1、應(yīng)用化工課程設(shè)計(jì)列管式換熱器冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇具體選擇冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇在換熱器中，哪一種流體流經(jīng)管程，哪一種流經(jīng)殼程，下列幾點(diǎn)可作為選擇的一般原則：a)不潔凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗方便。b)腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕。c)壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力。d)飽和蒸汽宜走殼程，因飽和蒸汽比較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無(wú)關(guān)，而且冷凝液容易排出。e)流量小而粘度大（）的流體一般以殼程為宜，因在殼程Re100即可達(dá)到湍流。但這不是絕對(duì)的，如流動(dòng)阻力損失允許，將這類流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，亦可得到較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。f)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性

2、結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力。g)需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。以上各點(diǎn)常常不可能同時(shí)滿足，應(yīng)抓住主要方面，例如首先從流體的壓力、防腐蝕及清洗等要求來(lái)考慮，然后再?gòu)膶?duì)阻力降低或其他要求予以校核選定。流速的選擇常用流速范圍流速的選擇流體在管程或殼程中的流速，不僅直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而且影響污垢熱阻，從而影響傳熱系數(shù)的大小，特別對(duì)于含有泥沙等較易沉積顆粒的流體，流速過(guò)低甚至可能導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重影響到設(shè)備的使用，但流速增大，又將使流體阻力增大。因此選擇適宜的流速是十分重要的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表4.7.1及表4.7.2列出一些工業(yè)上常用的流速范圍，以供參考。表4.7

3、.1列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類流速m/s管程殼程一般液體宜結(jié)垢液體氣體0.50.315300.21.50.5315表4.7.2液體在列管換熱器中流速（在鋼管中）液體粘度最大流速m/s150010005005001001005335110.60.751.11.51.82.4流動(dòng)方式的選擇流動(dòng)方式選擇流動(dòng)方式的選擇除逆流和并流之外，在列管式換熱器中冷、熱流體還可以作各種多管程多殼程的復(fù)雜流動(dòng)。當(dāng)流量一定時(shí)，管程或殼程越多，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，對(duì)傳熱過(guò)程越有利。但是，采用多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動(dòng)力費(fèi)用增加。因此，在決定換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。當(dāng)

4、采用多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流動(dòng)形式復(fù)雜，對(duì)數(shù)平均值的溫差要加以修正，具體修正方法見(jiàn)4.4節(jié)。換熱管規(guī)格和排列的選擇具體選擇換熱管規(guī)格和排列的選擇換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對(duì)于潔凈的流體管徑可取小些。但對(duì)于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取得大些，以免堵塞?？紤]到制造和維修的方便，加熱管的規(guī)格不宜過(guò)多。目前我國(guó)試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用和兩種規(guī)格，對(duì)一般流體是適應(yīng)的。此外，還有，572.5的無(wú)縫鋼管和252,的耐酸不銹鋼管。按選定的管徑和流速確定管子數(shù)目，再根據(jù)所需傳熱面積，求得管子長(zhǎng)度。實(shí)際所取管長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)出廠的鋼管長(zhǎng)度合理截用。我國(guó)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度多為6m、9m，故

5、系列標(biāo)準(zhǔn)中管長(zhǎng)有1.5，2，3，4.5，6和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時(shí)，管子的長(zhǎng)度又應(yīng)與管徑相適應(yīng)，一般管長(zhǎng)與管徑之比，即L/D約為46。管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種（圖4.7.11a，圖4.7.11b）。與正方形相比，等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便，對(duì)易結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的管束斜轉(zhuǎn)45安裝（圖4.7.11c），可在一定程度上提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。圖4.7.11管子在管板上的排列折流擋板折流擋板間距的具體選擇折流擋板安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋

6、板的形狀和間距必須適當(dāng)。對(duì)圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對(duì)殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。由圖4.7.12可以看出，弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生死區(qū)，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。a.切除過(guò)少b.切除適當(dāng)c.切除過(guò)多圖4.7.12擋板切除對(duì)流動(dòng)的影響擋板的間距對(duì)殼體的流動(dòng)亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過(guò)管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.21.0倍。我國(guó)系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的擋板間距為：固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七種浮頭式有100，150，200，250，300，350，450

7、（或480），600mm八種。（2）流體通過(guò)換熱器時(shí)阻力的計(jì)算換熱器管程及殼程的流動(dòng)阻力，常?？刂圃谝欢ㄔ试S范圍內(nèi)。若計(jì)算結(jié)果超過(guò)允許值時(shí)，則應(yīng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)或重新選擇其他規(guī)格的換熱器。按一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體?？刂圃?04105Pa范圍內(nèi)，對(duì)于氣體則以103104Pa為宜。此外，也可依據(jù)操作壓力不同而有所差別，參考下表。換熱器操作允許壓降P換熱器操作壓力P(Pa)允許壓降P105(表壓)0.1P0.5P5104 Pa管程阻力管程阻力可按一般摩擦阻力計(jì)算式求得。具體計(jì)算公式管程阻力損失管程阻力損失可按一般摩擦阻力計(jì)算式求得。但管程總的阻力應(yīng)是各程直管摩擦阻力、每程回彎阻力以及進(jìn)出口阻力三項(xiàng)之和。而相

