螺纹管管壳式换热器的设计计算方法

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1、螺 纹 管 管 壳 式 换 热 器 的 设 计 计 算 方 法日 永 野 雅 敏序 言目 前 , 装 有 翅 片 管 的 管 壳 式 换 热 器 已 在石 油 炼 制 、 石 油 化 工 等 装 置 中 广 泛 应 用 。 最近 , 为 适 应 节 省 能 源 的 需 要 , 更 指 望 通 过 换热 器 来 提 高 热 回 收 率 。 装 有 翅 片 管 的 管 壳 式换 热 器 , 由 于 单 位 容 积 的 热 交 换 量 大 , 因 此可 以 预 料 , 今 后 在 热 回 收 中 将 大 量 使 用 , 而且 , 把 原 有 光 管 式 管 壳 换 热 器 改 装 成 翅 片 管结

2、构 的 事 例 也 会 不 断 多 起 来 。翅 片 管 有 纵 向 翅 片 、 横 向 翅 片 和 突 起 式翅 片 等 型 式 , 在 管 壳 式 换 热 器 中 使 用 最 多 的还 是 横 向 低 翅 片 管 “ 。 本 文 介 绍 这 种 螺 纹 管管 壳 式 换 热 器 的 设 计 计 算 方 法 , 并 与 光 管 时的 情 况 作 一 比 较 。结 构 与 规 格现 今 , 日 本 生 产 螺 纹 管 的 厂 家 有 古 河 电工 、 日 木 建 铁 等 , 厂 家 不 同 其 规 格 稍 有差 别 , 表 所 列 , 即 为 市 场 上 出 售 的 螺 纹 管规 格 尺 寸

3、的 一 例 , 图 所 示 为 其 结 构 形状 。表 螺 纹 管 的 规 格 尺 寸洲 了 节 淤 污 箭 详 茸 万 一 一管 外表 面 积外 表 面 积 比 表 面 积 比 能 用。米 米螺 纹 翅 部 分管 端 部 分处 亘内 面 的 材 料碳 钢 、 铜 、铝 合 金 、铜 镍 合金 、 海 军黄 铜 、 镍除 螺 纹 翅圈 数 用材 之 外 ,还 有 不 锈钢牟 我 国 一 般 称 为 轧 制 螺 纹 管 , 因 此 本 义 以 下 均 译 作 螺 纹 管 一 一 译 者 注一 一引 俐 一 司 它表 面 张 刀图 螺 纹 管 的 结 构 图 壳 程 冷 凝 液 的 传 热 效 率

4、由 于 光 管 的 尺 寸 相 当 于 螺 纹 管 管 端 部 分的 尺 寸 , 因 此 , 根 据 表 中 “ 外 表 面 积 比 ”这 一 栏 的 数 据 就 可 以 清 楚 看 出 , 螺 纹 管 的 外表 面 积 是 光 管 的 一 倍 。适 用 范 围 及 特 点对 采 用 了 螺 纹 管 的 管 壳 式 换 热 器 , 必 须注 意 以 下 事 项壳 程 热 阻 界 膜 传 热 系 数 污垢 系 数 如 果 为 管 程 热 阻 的 大 约 倍 以 上时 , 在 价 格 上 用 翅 片 管 比 用 光 管 有 利 。 此 数值 是 一 个 大 致 的 标 淮 , 在 下 述 第 节

5、中 还要 举 例 说 明 。可 以 说 明 , 用 螺 纹 管 以 后 , 污 垢 对传 热 的 影 响 比 光 管 还 小 , 在 一 般 污 垢 条 件下 , 螺 纹 翅 片 部 分 决 不 会 发 生 堵 塞 , 即 使 在减 压 塔 重 柴 油 、 渣 油 这 样 一 些 污 垢 严 重 的 场合 , 一 也 能 使 用 。如 壳 程 走 腐 蚀 性 流 体 , 由 于 螺 纹 翅部 分 易 受 侵 蚀 , 因 此 应 尽 量 避 免 使 用 螺 纹管 。对 冷 凝 器 , 如 果 壳 程 流 体 的 表 面 张力 较 大 , 如 图 所 示 , 则 螺 纹 翅 部 分 就 会 被液

