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1、第二章 管壳式热交换器1与换热系数有关的几个问题 定性温度取法流体的平均温度壁面温度流体和壁面的平均温度油类高粘度流体 卡路里温度流体进出口的 算数平均温度分段计算2卡路里温度特点传热系数可以被视为常量传热系数和平均对数平均温差的乘积等于变化的传热系数和实际温差的乘积。卡路里温度公式热流体的平均温度冷流体的平均温度卡路里分数FC3壳侧流体被冷却时Fc=0.3；壳侧流体被管程的水蒸气加热时Fc=0.55壳侧和管侧均为油时Fc0.45粘度在10-3Pas以下的低粘性液体Fc=0.5定型尺寸选取原则对流体运动或传热发生主要影响的尺寸圆管内的换热过程取管子内径di圆管管外强迫流动换热管子外径d0 4非
2、圆形管道当量直径d0当量直径A流体的流通截面积式中：U湿周边或热周边长阻力它是全部湿润周边传热参与传热的周边5粘度修正非定温 流动热流方向因子修正项Pr的不同方次加热冷却壁温未知试差法近似值液体冷却气体加热6液体加热冷却气体同时存在对流换热与辐射换热的处理具有辐射能力的气体温度较高辐射对流总换热系数7辐射C0黑体辐射常数，其值为5.67W/(m2k4)n换热系统的组合黑度；角系数T1,T2两辐射物体的绝对温度式中：8三、壁温的计算放热侧壁温吸热侧壁温式中：rs,1,rs,2分别为放热侧、吸热侧污垢热阻K，应在同一基准表面计算注意：9试算法壁温换热系数步骤假定一侧壁温(如tw1)求这侧的换热系数
3、（1）计算另一侧壁温（tw2）算另一侧的换热系数2算另一侧的单位面积传热量（q2 ）假定壁温正确q1=q2q1q2结束重新假定壁温(如tw1)10注意假设壁温时，假设值应接近值大的那种流体的温度。如果要考虑污垢热阻时，应该加入污垢热阻的因素。牛顿迭代法。作图方法11在某一钢制立式管壳式热交换器中用饱和温度ts=111.38的蒸汽加热某种溶液，已知其管径为322mm，管高l=1.5m，材料的导热系数=52w/(m ),管内溶液的平均温度t2=68 ,换热系数2=3348w/(m2 ) 求蒸汽侧的管壁温度tw1。溶液侧单位传热面的传热量解凝结液膜的平均温度12蒸汽与壁面温差蒸汽凝结的换热系数蒸汽侧
4、单位面积的传热量比较q1与q2是否相等最终求得壁温tw1=98 ,q89000w/m213第四节 管壳式热交换器的流动阻力计算黏 性流动阻力产生的根源流动阻力产生的条件固体壁面流动阻力大小的决定因素物理性质流动状况壁面因素热交换器流动阻力分类摩擦阻力局部阻力14管壳式热交换器的阻力管程阻力壳程阻力阻力不允许超过允许范围一、管程阻力的计算沿程阻力Pi回弯阻力Pr进出口连接管阻力PN 15沿程阻力Pi莫迪圆管摩擦系数wt管内流体流速式中：i管内流体粘度校正因子当Re2100 i（/w）-0.14当Re壳程的压降管程的压降壳程的压降管程的压降雷诺数相 同光滑管圆管错流Re=1025*104顺列管束1
5、9错列管束式中：N表示流体横掠过管排的数目wmax最窄流通截面处的流速，m/s弓形折流板的壳程阻力贝尔法理想管束的摩擦系数图查取理想管束的摩擦系数fk计算每一理想错流段阻力PbkMs壳程流体质量流量，Kg/s.20计算每一理想缺口阻力Pwk当Re100时Re100折流板泄漏旁路进出口段折流板间距校正21折流板泄漏旁路折流板泄漏对阻力的影响校正系数图 2.37旁路对阻力的影响的校正系数图 2.38进出口段折流板间距当Re100时，n=1.6当Re100时，n=1 22壳程的总阻力23埃索法计算壳程压降 p0 的公式： p1 流体横过管束的压力降，N/m2； p2 流体通过折流板圆缺时的压力降，N
6、/m2；Fs 壳程压力降的结垢修正系数，对于液体取1.5, 对于气体或可凝蒸汽取1.0。式中：24F 管子排列方法对压力降的修正系数，对于正三角形排列 F = 0.5，对于正方形排列 F = 0.3，对于正方形斜转 45 度 F = 0.4； f0 壳程流体的摩擦系数； nC 横过管束中心线的管子数； NB 折流挡板数； h 折流板间距； u0 按壳程流通截面积计算的流速，通常，液体流经换热器的压力降为0.11atm, 气体为0.01 0.1atm, 设计时，换热器的工艺尺寸应在压力降与传热面积 之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。 式中：25第五节 管壳式热交换器的合理设计一、流体
