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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,
2、表所列,即为市场上出售的螺纹管规格尺寸的一例,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
3、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 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
4、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,米“总传热 系 数,千卡米小时。 有效温度差,“。其中总 传热
5、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
6、度的流体粘度,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
7、隔部分的旁路流动。”。吾一,。一 枷知丛互“声、玉、一式中传热因子,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,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
8、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
9、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,则以下关 系式大体上成立。翅光票该式是在假定摩擦系数与雷诺数成
10、 反比例的前提下得 到的,因此比用公式、直接计算的结果 多少要小一点。、,是管子的 内径,已在图中说一一明。壳程压力降。如图所示,由于壳程里的流动型式很复杂,要 用一 个简单公 式来表示其压 力降是困难的。采用螺纹管时,与光管相比,如公式和表所指出的那样,壳程流路面积将增加。本文 用以下关 系式来表示。翅么光式中是换热器结构、流体物性及流量等的函数,通常取一。螺纹管与光管的比较必需的传热面积如果确定了传热量、总 传热系数及有效温度差,根据公式就能求得传热所必需的管外表 面积。但螺纹管与光管的外表面积是不同的,不好相比,因此改用必需的管子根数来比较,人们要容易理解些。图和图所示即分别为使用每英寸
11、圈螺纹翅的碳钢管和每英寸圈螺纹翅的不锈钢管时,要达到和 光管一样的传热量,与光管相比所需的螺纹管根数的比例。该两图是在 假定螺纹管和光管的界膜传热系数。、相同的情况下作成的。使用图、图时请先记住即使螺纹管和光管换热器结构相同,如公 式、所示,它们的界膜传热系数也不见得一致。价格图所示为管壳式换热器的价格比较。由于是以判断螺纹管和光管的价格比为考虑对象,因此纵坐标未列出单位。横坐标的有效传热面积,对螺纹管来说,是以管端部分为基谁的外表面积。图中实线和虚线分别为光管和螺纹管的价格。这些曲线随壳体直径的减小而逐渐靠近,这是 因为管子价格在整个换热器价格中所占的比例下降之 故。因此,壳体直径越小,用螺
12、纹管比用光管越有利。根据图或图与图,以光管的演算结果为基础,就能作出是否应该采用螺纹管的判断。例如一台浮头式换热器,其有效传热公彭邓币妙蕃嵘有铆采智窦寒劫农乃万。 素十匕丫素十日图必需 的管子根数 比碳钢,管外径毫米,管壁厚毫米,每 英 寸有圈螺纹 翅一一口吞脚加,占口口口口歹口口口口王彰津缈密确嵘裁翠一牵絮喻犷一一布一一万凉一万瓮、素了,图必需 的管子根数比不锈钢,管外径毫米,管壁厚毫米,每英 寸有圈螺纹翅不铸纲哪管次焦器 淡日 浮失式挟热器。 ,吧,汽石了命价将一几刁券禾管 浮头式币口口勿之乙。 口百口 一一卜一,一一,砧一一一一尸一一一一,一一占,一一曰,一一一一一不口乙。口日。口匕 。
13、袱,多 。宁夕。万。口龟米图价格管长米,管外径毫米,营间距毫米,正方形排列一一面积为米“壳体内径为毫米,管材为碳钢,若把使 用光管时壳程和管程的界膜传 热系数 与污垢热阻分 别 假设为千卡米“小时。一刁卜一千卡米“京小时由于管材是 碳钢,因此用图。在该图横坐标上找到由公式、得 到 的点,可在纵坐标上求得用螺纹管时必需 的管子根数 比。从而,以螺纹管管端 部分为基准的必需的传热 面积为二米“。然后,把以上数值标在 图的横 坐 标上,就能求得 用光管时的价格是,用螺纹管时的价格是,用螺纹管有利。由于根据图求必需的管子根数比时,对螺纹管也使了公 式、的 结果,因此详细设计的螺纹管所需传热面积不见得会
14、与”米“这一值相吻合,价格也该有所变化,但正如 以下设计例所说明的那样,不会有太大的误差。设 计示例现把计算机演算的结果列于表。例光管碳钢形管。例与例结构相同的螺纹管。例与例热交换相同的螺纹管。表中的有效传热面积,是根据壳体 内径、管程数等结构因素决定的传热面积而必需的传热面积则是根据公式计算所得的值。对螺纹来说,这两种传热面积均以管端部分为基谁,即根据管子根数与表中的,值来求得。表演算结果的比 较碳钢、型管、管长米、管外径毫米、管间距毫米、正方形排列 一 一例例例声 三止竺一例管子型式壳体内径管程数总专 热系数壳程界传热系数。管程界膜传热系数壳程污垢系数。芒程污垢系长管金属热卜几、螺李文翅热
15、阻有效传热而积必需传热面积壳积压力降 ,管程压力降 ,价格毫米二开 卜米“小于千一于米小时千卡 米公小时米小时千卡米小时千 爪米小时千、一之小时千一仁互长米公斤厘米公斤厘米螺 坟 管心口汀汇门门门门口门螺 纹管门刁日八八汽区匕,乌门门门飞。,月用八价口自几曰曰一户一一新设换热器时,如果把例和例的价格比作一比较,显然用螺纹管有利。另外,如果把例的现有换热器 用螺纹管来取代,且假定有效温度差不变,根据例的必需传热面积值需可 以看出,提高换热 能力大约倍是可 能的。但是,管内压力降 将增加倍,这一 点也应予 以注意。根据第节所说 明的方法,如要从例的结果,推算例的界膜传热系数和压 力降,可按公式、和计算工一工十八又“。一“。一一蕊下尸 一 乙就能求出螺纹管相对于光管的必需的管子根数比,即。因此必需的传热面积为需根据此值和图,螺纹管的价格为。该结果大体上与表中例的结果吻合。此外,本例题的壳程热阻是管程热阻 的倍。这一比值越大,例螺纹管的价格越便宜。了略二少。火一这些计算值与第例的计算结果 比较,相 当吻合。其次,从例的结果,利用图和图,也能推算出用螺纹管时必需的传热面积和价格。如果在 图中使用以下、式的计算值,结束语本文介绍了螺纹管管壳式换热器的设计计算方法,并与光管作了比较。但处理介质只限于液相或气相。本文对判断新设计换热器是否采用螺纹管,或对预测现有的光管换热器改用螺纹管后
