管殼式熱交換器

1、第二章 管殼式熱交換器,間壁式熱交換器,管式熱交換器 管殼式、套管式、螺旋管式等板式熱交換器延伸表面熱交換器蓄熱式熱交換器,,管殼式換熱器,,2.1 管殼式換熱器的分類,基本類型,,固定管板式換熱器,浮頭式換熱器,U形管式換熱器,填料函式換熱器,（1）固定管板式換熱器,固定管板式換熱器1—封頭；2—法蘭；3—排氣口；4—殼體；5—換熱管；6—波形膨脹節(jié)；7—折流板（或支持板）；8—防沖板；9—殼程接管；10—管板；1

2、1—管程接管；12—隔板；13—封頭；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉桿；18—支座；19—墊片；20、21—螺栓、螺母,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換。,缺點：不易清洗殼程，殼體和管束中可能產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。,為減少熱應(yīng)力，通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。,帶膨脹節(jié)的固定管板式換熱器,適用場合：適用于殼程介質(zhì)清潔，不易

3、結(jié)垢，管程需清洗以及溫差不大或溫差雖大但是殼程壓力不大的場合。,（2） U形管式換熱器,U形管式換熱器1.中間擋板；2.U形換熱管；3.排氣口；4.防沖板；5.分程隔板,,U形管式換熱器,,,U型管式換熱器,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，承受能力強(qiáng)，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。,缺點：布板少，管板利用率低，管子壞時不易更換。,適用場合：特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。,浮頭式換熱器1—防沖板；2—折流板；3—浮頭管板；4

4、—鉤圈；5—支耳,（3）浮頭式換熱器,浮頭結(jié)構(gòu)示意圖,優(yōu)點：管內(nèi)和管間清洗方便，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。,缺點： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備笨重，造價高，浮頭端小蓋在操作中無法檢查。,適用場合：殼體和管束之間壁溫相差較大，或介質(zhì)易結(jié)垢的場合。,浮頭式熱交換器,（4）填料函式換熱器,填料函式換熱器1.縱向隔板；2.浮動管板；3.活套法蘭；4.部分剪切環(huán)；5.填料壓蓋；6.填料；7.填料函,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，造價低，管內(nèi)和管間清洗方便,缺點：填料

5、處易泄漏。,適用場合：4MPa 以下，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度受填料的物性限制。,填料函式密封,,釜式重沸器,類似浮頭式、U形管換熱器，清洗維修方便，可處理不清潔，易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高壓、高溫.,2.2 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)管殼式換熱器流體的流程,一種流體走管內(nèi)，稱為管程，另一種流體走管外，稱為殼程。管內(nèi)流體從換熱管一端流向另一端一次，稱為一程；對U形管換熱器，管內(nèi)流體從換熱管一端經(jīng)過U形彎曲段流向另一

6、端一次，稱為兩程.,換熱管,在管殼式熱交換器使用各種各樣的管子，大部分為直管和U形管。,構(gòu)成換熱器的傳熱面.碳鋼、合金鋼、銅、塑料、石墨材料。,一般情況下使用光管，當(dāng)殼側(cè)的傳熱系數(shù)比管側(cè)低時，如殼內(nèi)為高粘度液體，氣體，蒸汽時，使用低翅管加強(qiáng)換熱。,在另外一些特定情況下，選用雙層管,橫紋槽管,雙面強(qiáng)化管，內(nèi)表面環(huán)形凸肋，外表面環(huán)形凹肋.管內(nèi)換熱系數(shù)為光管換熱系數(shù)的2~3倍；,管外縱流條件下，管外傳熱系數(shù)為光管的1.6倍.傳遞熱量相同，

7、泵功率相同，取代光管，節(jié)約材料30%-50%,螺旋槽,主要用于強(qiáng)化管內(nèi)氣體或液體的傳熱，強(qiáng)化管內(nèi)液體的沸騰或管內(nèi)外蒸氣的冷凝，管內(nèi)傳熱系數(shù)為光管傳熱系數(shù)的1.5-2.0倍；管外傳熱系數(shù)為光管傳熱系數(shù)的1.5倍.,縮放管,波紋管,波紋管優(yōu)點 既強(qiáng)化管內(nèi)，又強(qiáng)化管外，結(jié)構(gòu)特點：波形變化，管壁薄，小于1mm. 傳熱系數(shù)較光管高2~3倍，波紋管換熱器具有傳熱效率高，不易結(jié)垢，熱補(bǔ)償能力強(qiáng).,等邊三角形，同心圓法，正方形法,換熱管及其在

