1、.列管式換熱器的設(shè)計列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。同時板式換熱器也已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。為此本章對這兩類換熱器的工藝設(shè)計進(jìn)行介紹。列管式換熱器的設(shè)計資料較完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。目前我國列管式換熱器的設(shè)計、制造、檢驗、驗收按“鋼制管殼式(即列管式)換熱器”(GB151)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 列管式換熱器的設(shè)計和分析包括熱力設(shè)計、流動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強(qiáng)度設(shè)計。其中以熱力設(shè)計最為重要。不僅在設(shè)計一臺新的換熱器時需要進(jìn)行熱力設(shè)計，而且對于

2、已生產(chǎn)出來的，甚至已投人使用的換熱器在檢驗它是否滿足使用要求對，均需進(jìn)行這方面的工作。 熱力設(shè)計指的是根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運行參數(shù)，并根據(jù)傳熱學(xué)的知識進(jìn)行傳熱計算。 流動設(shè)計主要是計算壓降，其目的就是為換熱器的輔助設(shè)備例如泵的選擇做準(zhǔn)備。當(dāng)然，熱力設(shè)計和流動設(shè)計兩者是密切關(guān)聯(lián)的，特別是進(jìn)行熱力計算時常需從流動設(shè)計中獲取某些參數(shù)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計指的是根據(jù)傳熱面積的大小計算其主要零部件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數(shù)、殼體的直徑、折流板的長度和數(shù)目、隔板的數(shù)目及布置以及連接管的尺寸，等等。在某些情況下還需對換熱器的主要零部件特別是受壓部件做應(yīng)力計算，并校核其強(qiáng)度。對于在高溫高壓下工

3、作的換熱器，更不能忽視這方面的工作。這是保證安全生產(chǎn)的前提。在做強(qiáng)度計算時，應(yīng)盡量采用國產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)材料和部件，根據(jù)我國壓力容器安全技術(shù)規(guī)定進(jìn)行計算或校核(該部分內(nèi)容屬設(shè)備計算，此處從略)。 列管式換熱器的工藝設(shè)計主要包括以下內(nèi)容： 根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計方案； 初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； 核算換熱器的傳熱面積和流體阻力； 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。 1.1設(shè)計方案的確定 1.1.1換熱器類型的選擇 （1）固定管板式換熱器 這類換熱器如圖2-1(a)所示。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難

4、，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于50時，應(yīng)在殼體上設(shè)置溫差補(bǔ)償膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形可以減少溫差應(yīng)力。膨脹節(jié)的形式較多，常見的有U形、平板形和形等幾種。由于U形膨脹節(jié)的撓性與強(qiáng)度都比較好，所以使用得最為普遍。當(dāng)管子和殼體的壁溫差大于60和殼程壓強(qiáng)超過0.6MPa時，由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。由此可見，這種換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。 （2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器針對固定管板式的缺陷做了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端則可相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭，如圖2-1

5、(b)所示。換熱器管束膨脹不受殼體約束，所以殼體與管束之間不會由于膨脹量的不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。而且在清洗和檢修時，僅需將管束從殼體中抽出即可，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。但該類換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，造價約比固定管板式高20左右，材料消耗量大，而且由于浮頭的端蓋在操作中無法檢查，所以在制造和安裝時要特別注意其密封，以免發(fā)生內(nèi)漏，管束和殼體的間隙較大，在設(shè)計時要避免短路。至于殼程的壓力也受滑動接觸面的密封限制。 （3）填料函式換熱器 此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封，如圖2-1(C)所示。它的管束也可自由膨脹，所以管殼之間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程

6、和殼程都能清洗，結(jié)構(gòu)較浮頭式簡單，造價較低，加工制造方便，材料消耗較少。但由于填料密封處易于泄漏，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。（4）U型管換熱器 U形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均固定于同一管板上，如圖2-1(d)所示。這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好；承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存