6、体 淹 盖 , 使 传 热 外 表 面 积 减 小 , 因 而 不 能达 到 预 期 的 传 热 性 能 。以 下 为 采 用 螺 纹 管 的 换 热 器 的 特 点 如 对 结 构 相 同 的 换 热 器 比 较 其 用 螺 纹管 与 用 光 管 时 的 性 能 , 则 螺 纹 管 在 管 内 侧 的界 膜 传 热 系 数 与 压 力 降 较 大 , 在 壳 侧 反 而 较小 。 这 种 现 象 从 表 中 “ 管 端 部 分 ” 和 “ 螺纹 翅 部 分 ” 的 尺 寸 也 能 定 性 的 看 出 来 。 螺 纹 管 与 光 管 相 比 , 其 管 子 与 折 流 板之 间 的 间 隙 要

7、 大 一 些 , 因 此 对 壳 体 内 可 能 发生 管 子 振 动 的 地 方 , 要 象 图 所 示 那 样 设 置中 间 档 圈 , 以 防 止 振 动 。图 中 间 档 圈设 计 方 法下 面 , 介 绍 螺 纹 管 管 壳 式 换 热 器 的 传 热及 压 力 降 的 计 算 方 法 , 同 时 与 光 管 进 行 比较 。 本 文 讨 论 的 换 热 器 所 通 过 的 流 体 , 不 论是 管 程 还 是 壳 程 都 限 定 为 单 相 的 液 体 或 气体 。传 热 基 本 公 式传 热 基 本 公 式 为一 一了式 中 传 热 量 , 千 卡 小 时 有 效 传 热 而 积

8、 , 米 “ 总 传 热 系 数 , 千 卡 米 小 时。 有 效 温 度 差 , “ 。其 中 总 传 热 系 数 为、 。 、, 。 十 一 二 屯 十 少 一。 一 口 一 ” 式 中 。 壳 程 界 膜 传 热 系 数 , 千 卡米 “ 小 时 。 管 程 界 膜 传 热 系 数 , 千 卡米 “ 小 时 。 壳 程 污 垢 系 数 , 米 “ 小 时 。千 卡 管 程 污 垢 系 数 , 米 “ 小 时 千 卡 管 金 属 热 阻 , 米 “ 小 时 千卡 螺 纹 翅 的 热 阻 , 米 小 时 千 一 卜。 管 外 表 面 积 , 米 “, 管 内 表 面 积 , 米 “ 。由 表

9、 所 列 表 面 积 之 比 。 为例 。 对 外 径 毫 米 , 壁 厚 毫 米 的 光管 , 其 二 。 , 而 对 螺 纹 翅圈 数 为 的 螺 纹 管 来 说 , 其 。 。可 以 说 , 螺 纹 管 的 壳 程 污 垢 比 光 管 要小 , 但 是 污 垢 系 数 。 、 通 常 还 是 采 用与 光 管 相 同 的 值 。界 膜 传 热 系 数管 内 界 膜 传 热 系 数 紊 流状 态 下 管 内 流 体 的 一 般 界 膜 传 热系 数 为式 中 流 体 的 平 均 导 热 系 数 , 千 卡米 小 时 , 管 子 内 径 , 米 雷 诺 数 普 兰 得 数“ 平 均 温 度

10、的 流 体 粘 度 , 厘 泊科 、 管 壁 温 度 的 流 体 粘 度 , 厘 泊 。根 据 公 式 , 如 果 分 别 假 设 螺 纹 管和 光 管 的 界 膜 传 热 系 数 为 翅 和 , 光 ,则 可 得 到 如 下 近 似 关 系 式,又 翅 又 光 不 一 ,和 如 图 或 表 所 示 , 即 分 别 为光 管 和 螺 纹 管 的 内 径 。对 层 流 状 态 , 也 可 根 据同 样 的 方 法 得 到 如 下 关 系 式、 , 八 一 妇 习 今 ,“ 兰 立 “ 一 、 目 壳 程 界 膜 传 热 系 数 。 如图 所 示 , 壳 程 的 流 动 型 式 为 一 , 各 类

11、流 动 型 式 流 量 的 大 小 由 压 力 平 衡 来 决 定 。 为了 得 到 压 力 的 平 衡 , 必 须 进 行 复 杂 的 猜 算 ,因 此 , 本 文 仅 着 眼 于 与 管 束 横 切 的 部 分 流 ,从 而 近 似 地 得 到 下 式图 壳 程 流 体 的 流 动 型 式管 子 与 折 流 板 之 间 的 泄 混 流 动村 查 切 管 束 的 流 动管 束 与 壳 体 之 间 的 旁 路 流 动析 流 板 与 壳 体 之 间 的 泄 漏 流 动管 程 分 隔 部 分 的 旁 路 流 动 。 ” 。 吾 一 , 。 一枷知丛 互 “ 声 、 、玉 、一式 中 传 热 因 子