8、管板上的排列,一邊與流向垂直，在相同管板面積上管數(shù)排列最多，傳熱系數(shù)較高（與正方形排列比），節(jié)約管板面積.,換熱管間不宜清洗，適用于不結(jié)垢護(hù)著可用化學(xué)方法清洗以及允許壓降較高的工況。,換熱管在管板上的排列形式有正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形等.,,一邊與流向平行，特點皆于等邊三角形與正方形排列之間，不宜用于臥式冷凝器底部，換熱管外表面的冷凝液膜削弱傳熱.,最不緊湊，便于機(jī)械清洗，用于需要將管束抽出清洗的換熱器，如浮頭式換熱器

9、中。,對比正方形排列，板間距相同的情況下，流通面積比正方形小，有利于流速提高.多種排列方式組合 p45,組合排列與轉(zhuǎn)角排列,換熱管中心距,定義：管板上兩管子的中心線距離。 涉及清洗，固定方法。確定方法： 換熱管中心距不小于1.25倍管外徑。,布管限定圓,用來決定殼體內(nèi)管束的大小。,管板和管子的連接 管板和管子的連接方式有脹接和焊接，對于高溫高壓下常采用脹、焊并用的方式。,脹接

10、 脹接適用于換熱管為碳鋼，管板為碳鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超過4MPa、設(shè)計溫度不超過350℃，且無特殊要求的場合。,焊接 碳鋼或低合金鋼，溫度在300℃以上，大都采用焊接連接。,管板與換熱管的焊接連接,管箱 位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。,管箱結(jié)構(gòu)形式1.隔板；2.管板；3.箱蓋,殼體及其與管板的連接 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖板或稱緩沖板。,進(jìn)口接管及防沖板的布置,固定管板式中，

11、兩端管板均與殼體采用焊接連接，管板兼作法蘭用。浮頭式、U形管式及填料函式換熱器中采用可拆連接，將管板夾持在殼體法蘭和管箱法蘭之間。,管板與殼體連接結(jié)構(gòu),折流板 作用：流體反復(fù)地改變方向作錯流流動或其他形式的流動，并可調(diào)節(jié)折流板間距以獲得適宜流速，提高傳熱效率。另外，支撐管束的作用。,分類： 常用折流板有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種，弓形的有單弓形、雙弓形及三弓形，單弓形和雙弓形應(yīng)用最多。,弓形折流板,圓盤-圓環(huán)形折流板,

12、折流板缺口尺寸,折流板的固定 通過拉桿和定距管來實現(xiàn)。,拉桿結(jié)構(gòu),折流桿換熱器,折流板使流體橫掠管束，在增強(qiáng)傳熱的同時，也會引起流體的誘導(dǎo)振動。,誘導(dǎo)振動對換熱器的損傷管子互相碰撞，當(dāng)管子振動振幅大到足以使管子經(jīng)常碰擊時，就會使管壁磨損變薄，直至破壞；管子與折流板孔壁因振動不斷碰撞，從而引起管子破裂；,振動的管子與管板連接處受到很大的應(yīng)力，久而久之就造成脹接和焊接點因應(yīng)力而損壞，并造成接頭泄漏。管子因振動反復(fù)彎折而引起應(yīng)

13、力疲勞，長時間連續(xù)振動就會導(dǎo)致管子破裂。振動引起應(yīng)力脈動，會使管材中的微觀缺陷擴(kuò)展，直至產(chǎn)生裂紋。,對折流板管式換熱器而言，減少誘導(dǎo)振動振幅的措施有： 降低橫掠管束的流速； 提高傳熱元件的固有頻率，如增加管壁厚 度，減小管子的跨度。,最有效的防止誘導(dǎo)振動的方法是將流體由橫掠管束改為縱掠管殼，但縱掠管殼的換熱系數(shù)又不如橫掠管束。這是一對矛盾，這也正是新型折流桿管殼是換熱器產(chǎn)生的背景,折流桿換熱器,折流板換熱器的優(yōu)點縱掠管

14、束，防止誘導(dǎo)振動的產(chǎn)生，提高了換熱器的安全性。減小了殼側(cè)流體的阻力，降低管側(cè)的泵功。,增強(qiáng)流體的擾動，減少了橫掠管束時的流動死區(qū)和漏流損失，強(qiáng)化殼側(cè)的換熱，即殼側(cè)的換熱系數(shù)不低于橫掠時換熱系數(shù)，傳熱系數(shù)可提高15%-50%。減少污垢的沉積和腐蝕的產(chǎn)生，提高了換熱器的使用壽命。,◆ 標(biāo)準(zhǔn)代號為JB／T4714～4720－92 對浮頭式換熱器和冷凝器、固定管板式換熱器、立式熱虹吸式重沸器及U形管式換熱器的具體結(jié)構(gòu)形