7、在热交换器内流动空间的选择 原则1、提高传热系数受到限制的那一侧的换热 系数，使传热面两侧的传热条件尽量接近。2、节省金属材料3、清洗污垢方便4、减少热量，冷量损失5、减少壳体和管子因受热不同而产生的温差应力6、在高压下工作的热交换器，使密封简单可靠7、便于流体的流入，分配和排出26流体流动通道的选择1、不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对 于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；2、需通过增大流速提高 对流换热系数的 的流体应选 管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来 提高流速； 3、腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；4、压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压5
8、、饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其与流速无关； 6、被冷却的流体一般走壳程，便于散热7、粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在 Re100 即可达到湍流。27不可能同时满足，应抓住主要矛盾进行选择从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，再考虑满足其他方面的要求。 二、流体温度和终温的确定 流动方式传热面积已知平均温差传热单元数法顺流28逆流29可以参考数据选择流体度和换热终温: 热端温差不小于20冷端温差不小于5冷却器冷凝器冷流体的初温应高于热流体的凝固点含有不凝结气体冷凝，冷流体的终温要求低于被冷凝气体的露点以下5空冷式热交换器热流体出口和空气进口之间
9、的温差不低于2030多管程热交换器尽量避免温度交叉，必要时可将较小一端温 差加大到20以上三、管子直径的选择小管径优点：增强传热增大单位体积传热面积缺点：流动阻力增大管子与管板连接处的泄漏的可能性增大容易积垢管长与管径的比例关系：31单管程流速一定，流通截面积At，管子数为传热面积F,管长L应为略去内径与计算直径的差别32四、流体流动速度的选择流体的流动速度要尽量使流体呈湍流状态避免产生过大压降考虑机械条件与结构要求机械条件限制流速的提高应当避免发生水力冲击，振动以及冲蚀等现象提高流速时，管数少，为保证所需要的传热面积 必须增大管子的长度，增加程数。但是要考虑到清 洗和拆换的不便。实际选用的流
10、速低于最佳流速，但流速的低限应该保持在湍流范围内。33五、管壳式热交换器的热补偿问题热交换器所受的应力周向力轴向力温差应力拉脱力周向力、轴向力产生原因：热交换器内压外压壳壁管壁周向力轴向力34内压薄壁圆筒周向力pD/2s0D为平均直径s0为计算壁厚s0为计算壁厚p筒体的设计压力，paDi筒体的内径，ms筒体的壁厚，m焊缝系数； 【】在设计温度下筒体材料的许用应力，Pa； 式中：35轴向力压力引起的轴向力值为ps 、pt壳侧压力、管侧压力，padi,d0管子的内外径，mn管子的根数壳程流体压力作用于管板的净表面上管程压力作用于两端封头和包括管截面在内的管板上式中：轴向力壳体管子F 1和36壳体与