8、比之下?？珊雎圆挥?jì)。因此可用下式計(jì)算管程總阻力損失：式中每程直管阻力；每程回彎阻力；Ft結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，無(wú)因次，對(duì)于的管子，F(xiàn)t=1.4，對(duì)于的管子Ft=1.5；Ns串聯(lián)的殼程數(shù)，指串聯(lián)的換熱器數(shù)；Np管程數(shù)；由此式可以看出，管程的阻力損失（或壓降）正比于管程數(shù)Np的三次方，即對(duì)同一換熱器，若由單管程改為兩管程，阻力損失劇增為原來(lái)的8倍，而強(qiáng)制對(duì)流傳熱、湍流條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只增為原來(lái)的1.74倍；若由單管程改為四管程，阻力損失增為原來(lái)的64倍，而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只增為原來(lái)的3倍。由此可見(jiàn)，在選擇換熱器管程數(shù)目時(shí)，應(yīng)該兼顧傳熱與流體壓降兩方面的得失。殼程阻力對(duì)于殼程阻力的計(jì)算，由于流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜

9、，計(jì)算公式較多，計(jì)算結(jié)果相差較大。埃索法計(jì)算公式殼程阻力損失對(duì)于殼程阻力損失的計(jì)算，由于流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，提出的計(jì)算公式較多，所得計(jì)算結(jié)果相差不少。下面為埃索法計(jì)算殼程阻力損失的公式：式中-殼程總阻力損失，；-流過(guò)管束的阻力損失，；-流過(guò)折流板缺口的阻力損失，；Fs-殼程阻力結(jié)垢校正系數(shù)，對(duì)液體可取Fs=1.15，對(duì)氣體或可凝蒸汽取Fs=1.0；Ns-殼程數(shù)；又管束阻力損失折流板缺口阻力損失式中-折流板數(shù)目；-橫過(guò)管束中心的管子數(shù)，對(duì)于三角形排列的管束，；對(duì)于正方形排列的管束，為每一殼程的管子總數(shù)；B-折流板間距，m；D-殼程直徑，m；-按殼程流通截面積或按其截面積計(jì)算所得的殼程流速，m/s；

10、F-管子排列形式對(duì)壓降的校正系數(shù)，對(duì)三角形排列F=0.5，對(duì)正方形排列F=0.3，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45，F(xiàn)=04；-殼程流體摩擦系數(shù)，根據(jù)，由圖4.7.13求出（圖中t為管子中心距），當(dāng)亦可由下式求出：因，正比于，由式4.7.4可知，管束阻力損失，基本上正比于，即若擋板間距減小一半，劇增8倍，而表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只增加1.46倍。因此，在選擇擋板間距時(shí)，亦應(yīng)兼顧傳熱與流體壓降兩方面的得失。同理，殼程數(shù)的選擇也應(yīng)如此。圖4.7.13殼程摩擦系數(shù)f0與Re0的關(guān)系列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用(續(xù))（3）列管式換熱器的設(shè)計(jì)和選用的計(jì)算步驟設(shè)有流量為去qm,h的熱流體，需從溫度T1冷卻至T2，可用的冷卻介質(zhì)入口溫度

11、t1，出口溫度選定為t2。由此已知條件可算出換熱器的熱流量Q和逆流操作的平均推動(dòng)力。根據(jù)傳熱速率基本方程：當(dāng)Q和已知時(shí)，要求取傳熱面積A必須知K和則是由傳熱面積A的大小和換熱器結(jié)構(gòu)決定的?？梢?jiàn)，在冷、熱流體的流量及進(jìn)、出口溫度皆已知的條件下，選用或設(shè)計(jì)換熱器必須通過(guò)試差計(jì)算，按以下步驟進(jìn)行。初選換熱器的規(guī)格尺寸初步選定換熱器的流動(dòng)方式，保證溫差修正系數(shù)大于0.8，否則應(yīng)改變流動(dòng)方式，重新計(jì)算。計(jì)算熱流量Q及平均傳熱溫差tm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總傳熱系數(shù)K估，初估傳熱面積A估。選取管程適宜流速，估算管程數(shù)，并根據(jù)A估的數(shù)值，確定換熱管直徑、長(zhǎng)度及排列。計(jì)算管、殼程阻力在選擇管程流體與殼程流體以及初步確

12、定了換熱器主要尺寸的基礎(chǔ)上，就可以計(jì)算管、殼程流速和阻力，看是否合理。或者先選定流速以確定管程數(shù)NP和折流板間距B再計(jì)算壓力降是否合理。這時(shí)NP與B是可以調(diào)整的參數(shù)，如仍不能滿足要求，可另選殼徑再進(jìn)行計(jì)算，直到合理為止。核算總傳熱系數(shù)分別計(jì)算管、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，確定污垢熱阻，求出總傳系數(shù)K計(jì)，并與估算時(shí)所取用的傳熱系數(shù)K估進(jìn)行比較。如果相差較多，應(yīng)重新估算。計(jì)算傳熱面積并求裕度根據(jù)計(jì)算的K計(jì)值、熱流量Q及平均溫度差tm，由總傳熱速率方程計(jì)算傳熱面積A0，一般應(yīng)使所選用或設(shè)計(jì)的實(shí)際傳熱面積AP大于A020%左右為宜。即裕度為20%左右，裕度的計(jì)算式為：換熱器的傳熱強(qiáng)化途徑如欲強(qiáng)化現(xiàn)有傳熱設(shè)備，開發(fā)新型高效的傳熱設(shè)備，以便在較小的設(shè)備上獲得更大的生產(chǎn)能力和效益，成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。依總傳熱速率方程：強(qiáng)化方法：提高K、A、均可強(qiáng)化傳熱。提高傳熱系數(shù)K熱阻主要集中于較小的一側(cè)，提高小的一側(cè)有效。降低污垢熱阻提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高的方法：無(wú)相變化傳熱：1）加大流速；2）人工粗造表面；3）擾流元件。有相變化傳