15、式、基本參數(shù)及其組合都作了具體的規(guī)定(定型)。,三、管殼式換熱器的標(biāo)準(zhǔn) ◆ GB151—1999《管殼式換熱器》 國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的關(guān)于管殼式換熱器的國家標(biāo)準(zhǔn)，是管殼式換熱器設(shè)計和制造的主要依據(jù)。,換熱器的型號表示法,滿液式蒸發(fā)器--管程:載冷劑;殼程:制冷劑,干式蒸發(fā)器--管程:制冷劑;殼程:載冷劑,離心式和螺桿式冷水機(jī)組中, 蒸發(fā)器的型式主要是滿液式蒸發(fā)器和干式蒸發(fā)器兩種。,滿液式蒸發(fā)器中， 制冷劑經(jīng)過節(jié)

16、流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器殼程，蒸發(fā)器內(nèi)的液位保持一定。蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱管浸沒在制冷劑液體中。吸熱蒸發(fā)后的氣液混合物中仍含有大量液體, 從蒸發(fā)器內(nèi)逸出的濕蒸氣經(jīng)氣液分離后再回入壓縮機(jī)。,干式蒸發(fā)器中，由熱力膨脹閥或電子膨脹閥直接控制液體制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器的管程，制冷劑液體在管內(nèi)完全轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，而被冷卻的介質(zhì)則在傳熱管外的管程中流動。載冷劑(冷媒水)走殼程，蒸發(fā)器中有數(shù)量不等的折流板。,滿液式蒸發(fā)器優(yōu)點 傳熱效率高。液態(tài)制冷劑淹沒大量換熱管束,蒸發(fā)管

17、表面高度強(qiáng)化, 完全浸泡在冷媒中。 制冷劑蒸汽無需過熱度, 從而蒸發(fā)溫度可以大幅的提升，大大提高機(jī)組的能效比，大容量機(jī)組能效提升更加明顯?！驹趦鏊厮?2℃, 出水7℃的條件下, 蒸發(fā)溫度可達(dá)5℃( 而干式僅為2℃) 】,滿液式蒸發(fā)器缺點 滿液式蒸發(fā)器需要注入大量的制冷劑 在采用氟利昂制冷劑時, 潤滑油的分離較困難。,干式蒸發(fā)器優(yōu)點 無需回油裝置就能將潤滑油帶回壓縮機(jī)。 制冷劑用量少, 為相同制冷量滿液式蒸發(fā)器的1/3。,干式

18、蒸發(fā)器缺點 當(dāng)采用多流程時, 氣、液兩相制冷劑在端蓋內(nèi)轉(zhuǎn)向時會出現(xiàn)分離, 造成下一個流程中各管子中制冷劑流量分配不均勻的不利現(xiàn)象。含氣量越多, 分配越不均勻, 甚至?xí)褂行┕軆?nèi)無液體或液體很少, 使這些管子失去了蒸發(fā)冷卻的作用。 由于折流板與殼體之間一般都有間隙泄漏(即凍水短路) ，降低了水側(cè)的換熱效果。,將料液自降膜蒸發(fā)器加熱室上管箱加入，經(jīng)液體分布及成膜裝置，均勻分配到各換熱管內(nèi)，并沿?fù)Q熱管內(nèi)壁呈均勻膜狀流下。在流下過程中，被

19、殼程加熱介質(zhì)加熱汽化，產(chǎn)生的蒸汽與液相共同進(jìn)入蒸發(fā)器的分離室，汽液經(jīng)充分分離，蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝（單效操作）或進(jìn)入下一效蒸發(fā)器作為加熱介質(zhì)，從而實現(xiàn)多效操作，液相則由分離室排出。,降膜蒸發(fā)器,液膜與加熱管的熱阻小，傳熱系數(shù)高。可以多效作業(yè)，很小的溫差（6-8℃），就能正常工作。,廣泛用于醫(yī)藥、食品、化工、輕工等行業(yè)的水或有機(jī)溶媒溶液的蒸發(fā)濃縮，并可廣泛用于以上行業(yè)的廢液處理。,結(jié)構(gòu)計算 傳熱計算 流動阻力計算,管殼式熱交換器的計算,

