的大小必須通過經(jīng)濟核算進行選擇。因為流速增加，傳熱系數(shù)增大，同時亦減少了污垢在管子表面沉積的可能性，降低了垢層阻力，從而使總傳熱系數(shù)提高，所需傳熱面積減少，設(shè)備投資費減少。但隨著流速的增加，流動阻力也相應(yīng)增加，動力消耗增大，使操作費用增加。因此，選擇適宜的流速是十分重要的。表1和表2列出了一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可供設(shè)計時參考。,8,二、操作條件的確定,2、流速的選擇（續(xù)）對低粘度流體，一般盡可能使Rel0000；對高粘件流體常按滯流設(shè)計。,9,二、操作條件的確定,2、流速的選擇（續(xù)）流體在換熱據(jù)中合理的流速也可通過允許壓力降來決定。在一般的情況下，由操作壓力決定一合理的壓力降，然后通過計算得到相應(yīng)的流速。合理壓力降的規(guī)定可參考表3,10,二、操作條件的確定,11,二、操作條件的確定,3、載熱體的選擇（續(xù)）在選擇時應(yīng)考慮以下幾個原則：(1)載熱體能滿足工藝上的要求達到的加熱(冷卻)溫度(2)載熱體的溫度易于調(diào)節(jié)；(3)載熱體的飽和蒸汽壓小，加熱過程不會分解；(4)載熱體的毒性小對設(shè)備的腐蝕性??；(5)載熱體不易爆炸；(6)載熱體的價格低廉，來源充分。,12,二、操作條件的確定,3、載熱體的選擇（續(xù)）工業(yè)上常用的載熱體及其適用場合列于表3，供選用時參考。,13,二、操作條件的確定,14,二、操作條件的確定,15,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定另外在決定換熱終溫時，一般不希望冷流體的出口溫度高于熱流體的出口溫度，否則會出現(xiàn)反傳熱現(xiàn)象，當(dāng)遇到達種情況時，可采用幾個換熱器串聯(lián)的方法解決。為了合理地規(guī)定換熱終溫，可參考下述數(shù)據(jù)。,16,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定（續(xù)）(1)熱端的溫差20。(2)冷端的溫差分三種情況考慮：兩種工藝流體換熱時，在一般情況下，冷端溫差20；兩種工藝流體換熱時，若熱流體尚需進一步加熱，則冷端溫差15；采用水或其他冷卻劑冷卻時，冷端溫差5。,17,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定（續(xù)）如果超出上述數(shù)據(jù)，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟比較來決定換熱終溫。(3)冷卻水的出口溫度不宜太高，否則會加快水垢的生成。對于經(jīng)過良好凈化的新鮮水，出口溫度可達到45或稍高一些；對于凈化較差的冷卻水，出口溫度建議不要超過40。,18,三、傳熱計算基本方程,1、傳熱速率方程在穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)總傳熱系數(shù)隨溫度變化不大時Q=KAtm式中Q熱負荷，W；K總傳熱系數(shù)，W(m2K)；A與K對應(yīng)的基準(zhǔn)傳熱面積，m2tm有效平均溫差，K.,19,三、傳熱計算基本方程,2、熱負荷無相變時Q=WhCph(T1-T2)=WcCpc(t1-t2)式中Wh熱流體的流量，kgs；Wc冷流體的流量，kgs；T1、T2熱流體的進出口溫度，K或；t1、t2冷流體的進出口溫度，K或;Cph、Cpc熱、冷流體的換熱系數(shù)。,20,三、傳熱計算基本方程,2、熱負荷（續(xù)）有相變時Q=Wr式中W熱或冷流體的流量，kg/sr冷凝或蒸發(fā)潛熱，J/kg,21,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差在無相變的純粹逆流或并流換熱器中，或一側(cè)為恒溫的其他流向的換熱器中，其有效平均溫差采用對數(shù)平均溫差,22,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)）當(dāng)時，可采用算術(shù)平均溫差,在其他流向的換熱器中，當(dāng)無相變時，有效平均溫差為,23,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)）各種流動情況x下的校正系數(shù)可根據(jù)R和P兩個參數(shù)查圖得到，也可以用數(shù)學(xué)解析法計算得到,24,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)）對應(yīng)m殼程，2mn管程(ml，2，3)換熱器的溫差校正系數(shù)為當(dāng)R1時,其中,25,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)）當(dāng)R=1時,其中,26,三、傳熱計算基本方程,4、總傳熱系數(shù)基本條件(設(shè)備型號、雷諾數(shù)、流體物性等)相同時，總傳熱系數(shù)可直接采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，否則應(yīng)用傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并選擇合適的熱阻值計算得到總傳熱系數(shù)。（1）總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值見表4，有關(guān)手冊中也列有其他情況下的總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值，可供設(shè)計時參考。選擇時，除要考慮流體物性和操作條件外，還應(yīng)考慮換熱器的類型。,27,三、傳熱計算基本方程,28,三、傳熱計算基本方程,2、總傳熱系數(shù)的計算注意：在通常的操作過程中，傳熱系數(shù)是個變量，由于污垢熱阻是變化的，因此設(shè)計中選擇污垢熱阻時，應(yīng)結(jié)合清洗周期來考慮。若污垢熱阻選得太小，清洗周期會很短，所需傳熱面積會較?。环粗?，所需傳熱面積會較大，所以應(yīng)該全面衡量，作出選擇。,29,三、傳熱計算基本方程,2、總傳熱系數(shù)的計算（續(xù)）總傳熱系數(shù)的計算公式為,式中K總傳熱系數(shù)，W(m2K)；i、0分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數(shù)，W(m2K),30,三、傳熱計算基本方程,2、總傳熱系數(shù)的計算（續(xù)）,Ri、R0分別為管程和殼程的污垢熱阻，KW；A、A0、Am分別為管程、殼程及管殼平均的傳熱面積，m2；A任一選定的作為計算K值的基準(zhǔn)傳熱面積，m2；m管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W(mK)；b管壁的厚度，m。