1、 Principia and Design of Heat Exchanger Device热交换器原理与设计热交换器原理与设计山东大学能源与动力工程学院杜文静第二章第二章 管壳式换热器管壳式换热器一管壳式热交换器的结构计算结构计算的目的在于确定设备的主要结构参数和尺寸，包括：(1)计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、数目、管程数，并选择管子的排列方式等；(2)确定壳体直径；(3)计算壳程流通截面积，包括折流板类型；(4)计算进出口连接管尺寸。1.管程流通截面积基于连续性方程，质量守恒方程 所需管子数所需管子数问题问题:怎么确定管程的流速？怎么确定管程的流速？tube length换热器的管
2、子长度和壳体直径之比一般在425之间，通常是 610。如果管长过长，则应做成多流程的热交换器。Zt:管程数管程数2.壳体直径的确定 下述公式可用来粗估内径：将计算数值圆整到标准尺寸将计算数值圆整到标准尺寸根据根据 GB151-1999 中相关标准进行选择。中相关标准进行选择。3.壳程流通截面积的确定a.纵向隔板，要确定其长度。采用连续性方程。标准：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。问题问题:怎么确定壳程流速？怎么确定壳程流速？b.弓形折流板，要确定其缺口高度。标准：流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积相接近，以免因流动速度变化引起压降。问题：
3、弓形缺口处的流速如何来计算？问题：弓形缺口处的流速如何来计算？c.盘环型折流板标准：每个位置的速度都应和其他位置接近。4.4.进出口连接管进出口连接管 基于连续性方程 需将计算得到的管径，圆整到最接近的标准管径。需将计算得到的管径，圆整到最接近的标准管径。二管壳式热交换器的热力计算二管壳式热交换器的热力计算 1总传热系数 giinternal fouling resistance 管内壁的污垢热阻 goexternal fouling resistance管外壁的污垢热阻 dwthickness of tube 管壁厚度 lwthermal conductivity 管材的导热系数 d0tub
4、e outside diameter管子的内径 ditube inside diameter管子的外径 dm tube mean diameter 管子平均直径 (d0-di)/ln(do/di)2.对流换热系数和柯尔本传热因子复习几个无量纲温度 a:表面传热系数；l:特征长度；l:导热系数 Kn:运动粘度；a:热扩散率 u:流体的速度；l:特征长度；n:运动粘度St?对流换热系数和柯尔本传热因子Colburn heat transfer factor Colburn mass transfer factor1)管内无相变时a.管内对流换热系数1)湍流：Re10000低黏性流体nNuPrRe0
5、23.08.0n0.4 or n0.3高黏性流体14.0f3/18.0PrRe027.0wNu2)过渡区：Re230010000校正因子8.15Re1061Taa3）层流 Re2100，14.0/wiRe 2100，25.0/wib)回弯阻力ttiZwP242Pa,Zt管程数c)进、出口连接管阻力25.12niwPPa2.壳程阻力计算a)无折流板可直接利用直管中沿程阻力计算公式当量直径UAd4自由流通面积和湿周b)弓形折流板包括了顺流和叉流的复杂流动，有间隙泄漏、旁路等，所以很难准确地计算阻力贝尔-台华法 具体方法见课本四、管壳式热交换器的合理设计1流体在热交换器内流动空间的选择原则：1）提高
6、传热系数小的一侧的换热系数2）省材料，降低成本3）便于清洗检修4）减少和环境的热量交换5）减少受热不匀造成的热应力管内：容积流量小的，不清洁易结垢的，压力高的、有腐蚀性的，加热设备中的高温流体或低温设备中的低温流体壳体：容量大尤其是气体，刚性结构换热器中对流传热系数较大的流体，饱和蒸汽等2.流体温度和终温的确定1）热端温差 200C2）冷端温差 50C3）冷流体的初温应高于热流体的凝固点4）冷流体的终温要求低于被冷凝气体的露点以下 50C5）空冷式热交换器热流体出口和空气进口之间的温差不应低于 200C6）多管程热交换器要避免温度交叉3.管径的选择小直径管子:传热性能更好，能使单位体积的传热面
7、大；阻力增大，此外，管径减小将增加管数，使得管子与管板连接处的泄漏的可能性增大；易积污垢;大直径管子：用于气体、浑浊或黏性的液体。4.流体流动速度的选择循环水管侧 1.0 2.0 m/s壳侧 0.5 1.5 m/s新鲜水管侧 0.8 1.5m/s壳侧 0.5 1.5 m/s气体管侧 5 30m/s壳侧 2 15ms/高黏度油管侧 0.8 1.5m/s壳侧 0.3 0.8 m/s低黏度油管侧 0.8 1.8m/s壳侧 0.4 1.0 m/s当允许的压降给定，最大的速度就可以计算得到。最佳速度 投资费用和运行费用最低。5.管壳式换热器的热补偿问题 热交换器会受到因压力产生的轴向力、轴向力以及因温差产生的轴向力。另外还有在管子和管板的连接处产生的拉脱力。6.管壳式换热器的振动与噪声五.管壳式热交换器的设计程序1原始资料2定性温度，物性3热流量和质量流量（基于热平衡）4选材料5选流动方式6计算平均温差7初选传热系数 K，初算传热面积8设计热交换器的结构。包括：管径、流速、管数、管程、管距、管子排列方式、壳程、折流板数、折流板间距等9热力计算10.阻力计算11.校核传热系数传热面积12.核算壁温13.强度计算和各种热应力14.绘制图纸、编写材料表等。
