第二章第二章 管壳式换热器管壳式换热器2.1 2.1 类型、标准与结构类型、标准与结构2.1.12.1.12.1.12.1.1类型和标准类型和标准类型和标准类型和标准1.基本类型：基本类型：固定管板式换热器固定管板式换热器浮头式换热器浮头式换热器U U形管式换热器形管式换热器填料函式换热器填料函式换热器1 固定管板式换热器固定管板式换热器列管结构双管程管壳式换热器2 固定管板式换热器固定管板式换热器缺点缺点：： （（1）壳程不能用机械方法清洗，）壳程不能用机械方法清洗，应走清洁流体应走清洁流体 （（2）不设膨胀节时，管、壳程）不设膨胀节时，管、壳程 可能产生较大的温差应力可能产生较大的温差应力 优点：优点：（（1）结构简单紧凑，制造成本低结构简单紧凑，制造成本低2）与其它类型换热器相比，在）与其它类型换热器相比，在相同壳体直径下，排管数目最多相同壳体直径下，排管数目最多 （（3）管内便于清洗管内便于清洗3 带膨胀节的固定管板换热器4 特点：部分特点：部分消除了温差应力、便于清洗和检修； 结构复杂、成本高；适用：适用：应用广泛。
b））浮头式换热器浮头式换热器 一端可以沿轴向自由浮动5 浮头式换热器浮头式换热器6 7 8 9 优点：优点：（（1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力壳体和管束热变形自由，不产生热应力2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗缺点：缺点：（（1）结构复杂，造价高结构复杂，造价高2））为为使使一一端端管管板板浮浮动动，，需需增增加加一一个个内内浮浮头头盖盖及及相相关关连连接接件件以以保保证证密密封封，，操操作作时时，，如如果果内内浮浮头头盖盖连连接接处处泄泄漏漏将将无无法法发发现现，，所以应严格保证其密封性能所以应严格保证其密封性能3））为为使使浮浮头头管管板板和和管管束束检检修修时时能能够够一一起起抽抽出出，，在在管管束束外外缘缘与与壳壳壁壁之之间间形形成成宽宽度度为为16~22mm的的环环隙隙，，这这样样不不仅仅减减少少了了排排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率浮头式换热器浮头式换热器10 U形管式换热器形管式换热器11 12 优点：优点：（（1）结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价低。
结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价低2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除热应力3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便 缺点：缺点：（（1））弯弯管管必必须须保保持持一一定定曲曲率率半半径径，，管管束束中中央央会会存存在在较较大大的的空隙，流体易走短路，对传热不利空隙，流体易走短路，对传热不利2）管内不能用机械方法清洗，宜走清洁流体管内不能用机械方法清洗，宜走清洁流体3））管管子子泄泄漏漏损损坏坏时时，，只只有有最最外外层层管管子子可可以以更更换换，，其其他他管管子只能堵死，会减小换热面积子只能堵死，会减小换热面积U形管式换热器：形管式换热器：适用：适用：可用于高温高压，适用于管程为洁净而不易结垢的流体13 填料函式换热器填料函式换热器对分流壳体对分流壳体14 15 16 17 填料函填料函18 优点：优点：（（1））结结构构比比浮浮头头式式换换热热器器简简单单，，壳壳体体和和管管束束热热变变形形自由，不产生热应力自由，不产生热应力 （（2）管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便）管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便。
缺缺点点：： 填填料料函函处处形形成成动动密密封封，，壳壳程程介介质质易易泄泄漏漏，，要要求求壳壳程程介介质质温温度度和和压压力力不不能能过过高高，，且且无无毒毒、、非非易易燃燃和易爆填料函式换热器通常只适用于低压和小直径场合填料函式换热器通常只适用于低压和小直径场合填料函式换热器填料函式换热器19 主要部件的分类及代号20 零部件名称表见教材零部件名称表见教材P42P4221 问题：问题：AES500-1.6-54-6/25-4I AES500-1.6-54-6/25-4I 22 管壳式换热器的设计、制造标准管壳式换热器的设计、制造标准美国的TEMA标准，日本的JIS B8249标准，英国的BS5500标准•国标国标GB 151-1999GB 151-1999：适用范围：适用范围(1)(1)公称直径公称直径DN≤2600mmDN≤2600mm；；（（2 2）公称压力）公称压力PN≤35MPPN≤35MP；（；（3 3）公称直径和公称压力的乘）公称直径和公称压力的乘积积≯1.7×10≯1.7×104 423 2.1.2 2.1.2 管子在管板上的固定与排列管子在管板上的固定与排列一、管子在管板上的固定一、管子在管板上的固定一、管子在管板上的固定一、管子在管板上的固定n n根据换热器的使用条件不同根据换热器的使用条件不同根据换热器的使用条件不同根据换热器的使用条件不同, , , ,加工条件不同加工条件不同加工条件不同加工条件不同, , , ,连接的方法基本连接的方法基本连接的方法基本连接的方法基本上分为上分为上分为上分为胀接、焊接和胀焊结合胀接、焊接和胀焊结合胀接、焊接和胀焊结合胀接、焊接和胀焊结合三种三种三种三种, , , ,由于胀接法能承受较高的由于胀接法能承受较高的由于胀接法能承受较高的由于胀接法能承受较高的压力压力压力压力, , , ,特别适用于材料可焊性差的情况。