20、2.2 管殼式熱交換器的結(jié)構(gòu)計算,管程流通截面積的計算殼體直徑的計算殼體流通截面積的計算進(jìn)出口連接管直徑的計算,2.2.1 管程流通截面積的計算,,式中：At—管程流通截面積，m^2; Mt—管程流體的質(zhì)量流量，kg/s; ρ—管程流體的密度，kg/m^3; ωt—管程流體的流速，m/s,所需管數(shù)：,— 管子內(nèi)徑,式中：,每根管子的長度,,傳熱面積,管程數(shù)：,總的管子根

21、數(shù),每程管數(shù),管程總長,,,2.2.2 殼體直徑的確定,,2.2.3 殼程流通截面積的計算,,確定縱向隔板和折流板的數(shù)目和尺寸 P55,2.2.4 進(jìn)出口連接管直徑的計算,,2.3 管殼式熱交換器的傳熱計算,2.3.1 傳熱系數(shù)確定 經(jīng)驗數(shù)據(jù)；實驗測定；計算得出 管殼式熱交換器所用的管子大多為圓管,目的：使設(shè)計的熱交換器能夠在傳熱面積、傳熱系數(shù)、平均溫差等方面的綜合結(jié)果滿足傳熱方程式的要求。,光滑圓管的換熱系數(shù),外

22、表面,內(nèi)表面,管壁較薄時，近似公式,外表面,內(nèi)表面,忽略管壁熱阻，污垢熱阻且管壁很薄時,,2.3.2 換熱系數(shù)的計算,1. 管內(nèi)、外換熱系數(shù) 流體通過壁面的換熱系數(shù)，通過實驗確定為努塞爾數(shù)，傳熱因子，雷諾數(shù)的關(guān)系。,傳熱因子,科恩傳熱因子,柯爾本傳熱因子,2. 殼側(cè)換熱,流動復(fù)雜且存在旁流、漏流，需專門的公式 1) 無折流板時，按照縱向流過管束考慮；,2) 盤環(huán)形折流板,4) 盤環(huán)折流板,3) 孔形折流板,5) 弓形折流板

23、 應(yīng)用比較普遍，占主導(dǎo)地位，研究較多,各種方法比較柯爾本方法：基于理想管束，誤差大；科恩方法：考慮了管程-殼程流動、溫度、結(jié)垢等，比較完整；但過于簡化，傳熱系數(shù)比較接近實際，壓降相差比較大；,廷克的流動模型：將流動分類貝爾法：基于實驗數(shù)據(jù)，并加以修正，應(yīng)用比較廣。,廷克流路模型,將殼側(cè)流體分為錯流、漏流及旁路等流路,貝爾法,思路：假定全部殼程流體以純錯流的形式通過理想管束，得到理想管束的傳熱因子，再根據(jù)具體操作條件引入各項校

24、正因子。,先決條件明確知道換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（管數(shù)，各個泄漏面積等）,得到結(jié)構(gòu)參數(shù)后，按照全部錯流穿過理想管束，得到柯爾本傳熱因子,,以結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，查取各種條件下的校正因子 ji，再計算實際情況下的傳熱因子，得到殼程傳熱因子 jo,校正因子包括：科爾本jH 、缺口jc 、泄露jl 、旁通jb 、間距不等js 、低Re時逆溫度梯度jr等。,與換熱相關(guān)的幾個問題,1.定性溫度定性溫度的含義 取法：1）流體的平均溫度；2）壁溫；3）

25、流體和壁溫的平均溫度。對油類以及其他高粘性流體，按照卡路里溫度計算,2. 定型(性)尺寸對流體運(yùn)動或傳熱發(fā)生主導(dǎo)影響的尺寸圓管內(nèi)換熱取管內(nèi)徑；管外強(qiáng)迫流動取管外徑；非圓性管道取當(dāng)量直徑.,式中：A:流體的流通截面積； U:濕周邊或熱周邊長,,de = 4A / U,3 粘度修正,4 同時存在對流和輻射換熱問題的處理,近似值：液體加熱取1.05；液體冷卻取0.95 氣體加熱和冷卻

26、都為1.0,2.3.3 壁溫的計算,一般情況下放熱側(cè)吸熱側(cè),壁溫與換熱系數(shù)同時計算時，迭代比較法。 假設(shè)壁溫，在此基礎(chǔ)上求得換熱系數(shù)，分別求得壁面兩側(cè)的傳熱量，二者進(jìn)行比較修正壁溫，再次計算。,2.4 管殼式熱交換器的流動阻力計算,阻力來源 流體的粘性；壁面引起的流體內(nèi)部相對運(yùn)動,熱交換器的阻力分類 流體與壁面的摩擦阻力 流動過程中的局部阻力注：管側(cè)與殼側(cè)的阻力分別計算,所設(shè)計的熱交換器的壓降超出