7、在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形，價格比固定管板式高10。 (a)(b)(c)圖2-1 幾種列管式換熱器的結(jié)構(gòu) 1管箱; 2封頭; 3管箱或封頭; 4管箱蓋板; 5封頭接管; 6固定管板; 7管子; 8殼體; 9殼蓋; 10殼體法蘭(固定端); 11殼體法蘭(后蓋端); 12殼體接管; 13殼蓋法蘭; 14膨脹節(jié); 15浮動管板;? 16浮頭蓋; 17浮頭法蘭;單位18浮頭襯托構(gòu)件; 19部分剪切環(huán); 20活套靠背

8、法蘭; 21浮頭蓋(外部); 22浮動管板套; 23填料函法蘭; 24填料; 25填料壓蓋; 26拉桿和定距管; 27橫向折流板或支撐板; 28緩沖擋板; 29縱向折流板; 30分程隔板; 31排氣接口; 32排液接口; 33儀表接口; 34鞍式支座; 35吊環(huán); 36懸掛式支座 1.1.2 流動空間的選擇 在管殼式換熱器的計算中，首先需決定何種流體走管程，何種流體走殼程，這需遵循一些一般原則。 應(yīng)盡量提高兩側(cè)傳熱系數(shù)較小的一個，使傳熱面兩側(cè)的傳熱系數(shù)接近。 在運行溫度較高的換熱器中，應(yīng)盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應(yīng)盡量減少其冷量損失。 管、殼程的決定應(yīng)做到便于清洗除垢和修理，以保證

9、運行的可靠性。 應(yīng)減小管子和殼體因受熱不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。從這個角度來說，順流式就優(yōu)于逆流式，因為順流式進(jìn)出口端的溫度比較平均，不像逆流式那樣，熱、冷流體的高溫部分均集中于一端，低溫部分集中于另一端，易于因兩端脹縮不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 對于有毒的介質(zhì)或氣相介質(zhì)，必使其不泄漏，應(yīng)特別注意其密封，密封不僅要可靠，而且還應(yīng)要求方便及簡單。 應(yīng)盡量避免采用貴金屬，以降低成本。 以上這些原則有些是相互矛盾的，所以在具體設(shè)計時應(yīng)綜合考慮，決定哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程。 （1）宜于通入管內(nèi)空間的流體 不清潔的流體 因為在管內(nèi)空間得到較高的流速并不困難，而流速高，懸浮物不易沉積，且管內(nèi)空間也便于清洗。

10、 體積小的流體 因為管內(nèi)空間的流動截面往往比管外空間的截面小，流體易于獲得必要的理想流速，而且也便于做成多程流動。 有壓力的流體 因為管子承壓能力強(qiáng)，而且還簡化了殼體密封的要求。 腐蝕性強(qiáng)的流體 因為只有管子及管箱才需用耐腐蝕材料，而殼體及管外空間的所有零件均可用普通材料制造，所以造價可以降低。此外，在管內(nèi)空間裝設(shè)保護(hù)用的襯里或覆蓋層也比較方便，并容易檢查。 與外界溫差大的流體 因為可以減少熱量的逸散。 （2）宜于通入管間空間的流體 當(dāng)兩流體溫度相差較大時，值大的流體走管間，這樣可以減少管壁與殼壁間的溫度差，因而也減少了管束與殼體間的相對伸長，故溫差應(yīng)力可以降低。 若兩流體給熱性能相差較大時，

11、值小的流體走管間，此時可以用翅片管來平衡傳熱面兩側(cè)的給熱條件，使之相互接近。 和蒸汽 對流速和清理無甚要求，并易于排除冷凝液。 粘度大的流體 管間的流動截面和方向都在不斷變化，在低雷諾數(shù)下，管外給熱系數(shù)比管內(nèi)的大。 泄漏后危險性大的流體 可以減少泄漏機(jī)會，以保安全。 此外，易析出結(jié)晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流體，最好通入比較更容易進(jìn)行機(jī)械清洗的空間。在管殼式換熱器中，一般易清洗的是管內(nèi)空間。但在U形管、浮頭式換熱器中易清洗的都是管外空間。 1.1.3 流速的確定 當(dāng)流體不發(fā)生相變時，介質(zhì)的流速高，換熱強(qiáng)度大，從而可使換熱面積減少、結(jié)構(gòu)緊湊。成本降低，一般也可抑止污垢的產(chǎn)生。但流速大也會帶來