特别适用于材料可焊性差的情况特别适用于材料可焊性差的情况特别适用于材料可焊性差的情况 1.1.胀管法胀管法24 胀管前后示意图胀管前后示意图（（a）胀管前）胀管前（（b）胀管后）胀管后1)1)过程过程：最普通的是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端：最普通的是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的2 2））适用范围：适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力设计压力≤4MPa≤4MPa，，设计温度设计温度≤300℃≤300℃，且无特殊要求的场合且无特殊要求的场合外径外径d d＜＜14mm14mm，不适，不适合胀接3 3）要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽 25 胀接管孔结构胀接管孔结构强度胀适用范围：强度胀适用范围：P≤4.0MPa t ≤300oC26 27 28 焊接法焊接法29 优点优点：：（（1）强度高，抗拉脱力强。
强度高，抗拉脱力强2）修理、更换方便修理、更换方便缺点缺点：：（（1）焊接残余应力可能导致应力）焊接残余应力可能导致应力 腐蚀和疲劳破坏腐蚀和疲劳破坏2）间隙腐蚀问题间隙腐蚀问题30 • 焊接焊接+ +胀接胀接31 焊胀结合•前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，前面我们讲了胀接、焊接后，会发现它们各自有优、缺点，因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连因而目前广泛应用了胀焊并用的方法，这种方法能提高连接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用接处的抗疲劳性能，消除应力腐蚀和间隙腐蚀，提高使用寿命胀焊并用连接形式主要有：胀焊并用连接形式主要有：•①①先焊后胀：先焊后胀：强度焊＋贴胀强度焊＋贴胀 高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，高温高压换热器中大多用厚壁管，胀接时要使用润滑油，进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量，进入接头后缝隙中会在焊接时生成气体，恶化焊缝质量，只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病只要胀接过程控制得当，先焊后胀可避免这一弊病32 ②先胀后焊：强度胀＋密封焊 适用于管子与管板材料焊接性能较差的材料，胀接时不用润滑油，可防止产生焊接裂纹。
33 概念解释：密封焊概念解释：密封焊——不保证强度，只防漏；不保证强度，只防漏； 强度焊强度焊——既防漏，又保证抗拉脱强度；既防漏，又保证抗拉脱强度； 贴胀贴胀——只消除间隙，不承担拉脱力；只消除间隙，不承担拉脱力； 强度胀强度胀——既消除间隙，又满足胀接强度既消除间隙，又满足胀接强度目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中34 换热管在管板上的排列方式:在确定管子在管板上的排列方式时，应该考虑在确定管子在管板上的排列方式时，应该考虑下列原则下列原则: : (1)1)要保证管板有必要的强度，而且管子和管板的连接要保证管板有必要的强度，而且管子和管板的连接 要坚固和紧密要坚固和紧密; ; (2) (2)设备要尽量紧凑，以便减小管板和壳体的直径，并设备要尽量紧凑，以便减小管板和壳体的直径，并使管外空间的流通截面减小，以便提高管外流体的流速使管外空间的流通截面减小，以便提高管外流体的流速; ; (3) (3)要使制造、安装和修理、维护简便要使制造、安装和修理、维护简便 这些要求能否满足，关键在于这些要求能否满足，关键在于管子的排列方式管子的排列方式和和管间管间距距的正确选择。