,31,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式與傳熱過程是否存在相變、換熱器的結(jié)構(gòu)及流動狀態(tài)等因素有關(guān)；關(guān)于傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式很多，在選用時應(yīng)注意其適用的范圍，對傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式在此不作詳細的介紹，只列出常用的無相變的傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)其他形式的傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式可參考相關(guān)文獻。,32,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（1）管程傳熱膜系數(shù)1)層流流動區(qū)域當(dāng)雷諾數(shù)Re2300，普朗特數(shù)Pr0.66700，Re/Prd/L100時，傳熱膜系數(shù)為,33,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）式中傳熱膜系數(shù)，W(m2K)；流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W(mK)d管內(nèi)徑，m；u管內(nèi)流速，ms；流體的密度，kgm3；流體的粘度，Pas；L管子的長度，m；w壁溫下流體的粘度，Pas,34,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）定性溫度：除w取壁溫外，其余均取流體進出口的算術(shù)平均溫度。2)湍流流動區(qū)域?qū)τ诘驼扯攘黧w(小于水的粘度的兩倍)，當(dāng)Re10000，Pr=0.7120，d/L60時,式中流體被加熱時，n0.4；流體被冷卻時n0.3。,35,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）當(dāng)d/L60時，必須考慮進口效應(yīng)，可用下式進行校正,36,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）3)高粘度液體當(dāng)Re10000，Pr=0.716700，d/L60時,式中(/w)0.14考慮熱流方向的校正項液體被加熱時，(/w)0.141.05；液體被冷卻時，(/w)0.140.95；對于氣體，不論是加熱還是冷卻，(/w)0.141,37,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）4)過渡流區(qū)域當(dāng)Re230010000,式中過渡流區(qū)域管程傳熱膜系數(shù)；由前面式求得,38,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（2）殼程傳熱膜系數(shù)當(dāng)換熱器內(nèi)無擋板時，殼程流體可按平行管束流動考慮，仍可用上述管程傳熱膜系數(shù)關(guān)聯(lián)式進行計算，需將式中管內(nèi)徑用殼程管子當(dāng)量直徑de代替即可,39,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))當(dāng)換熱器內(nèi)有擋板時，對于弓形擋板，當(dāng)Re=320000時,當(dāng)Re=10060000時,40,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))式中u0基準(zhǔn)流道截面Sm計算的流速Sm的計算式為,41,三、傳熱計算基本方程,42,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))R殼體半徑，m；b弦長，b2Rsin(/2)，m；hd弓高，hd2Rsin2(/2),m；圓心角，rad。設(shè)計時應(yīng)盡可能使sls2，以減少阻力損失。,43,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù))對于圓盤圓環(huán)形擋板，當(dāng)Re320000時,此時,44,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數(shù)的計算（續(xù)）（2）殼程傳熱膜系數(shù)(續(xù)),45,三、傳熱計算基本方程,6、傳熱污垢熱阻的確定積存在傳熱表面的污垢，對傳熱會產(chǎn)生附加的熱阻，在估算總傳熱系數(shù)時，一般不能忽略。通常選用經(jīng)驗值(見表5)作為計算依據(jù)。,46,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,1、管程流體阻力管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對于多程換熱器，其總阻力pi等于各程直管阻力、回彎阻力及進、出口阻力之和。一般進、出口阻力可忽略不計，故有,47,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,1、管程流體阻力（續(xù)）式中p1、p2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，F(xiàn)t結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對于25mm25mm管子取為14；對于19mm2mm管子，取為15Np管程數(shù)；Ns殼程數(shù)；摩擦阻力系數(shù)，無因次流體的密度，kgm3。,48,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力當(dāng)殼程無擋板時，流體順著管束流動，此時殼程流體阻力可按直管阻力的方法計算，但應(yīng)以當(dāng)量直徑代替圓管內(nèi)徑。當(dāng)殼程有擋板時，總的殼程流體阻力由流體垂直流經(jīng)管束的阻力、經(jīng)過擋板缺口轉(zhuǎn)向阻力和殼程出入口的阻力加和而得,49,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力（續(xù)）,50,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力（續(xù)）流體垂