12、一些不利的影響，諸如壓降P增加，泵功率增大，且加劇了對傳熱面的沖刷。換熱器常用流速的范圍見表2-2和表2-3。 表2-2 換熱器常用流速的范圍 ? 介質(zhì) 循環(huán)水 新鮮水 一般液體 易結(jié)垢液體 低粘度油 高粘度油 氣體 流速 管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530殼程流速，m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.30.8215表2-3 列管式換熱器易燃、易爆液體和氣體允許的安全流速 液體名稱 乙醚、二氧化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮 氫氣 安全流速，m/s123管子布置方式 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機(jī)械清洗；同心

13、圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結(jié)構(gòu)更為緊湊。我國換熱器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮頭式則以正方形錯列排列居多，也有正三角形排列。 對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板上兩管子中心的距離a稱為管心距（或管間距）。管心距取決于管板的強(qiáng)度、清洗管子外表面時所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。當(dāng)管子采用焊接方法固定時，相鄰兩根管的焊縫太近，會相互受到影響，使焊接質(zhì)量不易保證。而常用脹接法固定時，過小的管心距會造成管板在脹接時由于擠壓力的作用發(fā)生變形，失去管子與管板之間的連接力。 根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗

14、，當(dāng)管子外徑為d0時，管心距a一般采用： 焊接法? a = 1.25 do；脹接法? a = （1.301.50）do； 小直徑的管子? a do+10mm； 最外層管中心至殼體內(nèi)表面的距離 d0+10mm； 管子材料常用的為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金等。應(yīng)根據(jù)工作壓力。溫度和介質(zhì)腐蝕性等條件決定。此外還有一些非金屬材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。在設(shè)計和制造換熱器時，正確選用材料很重要。既要滿足工藝條件的要求，又要經(jīng)濟(jì)。對化工設(shè)備而言，由于各部分可采用不同材料，應(yīng)注意由于不同種類的金屬接觸而產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕作用。 （2） 管板 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并

15、將管程和殼程的流體分隔開來。 管板與管子的連接可脹接或焊接。脹接法是利用脹管器將管子擴(kuò)脹，產(chǎn)生顯著的塑性變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封緊固的目的。脹接法一般用在管子為碳素鋼，管板為碳素鋼或低合金鋼，設(shè)計壓力不超過4 MPa，設(shè)計溫度不超過350的場合。焊接法在高溫高壓條件下更能保證接頭的嚴(yán)密性。 管板與殼體的連接有可拆連接和不可拆連接兩種。固定管板常采用不可拆連接。兩端管板直接焊在外殼上并兼作法蘭，拆下頂蓋可檢修脹口或清洗管內(nèi)。浮頭式、U型管式等為使殼體清洗方便，常將管板夾在殼體法蘭和頂蓋法蘭之間構(gòu)成可拆連接。 （3） 封頭和管箱 封頭和管箱位于殼體兩端，其作用是控制及分配管程流體。 封

16、頭 當(dāng)殼體直徑較小時常采用封頭。接管和封頭可用法蘭或螺紋連接，封頭與殼體之間用螺紋連接，以便卸下封頭，檢查和清洗管子。 管箱 換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱,殼徑較大的換熱器大多采用管箱結(jié)構(gòu)。由于清洗、檢修管子時需拆下管箱，因此管箱結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。如圖2-3(a)所示的管箱結(jié)構(gòu)，在清洗時必須拆下外部管道；若改為圖2-3(b)的管箱結(jié)構(gòu)，由于為側(cè)向接管，則不必拆下外部管道就可以將管箱拆下；圖2-3(c)所示結(jié)構(gòu)是將管箱上蓋做成可拆的，清洗或檢修時只需拆卸蓋子即可，不必拆管箱，但需要增加一對法蘭連接。 (a) (b) (c)圖2-3 管箱的結(jié)構(gòu) 分程隔板 當(dāng)需要的換熱面很大時，可采用多管程換熱