的正确选择35 流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正三角形正三角形转角正三角形转角正三角形36 正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上正三角形最普遍，因为在相同的管板面积上排管最多，结构紧凑，但管外清洗不方便；排管最多，结构紧凑，但管外清洗不方便； 当壳程流体不是污染性介质时，采用正三角形排列法正三角形排列法在一定的管板面积上可以配置较多的管子数，且由于管子间的距离都相等，在管板加工时便于画线与钻孔 我国换热器系列中，我国换热器系列中，固定管板式固定管板式多采用正多采用正三角形排列三角形排列 37 38 正方边形 39 流流体体流流动动方方向向流流体体流流动动方方向向正方形正方形转角正方形转角正方形正方形排管少，结构不够紧凑，但管外清洗较方便正方形排管少，结构不够紧凑，但管外清洗较方便此排列法在此排列法在浮头式浮头式和和填料函式填料函式换热器中用得较换热器中用得较多若将正方形排列的管束旋转多若将正方形排列的管束旋转4545˚安装，可适安装，可适当提高壳程对流传热系数当提高壳程对流传热系数 我国换热器系列中，浮头式则以我国换热器系列中，浮头式则以正方形错列正方形错列排列居多排列居多 40 同心圆形同心圆形 41 在制氧设备中，有采用同心圆排列法，这种排列法比较紧凑，且靠近壳体的地方布管均匀；在小直径的换热器中，按此法在管板上布置的管数比按正三角形排列的还多。
我国换热器系列中，同心圆排列法用于用于小壳径换热器42 组合的排列例如在多管程热交例如在多管程热交换器中，每一程都换器中，每一程都采用等边三角形排采用等边三角形排列，而在各程相邻列，而在各程相邻管排间，为便于安管排间，为便于安装隔板，则采用正装隔板，则采用正方形排列方形排列43 换热管中心距换热管中心距 常用的换热管中心距的值如表常用的换热管中心距的值如表2.32.3所示44 管间距应考虑使管桥具有一定的管间距应考虑使管桥具有一定的强度和稳定性，同时便于清洗强度和稳定性，同时便于清洗要求：要求：中心距中心距 P≥1.25d045 注意注意①①当管束采用正方形排列（管间需要机械清洗当管束采用正方形排列（管间需要机械清洗 ）时，相邻管间的净空距离不宜小于）时，相邻管间的净空距离不宜小于6mm6mm，对于，对于外径为外径为l0mml0mm、、12mm12mm、、14mm14mm的换热管的中心距分的换热管的中心距分别不得小于别不得小于17mm17mm、、19mm19mm和和2lmm2lmm②②当采用转角正方形排列时，其分程隔板两侧当采用转角正方形排列时，其分程隔板两侧相邻的管中心距应为相邻的管中心距应为32mmⅹ32mm32mmⅹ32mm正方形的对角正方形的对角线。
线46 （（1 1））我我国国管管壳壳式式换换热热器器标标准准规规定定采采用用无无缝缝钢钢管管作作为为换换热热管管，，主主要要规规格格有有（（外外径径××壁壁厚厚））：：φ19×2.0φ19×2.0；；φ25×2.5φ25×2.5；；φ38×2.5φ38×2.5；；φ57×3.5φ57×3.5等；等；（（2 2））换换热热管管长长度度可可根根据据工工艺艺计计算算确确定定，，但但应应考考虑虑管管材材的的合合理理使使用用我我国国轧轧制制钢钢管管长长度度系系列列一一般般为为：：1.5m1.5m、、2.0m2.0m、、3.0m3.0m、、 4.5m 4.5m、、 6.0m 6.0m、、9.0m9.0m等3 3））换换热热管管排排列列方方式式考考虑虑原原则则：：使使换换热热管管在在换换热热器器横横截截面面上上均均匀匀而而紧紧凑凑地地分分布布，，同同时时应应考考虑虑流流体体的的性性质质及及结结构构设设计计等方面的问题，如管束是否分程、是否有纵向隔板等等方面的问题，如管束是否分程、是否有纵向隔板等4 4）管子在管板上要保证一定的管间距）管子在管板上要保证一定的管间距 要求要求 换热管中心距换热管中心距 P≥1.25d P≥1.25d0 0 换热管的选用：换热管的选用：47 48 布管限定圆布管限定圆49 管管 板板•管板作用是固定换热管束，并用来作为换管板作用是固定换热管束，并用来作为换热器两端间壁将壳、管程流体相互分开，热器两端间壁将壳、管程流体相互分开，一般多采用单层管板，但对有危险或腐蚀一般多采用单层管板，但对有危险或腐蚀性的物料或当管、壳程流体一旦相互渗漏性的物料或当管、壳程流体一旦相互渗漏就会产生危险的场合，可采用双层隔板。
就会产生危险的场合，可采用双层隔板50 51 52 53 用于高温高压场合用于高温高压场合54 管板与壳体的连接方式管板与壳体的连接方式55 2.1.4 2.1.4 分程隔板分程隔板 当换热器所需的换热面积较大，而管子又不能做得太长时，当换热器所需的换热面积较大，而管子又不能做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子此时，为了减少管程流就得增大壳体直径，排列较多的管子此时，为了减少管程流体截面积、增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使体截面积、增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子流体依次流过各程管子 （一）分程原因（一）分程原因 （二）分程隔板（二）分程隔板 双层隔板与管板的密封双层隔板与管板的密封 单层隔板与管板的密封单层隔板与管板的密封56 （（1））管管程程数数目目不不能能太太多多，，否否则则会会使使管管箱箱结结构构复复杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大杂，给制造带来困难，同时流体阻力也会增大 （（2））管管程程数数目目一一般般为为偶偶数数程程（（单单程程除除外外）），，这这样样可可以以使使管管程程的的进进出出口口设设置置在在同同一一端端管管箱箱上上，，便便于制造、操作和维修。
