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原文作者：tan1213xiao

原文鏈接：列管換熱器的設(shè)計 - 百度文庫原文出處：百度文庫

列管式換熱器的設(shè)計計算  1． 流體流徑的選擇  哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點可供選擇時參考(以固定管板式換熱器為例)  (1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。 (2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 (3) 壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。 (4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 (5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。 (6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。 (7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。  在選擇流體流徑時，上述各點常不能同時兼顧，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾，例如首先考慮流體的壓強、防腐蝕及清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數(shù)和壓強降，以便作出較恰當?shù)倪x擇。 2. 流體流速的選擇 增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。 此外，在選擇流速時，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆怠＿@些也是選擇流速時應(yīng)予考慮的問題。 3. 流體兩端溫度的確定 若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，就不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中一個流體僅已知進口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計者來確定。例如用冷水冷卻某熱流體，冷水的進口溫度可以根據(jù)當?shù)氐臍鉁貤l件作出估計，而換熱器出口的冷水溫度，便需要根據(jù)經(jīng)濟衡算來決定。為了節(jié)省水量，可使水的出口溫度提高些，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。兩者是相互矛盾的。一般來說，設(shè)計時可采取冷卻水兩端溫差為5～10℃。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。 4. 管子的規(guī)格和排列方法 選擇管徑時，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有φ25×2.5mm及φ19×mm兩種規(guī)格的管子。 管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應(yīng)為1.5、2、3或6m。系列標準中也采用這四種管長。此外，管長和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為4～6(對直徑小的換熱器可大些)。 如前所述，管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等，如第五節(jié)中圖4－25所示。等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當?shù)靥岣摺＊?管子在管板上排列的間距 (指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.3～1.5)do，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25do。 5. 管程和殼程數(shù)的確定 當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計時應(yīng)考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。 管程數(shù)m可按下式計算，即:  (4-121) 式中u―――管程內(nèi)流體的適宜速度， m/s；  u′―――管程內(nèi)流體的實際速度， m/s。 圖4-49串聯(lián)列管換熱器 當殼方流體流速太低時，也可以采用殼方多程。如殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程，如前述的圖4-47和圖4-48所示。但由于縱向隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難，故一般不采用殼方多程的換熱器，而是將幾個換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。例如當需二殼程時，則將總管數(shù)等分為兩部分，分別安裝在兩個內(nèi)徑相等而直徑較小的外殼中，然后把這兩個換熱器串聯(lián)使用，如圖4-49所示。 6. 折流擋板 安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動程度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。 第五節(jié)的圖4－26已示出各種擋板的形式。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10～40％，一般取20～25％，過高或過低都不利于傳熱。 兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.2～1)倍。系列標準中采用的h值為:固定管板式的有150、300和600mm三種；浮頭式的有150、200、300、480和600mm五種。板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。 擋板切去的弓形高度及板間距對流體流動的影響如圖3-42所示。 7. 外殼直徑的確定 換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計算出的實際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確定殼體的內(nèi)徑。但是，當管數(shù)較多又要反復(fù)計算時，作圖法太麻煩費時，一般在初步設(shè)計時，可先分別選定兩流體的流速，然后計算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標準中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走"短路"，可以適當增減一些管子。 另外，初步設(shè)計中也可用下式計算殼體的內(nèi)徑，即:  (4-122) 式中 D――――殼體內(nèi)徑， m；  t――――管中心距， m；  nc―――－橫過管束中心線的管數(shù)；  b′―――管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離， 一般取b′=(1～1.5)do。 nc值可由下面的公式計算。 管子按正三角形排列時: (4-123) 管子按正方形排列時: (4-124) 式中n為換熱器的總管數(shù)。 按計算得到的殼徑應(yīng)圓整到標準尺寸，見表4-15。 8．主要構(gòu)件 封頭 封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑 的殼體。 緩沖擋板 為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設(shè)緩沖擋板。 導(dǎo)流筒 殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間(死角)，為了提 高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這個空間。 放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 接管尺寸 換熱器中流體進、出口的接管直徑按下式計算，即: 式中Vs--流體的體積流量， /s；  u --接管中流體的流速， m/s。 流速u的經(jīng)驗值為: 對液體 u=1.5～2 m/s 對蒸汽 u=20～50 m/s 對氣體 u=(15～20)p/ρ (p為壓強，單位為atm ；ρ為氣體密度，單位為kg/) 9． 材料選用 列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。 10． 流體流動阻力(壓強降)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 Δpi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，故管程總阻力的計算式為:   （4-125） 式中 Δp1、Δp2------分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強降，N/；  Ft-----結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對于φ25×2.5mm的管子， 取為1.4，對φ19×2mm的管子，取為1.5；   Np-----管程數(shù)；