17、器。對于多管程換熱器，在管箱內(nèi)應(yīng)設(shè)分程隔板，將管束分為順次串接的若干組，各組管子數(shù)目大致相等。這樣可提高介質(zhì)流速，增強(qiáng)傳熱。管程多者可達(dá)16程，常用的有2、4、6程，其布置方案見表2-5。在布置時應(yīng)盡量使管程流體與殼程流體成逆流布置，以增強(qiáng)傳熱，同時應(yīng)嚴(yán)防分程隔板的泄漏，以防止流體的短路。 表2-5 平行與T形的管程分程表程數(shù) 1246流動順序 管箱隔板 介質(zhì)返回側(cè)隔板 1.2.2 殼程結(jié)構(gòu) 介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內(nèi)對各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來滿足設(shè)計

18、的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側(cè)介質(zhì)對傳熱管最有效的流動，來提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護(hù)列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖板等。 （1）殼體 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進(jìn)人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯(lián)也可得

19、到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。 殼體內(nèi)徑D取決于傳熱管數(shù)N、排列方式和管心距t。計算式如下： 單管程 D=t(nc-1)+(23)d0(2-1)式中 t管心距，mm； d0換熱管外徑，mm； nc橫過管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列方式有關(guān)。 正三角形排列： 2-2)正方形排列： 2-3)多管程(2-4)式中 N排列管子數(shù)目； 管板利用率。 正角形排列：2管程 =0.70.854管程? =0.60.8正方形排列：2管程 =0.550.74管程? =0.450.65殼體內(nèi)徑D的計算值最終應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)值。 （2）折流板 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流

20、過管束，增加流體速度，以增強(qiáng)傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。圓缺形折流板又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種，如圖2-4(a)、(b)所示。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比)通常為2050。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，如圖2-5，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 環(huán)盤型折流板如圖2-4(C)所示，是由圓板和環(huán)形板組成的，壓降較小，但傳熱也差些。在環(huán)形板

21、背后有堆積不凝氣或污垢，所以不多用。 孔流型折流板使流體穿過折流板孔和管子之間的縫隙流動，壓降大，僅適用于清潔流體，其應(yīng)用更少。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 （3）緩沖板 在殼程進(jìn)口接管處常裝有防沖擋板，或稱緩沖板。它可防止進(jìn)口流體直接沖擊管束而造成管子的侵蝕和管束振動，還有使流體沿管束均勻分布的作用。也有在管束兩端放置導(dǎo)流筒，不僅起防沖板的作用，還可改善兩端流體的分布，提高傳熱效率。 （4）其他主要附件 旁通擋板 如果殼體和管束之間間隙過大，則流體不通過管束而通過這個間隙

22、旁通，為了防止這種情形，往往采用旁通擋板。 假管 為減少管程分程所引起的中間穿流的影響，可設(shè)置假管。假管的表面形狀為兩端堵死的管子，安置于分程隔板槽背面兩管板之間但不穿過管板，可與折流板焊接以便固定。假管通常是每隔34排換熱管安置一根。 拉桿和定距管 為了使折流板能牢靠地保持在一定位置上，通常采用拉桿和定距管。 (a) (b)(c)圖2-4 折流板型式 (a)水平圓缺? (b)垂直圓缺? (c)環(huán)盤形 (a)(b) 圖2-5 弓形折流板型式 (a)單弓形 (b)雙弓形 （5）殼程接管 殼程流體進(jìn)出口的設(shè)計直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大

23、的沖刷，所以常將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用，如圖2-6所示；或者在換熱器進(jìn)口處設(shè)置擋板，其結(jié)構(gòu)如圖2-7、圖2-8、圖2-9所示。 圖2-7左圖的結(jié)構(gòu)為筒形，常稱為導(dǎo)流筒，它可將加熱蒸汽或流體導(dǎo)至靠近管板處才進(jìn)入管束間，更充分地利用換熱面積，目前常用這種結(jié)構(gòu)來提高換熱器的換熱能力。通常采用的擋板還有圓形和方形，圖2-8為圓形擋板，為了減少流動阻力，擋板與換熱器殼壁的距離e不小于30mm，至少應(yīng)保持此處的通道截面積不小于流體進(jìn)口接管的截面積。若距離太大會妨礙管子的排列，減少傳熱面積。當(dāng)需要加大流道時，可在擋板上開些圓孔。圖2-9是方形擋板，上面開了小孔以增大流體