于制造、操作和维修 （（3））尽尽可可能能使使各各程程换换热热管管数数目目大大致致相相等等，，以以减减小流体阻力小流体阻力 （（4））相相邻邻管管程程流流体体间间温温度度差差不不宜宜过过大大（（不不超超过过28℃），以避免产生过大热应力以避免产生过大热应力 管束分程管束分程 的原则：的原则：57 管程布置表管程布置表分析管程数为分析管程数为4的分程隔板布置方式的优劣的分程隔板布置方式的优劣58 2.1.5 2.1.5 纵向隔板、折流板和支持板纵向隔板、折流板和支持板 目的目的：为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传：为了提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传 热，在壳程常设置纵向隔板或折流板热，在壳程常设置纵向隔板或折流板 纵向隔板纵向隔板在在U U型管壳式换热器内常有应用其最小厚度为型管壳式换热器内常有应用其最小厚度为 6mm6mm，当壳程压降较大时，需适当加厚，当壳程压降较大时，需适当加厚. . 折流板折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘－圆环形平是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘－圆环形平板。
折流板常用形式有：弓形折流板、盘环形折流板、扇形板折流板常用形式有：弓形折流板、盘环形折流板、扇形折流板和管孔形折流板等几种折流板和管孔形折流板等几种 列管换热器列管换热器.swf.swf又分单弓、双弓、三弓型三种在弓形折流又分单弓、双弓、三弓型三种在弓形折流板中，流体流动死角较小，结构简单，用的最多盘环形结板中，流体流动死角较小，结构简单，用的最多盘环形结构复杂，不便清洗，一般用在压力较高和物料比较清洁的场构复杂，不便清洗，一般用在压力较高和物料比较清洁的场合；扇形和管孔形应用较少合；扇形和管孔形应用较少什么时候用支持板什么时候用支持板? ? 59 缺口弦高一般为壳体内径的20%-45%60 与传统弓形折流板不同61 62 63 64 尺寸尺寸①厚度与壳体直径和折流板间距有关；折流板最小厚度按下表选取65 ②②弓形折流板间距：最小间距弓形折流板间距：最小间距≥{max0.2Di≥{max0.2Di，，50mm}50mm}最大间距：按最大间距：按下表下表规定选取，且规定选取，且≤Di≤Di66 ③间隙：折流板外径与壳体之间的间隙要适当，因为过小给安装带来困难，过大又影响传热效率，详见下表下表。
折流板的材料不能过硬也不能过软？67 折流板的固定①拉杆－定距管结构（适用于换热管外径≥19mm的管束）折流板和支承板的固定是通过拉杆和定距管来实现的68 ②拉杆点焊结构，适用于换热管外径≤14mm的管束拉杆的数量不少于四根，直径不小于10mm应尽量布置在管束的外边缘，对于大直径换热器，在布管区或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆69 70 2.1.6 2.1.6 挡管和旁路挡板挡管和旁路挡板•挡管和旁路挡板同是为换热器内防止流体挡管和旁路挡板同是为换热器内防止流体短路的结构件短路的结构件旁路挡板71 作用 阻止流体短路，迫使壳体流体通过管束进行热交换结构及安装 加工成规则的长条状，长度等于折流板或支承板的板间距，两端焊在折流板或支承板上l旁路挡板旁路挡板在有相变发生的设备中，是否需要设旁路挡板或挡管？壳侧换热系数对换热器的换热效果不器控制作用时，是否需要设？72 旁路挡板旁路挡板折流板折流板旁路挡板的结构旁路挡板的结构73 2.1.7 2.1.7 防冲板与导流筒防冲板与导流筒•处于流体进口处的管束，经常受到高流速流体的冲刷，故处于流体进口处的管束，经常受到高流速流体的冲刷，故在进口处设一防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热在进口处设一防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管的冲蚀，起一个防护作用。