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  Ns-----串聯(lián)的殼程數(shù)。 上式中直管壓強降Δp1可按第一章中介紹的公式計算；回彎管的壓強降Δp2由下面的經(jīng)驗公式估算，即:   (4-126) (2) 殼程流體阻力 現(xiàn)已提出的殼程流體阻力的計算公式雖然較多，但是由于流體的流動狀況比較復(fù)雜，使所得的結(jié)果相差很多。下面介紹埃索法計算殼程壓強Δpo的公式，即:   (4-127) 式中 Δp1′-------流體橫過管束的壓強降，N/； Δp2′-------流體通過折流板缺口的壓強降，N/； Fs --------殼程壓強降的結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對液體可取 1.15，對氣體或可凝蒸氣 可取1.0 而 (4-128) (4-129) 式中 F----管子排列方法對壓強降的校正因數(shù)，對正三角形排列F=0.5，對正方形斜轉(zhuǎn)45°為0.4，正方形排列為0.3；  fo----殼程流體的摩擦系數(shù)，當Reo＞500時， nC----橫過管束中心線的管子數(shù)；  NB----折流板數(shù)；  h ----折流板間距，m； uo----按殼程流通截面積Ao計算的流速，而。 一般來說，液體流經(jīng)換熱器的壓強降為 0.1～1atm，氣體的為0.01～0.1atm。設(shè)計時，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強降與傳熱面積之間予以權(quán)衡，使既能滿足工藝要求，又經(jīng)濟合理。 三、 列管式換熱器的選用和設(shè)計計算步驟  1． 試算并初選設(shè)備規(guī)格 (1) 確定流體在換熱器中的流動途徑。 (2) 根據(jù)傳熱任務(wù)計算熱負荷Q。 (3) 確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管式換熱器的型式；計算定性溫度，并確定在定性 溫度下流體的性質(zhì)。 (4) 計算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。 (5) 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際情況，選定總傳熱系數(shù)K選值。 (6) 由總傳熱速率方程Q＝KSΔtm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標準選擇設(shè)備規(guī)格。 2． 計算管、殼程壓強降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計算管、殼程流體的流速和壓強降。檢查計算結(jié)果是否合理或滿足工 藝要求。若壓強降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計算壓強降直至滿足要求為止。 3． 核算總傳熱系數(shù) 計算管、殼程對流傳熱系數(shù)αi 和αo，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計算總傳熱系數(shù)K，比較K得初始值和計算值，若K/K＝1.15～1.25，則初選的設(shè)備合適。否則需另設(shè)K選值，重復(fù)以上計算步驟 。 通常，進行換熱器的選擇或設(shè)計時，應(yīng)在滿足傳熱要求的前提下，再考慮其他各項的問題。它們之間往往是互相矛盾的。例如，若設(shè)計的換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導(dǎo)致流體通過換熱器的壓強降(阻力）增大，相應(yīng)地增加了動力費用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)和壓強降降低，但卻又要受到安裝換熱器所能允許的尺寸的限制，且換熱器的造價也提高了。

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此外，其它因素(如加熱和冷卻介質(zhì)的用量，換熱器的檢修和操作)也不可忽視。總之，設(shè)計者應(yīng)綜合分析考慮上述諸因素，給予細心的判斷，以便作出一個適宜的設(shè)計。

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