11、管子的应力分配与弹性模数成正比壳体应力管子应力式中：f-截面积，m2E-弹性模数，Pa37温差应力定义由温差引起的力称为温差应力或热应力、温差轴向应力 。 产生原因固定管板式热交换器的温差应力 假定管子与管板都没有发生挠曲变形，每根管子所受力相同；管壁的平均温度和壳壁的平均温度作为各个壁面的计算温度。在安装温度下,它们的长度均为L;当进行热交换时,壳体 和管子的温度都升高,若管壁温度高于壳壁温度,则管子 自由伸长量t和壳体自由伸长量s分别为：38t，s分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，1/；t0安装时的温度，tt ，ts分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度，;管子与壳体是刚性连接，所以管子和壳
12、体的实际伸长量必 须相等，因此就出现壳体被拉伸，产生拉应力；管子被压缩， 产生压应力。此拉、压应力就是温差应力。这就是温差应力产 生的原因。39温差应力产生的原因40温差应力的计算温差轴向力F由于温差而使壳体被拉长的总拉伸力应等于所有 管子被压缩的总压缩力，总拉伸力（或总压缩力）就 是温差轴向力。符号规定F为+，表壳体被拉，管子被 压；反之则反之。虎克定律 管子被压缩的量为壳体被拉伸的量为41t, s分别为管子与壳体材料的弹性模数，Pa；ft, fs 分别为所有管子、壳体的断面积，m2；F2管子所受的压缩力与壳体所受到的拉伸力，N；合并，整理温差应力管壁所受到的压应力为壳壁所受到的拉应力为42
13、温差产生的轴向应力性质43影响温差应力的因素T愈大.则温差应力愈大ft/fc愈大,则温差应力愈大工程上常采用的措施 减少壳体与管束间的温度差装设挠性构件：膨胀节使壳体和管束自由热膨胀 双套管温度补偿消除温差应力的方法目的是解决 壳体与管束膨胀的不一致性消除壳体与管束间的刚性约束。使壳体与管束都能自由胀、缩 。44压力与拉力的联合作用下，管子中所产生的应力为t拉脱力管子每平方米胀接周边上所受到的力破坏性对于焊接接头，拉脱力不足以引起接头的破坏 。对于胀接接头，拉脱力则可能引起接头处密 封性的破坏或使管子松动。计算在温差应力作用下，管子每平方米胀接周边所产生的力qt为45t管子的合成应力，Paa
14、单根换热管管壁的横截面积，m2l胀接深度或焊接高度，m式中：在操作压力下，每平方米胀接周边所受到的力qp为：式中：p设计压力，取管程压力pt和壳程压力ps二者 中较大值，Mpa；f每四根管子之间的面积46管子拉脱力由温差产生的管子周边力与压力产生的管子周边力可能是 作用在同一方向的，也由可能是作用在相反方向的。若两 者作用于管子周边力方向相同，管子的拉脱力为qpqt； 反之，管子拉脱力为|qtqp|，方向同qp和qt两者中较大者。校核如果所计算出的拉脱力超过允许范围，则需 要采取相应措施以减少拉脱力管子拉脱力必须小于许用拉脱力，即qq胀接法的许用拉脱力管端不卷边，管板孔不开槽胀接 管端卷边，管
15、板孔开槽胀接q=0.2MPa q=0.4MPa47焊接法的许用拉脱力q=0.5tttt管子材料的许用应力，Pa；热补偿措施考虑热补偿的条件当管子与壳体用同种材料，在壳壁与管壁的温差大于 50时，就要考虑热补偿以解决膨胀的差异。方法 减小管子与壳体的温差48管壁的温度总是接近于换热系数大的流体温度， 让换热系数大的流体通过壳程，如果壳体温度低于管 束温度时可以对壳体进行保温以减小与壳体的温差。 采用膨胀节设置膨胀节的作用：（1）膨胀节是挠性构件，其轴向柔度大，在不大的轴向力作用下，可产生较大的轴向变形，可以有效地减小壳体和换热管由于温差产生的热应力。49（2）防止管子与管板连接处不被拉脱。膨胀节的形式5051各种膨胀节的特点及用途（1）平板焊接式 特点：简单，制造方便用途：常压、低压（2）U形节 特点： 简单，用量大，可制成单波、多波.用途：广泛（3）夹套式 特点： 复杂，具有加强性能用途：高压52判断是否需要设置膨胀节1、温差引起的轴向力F1532、介质压力引起的轴向力F2和F3543、应力评定壳壁应力管壁应力拉脱力管子稳定性55s 、t壳体、管子的轴向总应力，Pa；s、t壳体、管子材料的许用应力，Pa；当一个波不能满足需要时，可以用多波膨胀节膨胀节的波数nex1一个波的最大补偿量L管子有效长度（即两管板内侧间的距离）。式中：式中：