管的冲蚀，起一个防护作用•防冲板可以焊在定距管和拉杆上，也可焊在壳体上防冲板可以焊在定距管和拉杆上，也可焊在壳体上74 75 管箱的作用：管箱的作用：将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内将进入管程的流体均匀分布到各换热管，把管内流体汇集在一起送出换热器在多管程换热器中，管箱还流体汇集在一起送出换热器在多管程换热器中，管箱还可通过设置隔板起分隔作用管箱结构如图可通过设置隔板起分隔作用管箱结构如图2.52.5所示，一所示，一类适用较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整类适用较清洁的介质，因检查管子及清洗时只能将管箱整体拆下，故不太方便（如体拆下，故不太方便（如A)A)；第二类在管箱上装有平盖，；第二类在管箱上装有平盖，只要将平盖拆下即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，只要将平盖拆下即可进行清洗和检查，所以工程应用较多，但材料消耗多（如但材料消耗多（如b)b)；第三类是将管箱与管板焊成一体，；第三类是将管箱与管板焊成一体，这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都这种结构密封性好，但管箱不能单独拆下，检修、清洗都不方便，实际应用较少不方便，实际应用较少2.1.8 2.1.8 管箱管箱76 管箱管箱77 2.2 2.2 管壳式热交换器的结构计算管壳式热交换器的结构计算 在换热器设计中，传热计算之后即是结构计算。
结在换热器设计中，传热计算之后即是结构计算结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸，对于管壳式换热构计算的任务在于确定设备的主要尺寸，对于管壳式换热器，主要包括：器，主要包括：•计算管程截面积（管子尺寸、数目及程数，管子排列方式）计算管程截面积（管子尺寸、数目及程数，管子排列方式）•壳体直径壳体直径•壳程截面积壳程截面积•计算进出口连接管尺寸计算进出口连接管尺寸78 2.2.1 2.2.1 管程流通截面积管程流通截面积•基本方程为连续性方程基本方程为连续性方程单管程换热器的管程流通截面积为：单管程换热器的管程流通截面积为：79 80 2.2.2 2.2.2 壳体直径的确定壳体直径的确定 •换换热热器器壳壳体体内内径径通通常常是是根根据据管管径径、、管管数数和和管管子子的的排排列列方方法法，，用用作作图图法法确确定定当当管管数数较较多多又又要要反反复复计计算算时时，，可可参参考考系系列列标标准准或或通通过过估估算算初初选选外外壳壳直直径径，，待待设设计计完完成成后后再再用用作作图图法法画画出出管管子子的的排排列列图图为为使使管管子子均均匀匀排排列列，，防防止止流流体体走走““短短路路””，可以适当增减一定数目的管子或安排一些拉杆，可以适当增减一定数目的管子或安排一些拉杆. .•初步设计中，可采用下式估算外壳直径：初步设计中，可采用下式估算外壳直径： D DS S =(b-1)s+2b′ =(b-1)s+2b′ 81 2.2.3 2.2.3 壳程流体截面积的计算壳程流体截面积的计算壳程流通截面积的计算在于确定纵向隔板或壳程流通截面积的计算在于确定纵向隔板或折流板的折流板的数目数目与与尺寸尺寸。
1）） 对于纵向隔板，主要确定其长度，计算对于纵向隔板，主要确定其长度，计算时采用连续性方程时采用连续性方程确定纵向隔板长度的基本原则：使流体在纵向隔板转弯时的流速与各流程中顺管束流动时速度基本相等82 2 2）弓形折流板）弓形折流板83 84 85 3 3）盘环形折流板）盘环形折流板86 2.2.4 2.2.4 进出口连接管直径的计算进出口连接管直径的计算87 2.3 管壳式换热器的传热计算 目的在于使所设计的换热器能在传热系数、目的在于使所设计的换热器能在传热系数、传热面积和平均温差等方面的综合结果满传热面积和平均温差等方面的综合结果满足传热方程式足传热方程式2.3.1 2.3.1 传热系数的确定传热系数的确定传热计算时，总传热系数传热计算时，总传热系数K K的来源有三个方面：的来源有三个方面：n选用生产实际的经验数据选用生产实际的经验数据n实验测定实验测定nK K值的计算值的计算88 2.3.2 换热系数的计算•1 1）管内外换热系数）管内外换热系数 流体流过各种形式传热壁面时的流体流过各种形式传热壁面时的αα，一般是在试验数据，一般是在试验数据的基础上，把它的变化规律整理成努赛尔准数（的基础上，把它的变化规律整理成努赛尔准数（NuNu）或传）或传热因子（热因子（J Jh h）与雷诺数（）与雷诺数（Re)Re)之间的关系用公式或线图的形之间的关系用公式或线图的形式表现出来。
式表现出来P58-59P58-59））•壳侧换热系数主要用下列公式计算壳侧换热系数主要用下列公式计算89 90 流路流路A A、、B B、、C C、、D D、、E E介绍介绍91 •贝尔法介绍在介绍贝尔法以前，须解决一些结构参数：92 93 分别介绍以上六个因子的确定分别介绍以上六个因子的确定管内对流换热管内对流换热准则方程式见表准则方程式见表2.82.894 •几个注意事项：几个注意事项： 定性温度的确定（有三种取法注意对油类定性温度的确定（有三种取法注意对油类等高粘度流体的定性温度的选取）等高粘度流体的定性温度的选取） 定型尺寸的选取定型尺寸的选取( (当量直径见附录当量直径见附录B B）） 粘度的修正粘度的修正 复合换热的处理复合换热的处理95 2.2.3 2.2.3 壁温的计算壁温的计算• 选择热交换器的类型和管子材料以及考虑热膨胀的补偿时选择热交换器的类型和管子材料以及考虑热膨胀的补偿时均需知道壁温在一般请况下壁温可通过下面的公式确定：均需知道壁温在一般请况下壁温可通过下面的公式确定：放热侧壁温：放热侧壁温：t tw1w1=t=t1 1-K(1/-K(1/αα1 1+r+rs,1s,1) )ΔΔt tm m=t=t1 1-q(1/-q(1/αα1 1+r+rs,1s,1) )吸热侧壁温：吸热侧壁温：t tw2w2=t=t2 2＋＋K(1/K(1/αα2 2+r+rs,2s,2) )ΔΔt tm m=t=t1 1＋＋q(1/q(1/αα2 2+r+rs,2s,2) )试算法的应用试算法的应用P67P6796 2.4 2.4 管壳式热交换器的流动阻力计算管壳式热交换器的流动阻力计算 热交换器内流动阻力引起的压降，是衡量运行经济效热交换器内流动阻力引起的压降，是衡量运行经济效果的一个重要指标。