27、允許范圍時，需修改,2.4.1 管程阻力計算,管程阻力由沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)出口連接管阻力三部分構(gòu)成，三部分阻力分別計算。各自的計算公式見書P70-71,2.4.2 殼程阻力計算,對于相同的雷諾數(shù)，殼程摩擦系數(shù)大于管程摩擦系數(shù)；殼程的壓降可能比管程小。殼程的阻力與流速、水力直徑、折流板數(shù)，流體密度等密切相關(guān)，所以要按照其類型不同分別計算。,裝有弓形折流板的殼程阻力，按照貝爾法計算具有比較好的準(zhǔn)確性。,流路分析法,根據(jù)并聯(lián)管路原理如

28、下公式：,,根據(jù)質(zhì)量守恒如下公式：,每一流路的壓降公式：,,2.5.1 流動空間選擇,原則 1. 提高傳熱系數(shù)受到限制的側(cè)的換熱系數(shù)； 2. 盡量節(jié)省材料 3. 減少各種熱損失、冷量損失； 4. 減少熱應(yīng)力 5. 不易結(jié)垢，結(jié)垢后易清洗； 6. 高壓下工作時，密封簡單 7. 便于流體的流入、分配和排出,2.5 管殼式換熱器的合理設(shè)計,管程流過液體：容積流量小，不清潔、易結(jié)垢；高壓；腐蝕性；高溫；低溫。殼程流過液體：發(fā)生

29、矛盾時，確定主要目標(biāo),2.5.2 流體溫度的確定,1） 熱端溫差小于20℃；2 ）冷端溫差小于5℃；3） 冷卻或冷凝時， 冷流體的初溫大于熱流體的凝固點；有不凝性氣體參與時，冷流體終溫要低于被冷凝氣體露點5 ℃4） 空冷時，進(jìn)口溫差要大于20 ℃5 ）多管程熱交換器避免溫度交叉,2.5.3 管徑選擇,原則： 傾向于較小的管徑，管壁要滿足壓力以及腐蝕要求；同時滿足脹管要求,2.5.4 流速選擇,使流體的流動狀態(tài)盡量保持在湍

30、流狀態(tài)，注意提高換熱系數(shù)比較小的一側(cè)的流速。,2.5.5 熱補(bǔ)償問題,1）熱交換器所有的應(yīng)力2）溫差應(yīng)力3）拉脫力,熱補(bǔ)償措施： 1）減小溫差；2）采用膨脹節(jié) 3）使管子和殼體能夠自由膨脹；4）彈性管板；5）雙套管溫度補(bǔ)償,2.5.6 管殼式熱交換器的振動與噪聲,1） 渦流脫落2） 流體彈性旋轉(zhuǎn)3） 湍流抖振,2.6 管殼式熱交換器的設(shè)計程序,作 業(yè),1. 某工廠要求設(shè)計一臺換熱器以回收工藝廢水的余熱，用于生活熱水供應(yīng)。

31、 已知：廢水的流量為21.65ｔ/ｈ，入口溫度為95℃，工作壓力0.3MPa。生活熱水用量為27.5ｔ/ｈ，市政供水溫度：冬季為5℃，夏季為15℃，水壓0.1MPa。求冬夏季生活熱水供水溫度？換熱器的允許壓降為0.03ＭＰa,2. 某工廠要求設(shè)計一臺換熱器以回收工藝廢水的余熱，用于生活熱水供應(yīng)。 已知：廢水的流量為22ｔ/ｈ，入口溫度為90℃，工作壓力0.3MPa 。生活熱水用量為27ｔ/ｈ，市政供水溫度：冬季為5℃，夏季為1

32、5℃ ，水壓0.1MPa 。求冬夏季生活熱水供水溫度？換熱器的允許壓降為0.04ＭＰa,3、某工廠要求設(shè)計一臺換熱器以回收工藝廢 水的余熱，用于生活熱水供應(yīng)。 已知：廢水的流量為20.6ｔ/ｈ，入口溫度為92℃。生活熱水用量為28.78ｔ/ｈ， ，工作壓力0.3MPa；市政供水溫度：冬季為5℃，夏季為15℃ ，水壓0.1MPa 。若夏季生活熱水的供水溫度為50℃，則冬季生活熱水的供水溫度能否達(dá)到40℃以上，具體多少度？換熱器的允許