12、 , 一 , 壳 侧 的 当 量 直 径 , 米 。 如 果 是 光管 , 则 等 于 管 外 径 如 果 是 螺 纹管 , 则 是 螺 纹 翅 的 根 圆 径 、 翅 高及 翅 厚 的 函 数 , 可 用 下 式 求 得 。管 端 部 分 的 外 径 。式 中 。 为 壳 侧 当 量 直 径 的 修 正 系 数 , 见表 。表 壳 侧 当 量 直 径 的 修 正 系 数对 于 螺 纹 管。 一 , 。 少 二式 中 。 、 、 、 、 。 可 参 见 图 及表 。 螺 纹 管 的 管 金 属 热 阻 大 约 为 光 管 的倍 , 但 是 , 一 般 管 金 属 的 热 阻 值 都 较 小 ,

13、因 此 对 总 传 热 系 数 影 响 不 大 。螺 纹 翅 的 热 阻螺 纹 翅 的 热 阻 可 用 下 式 求 得一 十十德螺 纹 圈寸数管 端 部 分 的 外 径毫 米修 正 系 数 可 。 哎 日根 据 公 式 一 , 一 可 得。 翅 。 光 石一 工 二 、 几、 一 。式 中 。 管 端 部 分 的 外 径 , 毫 米。 管 间 距 , 毫 米根 据 公 式 , 以 及 光 管 的 壳 侧 界 膜传 热 系 数 。 光 就 能 推 算 出 螺 纹 管 的 界 膜 传热 系 数 。 翅 可 。管 金 属 的 热 阻管 金 属 热 阻 的 基 本 公 式 为。式 中 管 子 的 外

14、表 面 积 , 米 “ 管 子 壁 厚 , 米。 管 子 内 面 和 外 面 的 平 均 面积 , 米 “, 、 管 子 材 料 的 导 热 系 数 , 千 卡米 小 时 。 。根 据 上 式 , 对 于 光 管式 中 。 壳 程 界 膜 传 热 系 数 , 千 卡 米 “ 小 时 。 壳 程 污 垢 系 数 , 米 “ 小 时 千 卡 螺 纹 管 的 螺 纹 翅 部 分 的 表 面积 , 米 “ 螺 纹 管 中 非 螺 纹 翅 部 分 的 表面 积 ,即 。 一 , 米 “螺 纹 管 的 翅 片 效 率 , 可 根 据 螺 纹管 的 材 质 及 。 、 。 的 值 查 图 求 得 。 至 于

15、 螺纹 翅 的 热 阻 , 根 据 同 样 的 方 法 查 图 也 能直 接 求 得 。压 力 降管 内 压 力 降管 内 流 体 的 压 力 降 为 管 子 部 分 的 摩 擦 压力 降 与 管 箱 中 流 体 流 动 方 向 改 变 所 产生 的 压 力 降 之 和 , 即 式 中 、 公 斤 厘 米 “ 又 分 别 为, 。 召 , 兰 些 一 ” 拼,。 户式 中 、 拼 。 、 月 在 公 式 中 已 说 明 过一 一了 口、 惫孙 溉 准价探姆牙需翌读邢二 。 匕 。 石 初 旧声 千 琳 咧图 螺 纹 管 的 翅 片 效 率、 厂 匕 一一 一 一 业一 “ 卜歹 , 月一,一句 华 句 问子 叔舀企多一一鸳致 勺 侧 习 歹 口 , 口 ,夕 议 刀 口 口兀 开 一 于 协 协 祠图 螺 纹 管 的 翅 片 热 阻。 重 力 加 速 度 二 又 只 , 米小 时 “, 管 内 流 体 的 质 量 速 度 , 公 斤 米 “ 小 时 管 长 , 米 管 侧 的 程 数户 管 内 流 体 的 平 均 密 度 , 公 斤 米 “ 摩 擦 系 数 。当 时 ,一 时 , 一 一 ,若 假 定 使 用 光 管 和 螺 纹 管 时 的 管 内 压 力降 分 别 为 光 和 翅 , 且 换 热 器 结构 也 相 同 , 则