如果压降大果的一个重要指标如果压降大, ,消耗的功率多，就需要配消耗的功率多，就需要配备功率较大的动力设备来补偿因压力降低所消耗的能量备功率较大的动力设备来补偿因压力降低所消耗的能量 由流体力学可知由流体力学可知, ,产生流动阻力的原因与影响因素可产生流动阻力的原因与影响因素可归纳为：归纳为：•流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是产生流动阻力的流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是产生流动阻力的根源；根源；•固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件所以流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁所以流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关面的形状等因素有关P68P68表表2.102.10介绍介绍97 2.4.1 2.4.1 管程阻力计算管程阻力计算•管壳式热交换器管程阻力包括管壳式热交换器管程阻力包括沿程阻力沿程阻力、、回回弯阻力弯阻力和和进、出口连接管阻力进、出口连接管阻力等三部分：等三部分：ΔΔP Pt t = =ΔΔP Pi i + +ΔΔP Pr r+ +ΔΔP PN NΔΔP Pt t ----管程总阻力管程总阻力ΔΔP Pi i ----沿程阻力沿程阻力ΔΔP Pr r ----回弯阻力回弯阻力ΔΔP PN N ----进、出口连接管阻力进、出口连接管阻力98 99 2.4.2 2.4.2 壳程阻力计算壳程阻力计算对于相同的雷诺数，壳程摩擦系数大于管程摩擦系数，因为对于相同的雷诺数，壳程摩擦系数大于管程摩擦系数，因为流过管束的流动有加速、方向变化等。
但流过管束的流动有加速、方向变化等但壳程的压降不一壳程的压降不一定大定大，因压降与流速、水力直径、折流板数、流体密度等，因压降与流速、水力直径、折流板数、流体密度等有关、因此在同样的雷诺数时，壳程压降有可能比管程低有关、因此在同样的雷诺数时，壳程压降有可能比管程低对于无折流板时：对于无折流板时：①①可用管程阻力公式计算壳程阻力（但以壳程管束流道的当可用管程阻力公式计算壳程阻力（但以壳程管束流道的当量直径代替管程阻力公式中的量直径代替管程阻力公式中的didi））②②有的文献推荐．错流流过光滑圆管时，可用以下的公式计有的文献推荐．错流流过光滑圆管时，可用以下的公式计算壳程阻力（算壳程阻力（Re=10Re=102 2-5×10-5×104 4范围内范围内) )：：100 ，，101 102 2.4.3 2.4.3 流路分析法简介流路分析法简介•贝尔法的缺点是烦琐、费时，同时此法并贝尔法的缺点是烦琐、费时，同时此法并未把各流路的关系完全考虑在内，因此无未把各流路的关系完全考虑在内，因此无法预测由于制造条件或结构等因素引起的法预测由于制造条件或结构等因素引起的各路流量及其相应阻力的变化，总的近似各路流量及其相应阻力的变化，总的近似程度不如流路分析法好。
程度不如流路分析法好• 流路分析法是利用廷克所提出的将壳程流流路分析法是利用廷克所提出的将壳程流动分成如图动分成如图2.272.27所示的五股流路所示的五股流路. . 103 104 105 106 107 2.5 2.5 管壳式热交换器的合理设计管壳式热交换器的合理设计2.5.1 2.5.1 流体在热交换器内流动空间的选择流体在热交换器内流动空间的选择 在设计热交换器时必须正确选定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程这时要考虑下述一些原则：(1)要尽量提高使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)尽量节省金属材料，特别是贵重材料，以降低制造成本；(3)要便于清洗积垢，以保证运行可靠(4)在温度较高的热交换器中应减少热损失，而在制冷设备中则应减少冷量损失；108 针对以上原则提问109 2.5.2 2.5.2 流体温度和终温的确定流体温度和终温的确定 当热交换器的流动方式及传热面积已知时，流体当热交换器的流动方式及传热面积已知时，流体的终温可由平均温差法或传热单元数法加以核定的终温可由平均温差法或传热单元数法加以核定•在顺流和逆流时．还可用以下根据平均温差的指在顺流和逆流时．还可用以下根据平均温差的指数规律而推导出来的公式直接计算终温。