24、通過的截面積。 圖2-6? 緩沖接管 圖2-7 殼程入口擋板 圖2-8 圓形擋板 圖2-9 方形擋板 1.3 列管式換熱器的設(shè)計計算 1.3.1 設(shè)計步驟 目前，我國已制訂了管殼式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計中應(yīng)盡可能選用系列化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這樣可簡化設(shè)計和加工。但是實際生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，當(dāng)系列化產(chǎn)品不能滿足需要時，仍應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的具體要求自行設(shè)計非系列標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。此處將扼要介紹這兩者的設(shè)計計算的基本步驟。 （1）非系列標(biāo)準(zhǔn)換熱器的一般設(shè)計步驟 了解換熱流體的物理化學(xué)性質(zhì)和腐蝕性能。 由熱平衡計算傳熱量的大小，并確定第二種換熱流體的用量。 決定流體通入的空間。 計算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。

25、 初算有效平均溫差。一般先按逆流計算，然后再校核。選取管徑和管內(nèi)流速。計算傳熱系數(shù)K值，包括管程對流傳熱系數(shù)和殼程對流傳熱系數(shù)的計算。由于殼程對流傳熱系數(shù)與殼徑、管束等結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此一般先假定一個殼程對流傳熱系數(shù)，以計算K值，然后再作校核。 初估傳熱面積。考慮安全系數(shù)和初估性質(zhì)，常取實際傳熱面積是計算值的1.151.25倍。 選擇管長L。計算管數(shù)N。校核管內(nèi)流速，確定管程數(shù)。 畫出排管圖，確定殼徑D和殼程擋板形式及數(shù)量等。 校核殼程對流傳熱系數(shù)。 校核有效平均溫差。 校核傳熱面積，應(yīng)有一定安全系數(shù)，否則需重新設(shè)計。 計算流體流動阻力。如阻力超過允許范圍，需調(diào)整設(shè)計，直至滿意為止。 （2）系列標(biāo)

26、準(zhǔn)換熱器選用的設(shè)計步驟 至步與(1)相同。 選取經(jīng)驗的傳熱系數(shù)K值。 計算傳熱面積。由系列標(biāo)準(zhǔn)選取換熱器的基本參數(shù)。 校核傳熱系數(shù)，包括管程、殼程對流傳熱系數(shù)的計算。假如核算的K值與原選的經(jīng)驗值相差不大，就不再進(jìn)行校核；如果相差較大，則需重新假設(shè)K值并重復(fù)上述以下步驟。 校核有效平均溫差。校核傳熱面積，使其有一定安全系數(shù)，一般安全系數(shù)取1.1 1.25，否則需重行設(shè)計。 計算流體流動阻力，如超過允許范圍，需重選換熱器的基本參數(shù)再行計算。 從上述步驟來看，換熱器的傳熱設(shè)計是一個反復(fù)試算的過程，有時要反復(fù)試算23次。所以，換熱器設(shè)計計算實際上帶有試差的性質(zhì)。 2.3.2 傳熱計算主要公式 傳熱速率

27、方程式 Q=KStm (2-5)式中? Q傳熱速率(熱負(fù)荷)，W； K總傳熱系數(shù)，W/(m2)； S與K值對應(yīng)的傳熱面積，m2； tm平均溫度差，。 （1）傳熱速率(熱負(fù)荷)Q傳熱的冷熱流體均沒有相變化，且忽略熱損失，則 Q=Whcph(T1-T2)=Wccpc(t2-t1) (2-6)式中? W流體的質(zhì)量流量，kg/h或kg/s； cp流體的平均定壓比熱容，kJ/(kg)； T熱流體的溫度，； ?t冷流體的溫度，。 下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流體，下標(biāo)1和2分別表示換熱器的進(jìn)口和出口。 流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，且冷凝液在飽和溫度下排出，則 Q=Whr=Wccpc(t2-tl) (2-