数规律而推导出来的公式直接计算终温110 111 112 2.5.3 管子直径的选择 换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两种介换热管是管壳式换热器的传热元件，它直接与两种介质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响小质接触，所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响小管径利于承受压力，因而管壁较薄且在相同的壳径内可以排管径利于承受压力，因而管壁较薄且在相同的壳径内可以排列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧列较多的管子，使换热器单位体积的传热面积增大、结构紧凑，单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制凑，单位传热面积金属耗量少，传热效率也稍高一些，但制造麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗所以一般对清洁造麻烦，且小直径管子易结垢，不易清洗所以一般对清洁流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管流体用小直径管子，粘性较大的或污染的流体采用大直径管子113 114 2.5.4 2.5.4 流体流动速度的选择流体流动速度的选择 一般情况下，流速的增加使换热系数随之俱增，但是增加流速一般情况下，流速的增加使换热系数随之俱增，但是增加流速将使流动阻力也随之增大，且其增加的速率远超过换热系数的增加速将使流动阻力也随之增大，且其增加的速率远超过换热系数的增加速率率 因此，所选择的流速要尽量使流体呈湍流状态，以保证设备在较因此，所选择的流速要尽量使流体呈湍流状态，以保证设备在较大的传热系数下进行热交换，为避免产生过大的压降，才不得不选用大的传热系数下进行热交换，为避免产生过大的压降，才不得不选用层流状态下的流速。
层流状态下的流速 流速的最大值又是由允许的压降所决定的，当允许的压降已经限定，流速的最大值又是由允许的压降所决定的，当允许的压降已经限定，则最大流速就可由阻力公式外算出来则最大流速就可由阻力公式外算出来 如果所允许的压降不是由生产条件来决定，则可根据技术经济比较如果所允许的压降不是由生产条件来决定，则可根据技术经济比较来确定最佳流速来确定最佳流速( (或最经济流速或最经济流速) )，这时设备的投资费用与运行费用之，这时设备的投资费用与运行费用之和最低115 2.5.5 2.5.5 热补偿问题热补偿问题116 117 118 管壳式热交换器的振动与噪声管壳式热交换器的振动与噪声（1）流体诱发振动的原因 流动引起的振动：流动引起的振动：热交换器的管束属于弹性体，被流过的流体扰动，离开其平衡位置，管子产生振动，这种振动成为流动引起的振动1）涡流脱落引起的振动与噪声 什么是卡门涡街？119 卡门涡街卡门涡街120 2）气流弹性旋转引起的振动3）湍流抖振121 （2）振动的预防措施122 123 右图中结构有效地消除了湍流抖振124 2 2．．6 6 管壳式热交换器的设计程序管壳式热交换器的设计程序 一般的设计程序如下；一般的设计程序如下；(1)(1)根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定热交换器的根据设计任务搜集有关的原始资料，并选定热交换器的型式等。
型式等2)(2)确定定性温度，并查取物性数据；确定定性温度，并查取物性数据；(3)(3)由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量(4)(4)选择壳体和管子的材料选择壳体和管子的材料(5)(5)选定流动方式、确定流体的流动空间；选定流动方式、确定流体的流动空间；(6)(6)求出平均温差；求出平均温差；(7)(7)初选传热系数初选传热系数K‘K‘，并初算传热面积，并初算传热面积F’F’；；(8)(8)设计热交换器的结构设计热交换器的结构( (或选择标准型号）或选择标准型号）125 计算程序原理框图和计算表格介绍，计算程序原理框图和计算表格介绍，P85-86P85-86126 大作业•题目：煤油冷却器的设计•任务及操作条件 1、处理能力：10万吨/年 煤油 2、设备形式：列管式换热器 3、操作条件： （1）煤油：入口温度150℃，出口温度40 ℃ （2）冷却介质：自来水，入口温度25 ℃，出口温度35 ℃ （3）允许压降：不大于100kPa （4）煤油定性温度下的物性数据： 密度 825kg/m3，粘度7.15×10-4 Pa·s，比热容2.22kJ/（kg · ℃）， 导热系数 0.14W/（m · ℃） （5）每年按330天计算，每天24小时连续运行。