28、7)式中? W飽和蒸汽的冷凝速率，kg/h或kg/s； r飽和蒸汽的氣化熱，kJ/kg。 （2）平均溫度差tm恒溫傳熱時的平均溫度差 tm=T-t(2-8)變溫傳熱時的平均溫度差 逆流和并流 2-9) (2-10)式中 t1、t2分別為換熱器兩端熱、冷流體的溫差，。 錯流和折流 2-11)式中? 按逆流計算的平均溫差，； 溫差校正系數(shù)，無量綱， (2-12)(2-13)溫差校正系數(shù)根據(jù)比值P和R，通過圖2-10圖2-13查出。該值實際上表示特定流動形式在給定工況下接近逆流的程度。在設(shè)計中，除非出于必須降低壁溫的目的，否則總要求，如果達(dá)不到上述要求，則應(yīng)改選其他流動形式。 （4） 總傳熱系數(shù)K(

29、以外表面積為基準(zhǔn))（5） 注意在通常的操作過程中，傳熱系數(shù)是個變量，由于污垢熱阻是變化的，因此設(shè)計中選擇污垢熱阻時，應(yīng)結(jié)合清洗周期來考慮。若污垢熱阻選得太小，清洗周期會很短，所需傳熱面積會較?。环粗?，所需傳熱面積會較大，所以應(yīng)該全面衡量，做出選擇。總傳熱系數(shù)的計算公式為： 圖2-10 對數(shù)平均溫差校正系數(shù)t圖2-11對數(shù)平均溫差校正系數(shù)t圖2-12 對數(shù)平均溫差校正系數(shù)t圖2-13 對數(shù)平均溫差校正系數(shù)t(2-14)式中 K總傳熱系數(shù)，W/(m2)； i，o傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)，W/(m2)； Rsi，Rso傳熱管內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻，m2/W； di，do，dm傳熱管內(nèi)徑、外

30、徑及平均直徑，m； 傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)； b傳熱管壁厚，m。 總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值見表2-6，有關(guān)手冊中也列有其他情況下的總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值，可供設(shè)計時參考。選擇時，除要考慮流體物性和操作條件外，還應(yīng)考慮換熱器的類型。 表2-6 總傳熱系數(shù)的選擇 管 程 殼 程 總傳熱系數(shù)/W/（m2K） 水（流速為0.91.5m/s） 水（流速為0.91.5m/s） 582698水 水（流過較高時） 8141163冷水 輕有機(jī)物0.5mPas467814冷水 中有機(jī)物0.5l mPas290698冷水 重有機(jī)物l mPas116467鹽水 輕有機(jī)物0.5mPas233582有機(jī)溶劑 有機(jī)溶劑0.30.

31、55mPas198233輕有機(jī)物0.5mPas輕有機(jī)物0.5mPas233465中有機(jī)物0.5l mPas中有機(jī)物0.5l mPas116349重有機(jī)物l mPas重有機(jī)物l mPas58233水（流速為1m/s） 水蒸氣（有壓力）冷凝 23264652水 水蒸氣（常壓或負(fù)壓）冷凝 17453489水溶液2mPas水蒸氣冷凝 11631071水溶液2mPas水蒸氣冷凝 5822908有機(jī)物0.5mPas水蒸氣冷凝 5821193有機(jī)物0.5l mPas水蒸氣冷凝 291582有機(jī)物1mPas水蒸氣冷凝 114349水 有機(jī)物蒸汽及水蒸氣冷凝 5821163水 重有機(jī)物蒸汽（常壓）冷凝 1163

32、49水 重有機(jī)物蒸汽（負(fù)壓）冷凝 58174水 飽和有機(jī)溶劑蒸汽（常壓）冷凝 5821163水 含飽和水蒸氣的氯氣（50） 174349水 SO2冷凝 8141163水 NH3冷凝 698930水 氟里昂冷凝 756（4）對流傳熱系數(shù) 傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式與傳熱過程是否存在相變、換熱器的結(jié)構(gòu)及流動狀態(tài)等因素有關(guān)。關(guān)于傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式很多，在選用時應(yīng)注意其適用的范圍。具體形式見表2-7及表2-8。 表2-7 流體無相變時的對流傳熱系數(shù) 流動狀態(tài) 關(guān) 聯(lián) 式 適 用 條 件 強(qiáng)制對流 有夾套的槽 m=0.67? 有盤管的槽 m=0.62攪拌器 換熱器 渦流 槳式 推進(jìn)式 錨式 夾套的a 0.620