n列管换热器的选择与核算 （1）传热计算 （2）管、壳程流动阻力计算 （3）管板厚度计算 （4）U形膨胀节计算 （5）管壳式换热器零部件结构 127 2.7 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点 2.7.1 2.7.1 管壳式冷凝器的工作特点管壳式冷凝器的工作特点 工质由汽态变为液态的过程叫凝结，当蒸汽与低于它的工质由汽态变为液态的过程叫凝结，当蒸汽与低于它的饱和温度的流体和壁面接触时，就会发生凝结并放出潜热饱和温度的流体和壁面接触时，就会发生凝结并放出潜热蒸汽在冷壁凝结并放出潜热，而冷却流体在壁面的另一侧蒸汽在冷壁凝结并放出潜热，而冷却流体在壁面的另一侧吸收热量，这就是吸收热量，这就是冷凝器的工作原理冷凝器的工作原理 按被冷凝的物质进行分类，冷凝过程又可分为可凝蒸汽按被冷凝的物质进行分类，冷凝过程又可分为可凝蒸汽的冷凝和含有不凝气蒸汽的冷凝可凝蒸汽可以是单一成的冷凝和含有不凝气蒸汽的冷凝可凝蒸汽可以是单一成分的纯净蒸汽，也可能是多种组分的混合蒸气分的纯净蒸汽，也可能是多种组分的混合蒸气128 1）纯净饱和蒸汽在冷凝器内的冷凝设计时应注意的问题：l冷凝换热过程的强化（如有机蒸气-水换热）l管子的放置方式（横管、竖管） 采用卧式冷凝器的原因采用卧式冷凝器的原因l蒸汽在水平管内冷凝可能出现的问题蒸汽在水平管内冷凝可能出现的问题129 （2）过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝 按过热程度的不同，过热蒸汽在冷凝器内的温度变化可能存在三个不同的区域130 •换热特点及计算方法换热特点及计算方法在在过热度很大过热度很大的情况下，需要将的情况下，需要将全部过程按图全部过程按图2.492.49分两段计算。
分两段计算131 （（3 3）含不凝气蒸汽的冷凝）含不凝气蒸汽的冷凝含不凝气蒸汽的冷凝机理含不凝气蒸汽的冷凝机理132 其传热由两部分构成1)1)潜热传递潜热传递 推动力为蒸汽的分压差推动力为蒸汽的分压差潜热传递的热量表示为：潜热传递的热量表示为：133 2)2)显热传递显热传递当当不凝气含量相对高不凝气含量相对高时，传热温差和换热系数要分成时，传热温差和换热系数要分成多段进行计算？多段进行计算？当当不凝气含量不高不凝气含量不高时，时，蒸汽速度蒸汽速度是影响换热的主要因是影响换热的主要因素，素，传质系数传质系数的考虑？的考虑？(传质与传热的类比）传质与传热的类比）134 热量传递与质量传递类比 传热求解：传热求解：传质求解：传质求解：135 4 4）混合蒸汽的冷凝）混合蒸汽的冷凝特点：特点：136 分凝器分凝器和和全冷凝器全冷凝器的概念介绍的概念介绍137 2.7.2 2.7.2 管壳式蒸发器的工作特点管壳式蒸发器的工作特点 蒸发器中所进行着的沸腾换热和冷凝换热一样，均蒸发器中所进行着的沸腾换热和冷凝换热一样，均属属于强化型换热于强化型换热，液体在沸腾时能吸收大量的汽化潜热，汽，液体在沸腾时能吸收大量的汽化潜热，汽泡在形成和脱离加热面时，在边界层内产生强烈的扰动，泡在形成和脱离加热面时，在边界层内产生强烈的扰动，使其热边界层内形成很大的温度梯度，从而达到很高的换使其热边界层内形成很大的温度梯度，从而达到很高的换热系数，与单相流体的对流换热系数相比，可提高几倍乃热系数，与单相流体的对流换热系数相比，可提高几倍乃至二、三十倍。
在各种工业企业生产过程中，常需将溶有至二、三十倍在各种工业企业生产过程中，常需将溶有固体物质的水溶液加以浓缩固体物质的水溶液加以浓缩 其主要方法是用蒸发器将稀溶液加热至沸腾，使其中其主要方法是用蒸发器将稀溶液加热至沸腾，使其中部分水蒸发而使溶液的浓度得到提高部分水蒸发而使溶液的浓度得到提高 图图2.522.52所示的是一种在水溶液蒸发过程中使用比较所示的是一种在水溶液蒸发过程中使用比较普遍的中心循环管式蒸发器普遍的中心循环管式蒸发器138 139 140 141 2.8.1 高温高压管壳式热交换器•高温高压热变换器通常指其工作温度在高温高压热变换器通常指其工作温度在350 350 ℃℃以上，压力在以上，压力在10MPa10MPa以上• 就型式而论，高温高压热交换器与常用的就型式而论，高温高压热交换器与常用的管壳式热交换器并无多大差别、只是在结管壳式热交换器并无多大差别、只是在结构上已获得相当多的改进构上已获得相当多的改进•常用的型式仍为固定管板式、常用的型式仍为固定管板式、U U形管式和浮形管式和浮头式三种头式三种142 2.8.2 工业炉用高温热交换器•工业炉用热交换器工作压力并不高，但一工业炉用热交换器工作压力并不高，但一般都在高温下工作。
般都在高温下工作•利用工业炉烟气来预热空气或煤气的热交利用工业炉烟气来预热空气或煤气的热交换器从材质上可分换器从材质上可分金属和陶质金属和陶质两大类；两大类；从工作原理上可分为从工作原理上可分为换热式和蓄热式换热式和蓄热式两大两大类；从传热方式上可分为类；从传热方式上可分为对流式和辐射式对流式和辐射式两大类143 2.8.3低温热交换器1)1)低温热交换器的作用低温热交换器的作用 在空气分离装置或其它利用深冷进行在空气分离装置或其它利用深冷进行气体液化与分离的装置气体液化与分离的装置( (例如碳氢化合物气例如碳氢化合物气体的分离装置体的分离装置) )中，没有热交换器就不可能中，没有热交换器就不可能有效地进行深冷过程有效地进行深冷过程144 。