33、.360.540.46蛇管的a 1.50.870.83裝有攪拌器的圓槽 定性溫度：取槽內(nèi)液體的平均溫度 Re=d2n/ , Nu=D/D:容器（攪拌器）直徑 d:攪拌器漿葉直徑 管內(nèi)強(qiáng)制對流 圓直管內(nèi)湍流 低粘度流體； 流體被加熱n=0.4,被冷卻n=0.3;Re10000, 0.7Pr60L/di10000, 0.7Pr60定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值(W取壁溫)圓直管內(nèi)滯流 管徑較小，流體與壁面溫度差較小， /較大；Re2300, 0.6Pr100; 特征尺寸：di 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值(W取壁溫)圓直管內(nèi)過渡流 2300Re3000特征尺寸：管外徑do 流速取通道

34、最狹窄處。 管間流動 殼方流體圓缺擋板（25%）, Re=21031106特征尺寸：當(dāng)量直徑de 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值(W取壁溫)用前面的管內(nèi)強(qiáng)制湍流或?qū)恿鞴接嬎?但要用當(dāng)量直徑de代替d。 無折流擋板 圓缺形折流擋板 Re=1026104特征尺寸：當(dāng)量直徑de 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值(W取壁溫)盤環(huán)形折流擋板 Re=31022104特征尺寸：當(dāng)量直徑de 定性溫度：流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值(W取壁溫)表2-8 流體相變對流傳熱系數(shù) 流動狀態(tài) 關(guān) 聯(lián) 式 適 用 條 件 蒸? 汽? 冷? 凝 垂直管外膜滯流 特征尺寸：垂直管的高度 定性溫度：tm=(tw+ts

35、)/2kcsjImages 水平管束外冷凝 n水平管束在垂直列上的管數(shù)，膜滯流 特征尺寸：管外徑do（6） 污垢熱阻 （7） 在設(shè)計換熱器時，必須采用正確的污垢系數(shù)，否則熱交換器的設(shè)計誤差很大。因此污垢系數(shù)是換熱器設(shè)計中非常重要的參數(shù)。污垢熱阻因流體種類、操作溫度和流速等不同而各異。常見流體的污垢熱阻參見表2-9和表2-10。 （8） 表2-9 流體的污垢熱阻加熱流體溫度， 115115205水的溫度，25水的流速，(m/s)1.01.0污垢熱阻，(m2/W)海水 0.859810-41.719710-4自來水、井水、鍋爐軟水 1.719710-43.439410-4蒸餾水 0.859810-

36、40.859810-4硬水 5.159010-48.598010-4河水 5.159010-43.439410-46.878810-45.159010-4表2-10流體的污垢熱阻 流體名稱 污垢熱阻m2/W流體名稱 污垢熱阻m2/W流體名稱 污垢熱阻m2/W有機(jī)物蒸汽 0.859810-4有機(jī)物 1.719710-4石腦油 1.719710-4溶劑蒸汽 1.719710-4鹽水 1.719710-4煤油 1.719710-4天然氣 1.719710-4熔鹽 0.859810-4汽油 1.719710-4焦?fàn)t氣 1.719710-4植物油 5.159010-4重油 8.598010-4水蒸汽 0.859810-4原油 (3.439412.098)10-4瀝青油 1.719710-3空氣 3.439410-4柴油 (3.43945.1590)10-41.3.3 流體流動阻力計算主要公式 流體流經(jīng)列管式換熱器時由于流動阻力而產(chǎn)生一定的壓力降，所以換熱器的設(shè)計必須滿足工藝要求的壓力降。一般合理壓力降的范圍見表2-11。表2-11合理壓力降的選取操作情況 操作壓力p/MPa合理的壓力降p /MPa減 壓00.1（絕壓）P/10低 壓00.07（表壓