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第三章 列管換熱器設計示例,1,一、設計計算基本步驟（續(xù)）,2,(8)計算管子數和管長，對管子進行排列，確定殼體直徑 (9)根據管長與殼體直徑的比值，確定管程數： (10)計算管程和殼程壓力降，若壓力降不符合要求，調整流速，再確定管程數或折流板的間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計算壓力降直至滿足要求為止；,一、設計計算基本步驟（續(xù)）,3,(11)計算管程和殼程的對流傳熱系數，確定污垢熱阻，計算得到總傳熱系數K’，比較 初設值K與計算值K’，若K／K’＝1.15～1.25，則初選或初步設計的換熱器合適； 如果不滿足上述要求，用計算值代替初設值，從步驟(6)起，重復以上計算，直到滿足要求為止。 上述步驟為一般原則，設計換熱器時，可視具體情況靈活變動。,一、設計計算基本步驟（續(xù)）,4,二、操作條件的確定,1、換熱器內流體通入空間的選擇 在列管式換熱器中，哪一種流體走管程，哪一種流體走殼程，一般可從下列幾方面考慮： (1)不潔凈的或易結垢的流體走易于清洗的一側；對于固定管板式換熱器一般走管程；U形管換熱器，一般走殼程。 (2)粘性大的或流量小的流體，宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，一般在雷諾數(Re＜l00)以下，即可達到湍流，有利于提高傳熱系數。,5,二、操作條件的確定,1、換熱器內流體通入空間的選擇（續(xù)） (3)有腐蝕性的流體應走管程，這樣，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蝕的材料，而殼體及管外空間的其他零件都可以使用比較便宜的材料。 (4)壓力高的流體走管程，因為管子直徑小，承受壓力的能力好，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。 (5)有毒的流體走管程，減少泄漏的機會。 (6)飽和蒸汽一般走殼程，便于冷凝液的排出 (7)被冷卻的流體走殼程，便于散熱。,6,二、操作條件的確定,1、換熱器內流體通入空間的選擇（續(xù)） (8)對于固定管板式換熱器，若兩流體的溫差較大，對流傳熱系數較大者宜走管程，這樣可以降低管壁與殼壁的溫差，減少熱應力。 以上原則，在實際中不可能同時兼顧，對具體情況仔細分析，抓住主要方面。 例如首先從流體的壓力、腐蝕性以及情況等方面考慮，然后再對壓力降和傳熱系數等方面要求進行校核，以便作出較恰當的選擇。,7,二、操作條件的確定,2、流速的選擇 換熱器內流速的大小必須通過經濟核算進行選擇。 因為流速增加，傳熱系數增大，同時亦減少了污垢在管子表面沉積的可能性，降低了垢層阻力，從而使總傳熱系數提高，所需傳熱面積減少，設備投資費減少。 但隨著流速的增加，流動阻力也相應增加，動力消耗增大，使操作費用增加。 因此，選擇適宜的流速是十分重要的。表1和表2列出了一些經驗數據，可供設計時參考。,8,二、操作條件的確定,2、流速的選擇（續(xù)） 對低粘度流體，一般盡可能使Re＞l0000；對高粘件流體常按滯流設計。,9,二、操作條件的確定,2、流速的選擇（續(xù)） 流體在換熱據中合理的流速也可通過允許壓力降來決定。 在一般的情況下，由操作壓力決定一合理的壓力降，然后通過計算得到相應的流速。合理壓力降的規(guī)定可參考表3,10,二、操作條件的確定,11,二、操作條件的確定,3、載熱體的選擇（續(xù)） 在選擇時應考慮以下幾個原則： (1)載熱體能滿足工藝上的要求達到的加熱(冷卻)溫度 (2)載熱體的溫度易于調節(jié)； (3)載熱體的飽和蒸汽壓小，加熱過程不會分解； (4)載熱體的毒性?。畬υO備的腐蝕性??； (5)載熱體不易爆炸； (6)載熱體的價格低廉，來源充分。,12,二、操作條件的確定,3、載熱體的選擇（續(xù)） 工業(yè)上常用的載熱體及其適用場合列于表3，供選用時參考。,13,二、操作條件的確定,14,二、操作條件的確定,15,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定 另外在決定換熱終溫時，一般不希望冷流體的出口溫度高于熱流體的出口溫度，否則會出現反傳熱現象，當遇到達種情況時，可采用幾個換熱器串聯的方法解決。 為了合理地規(guī)定換熱終溫，可參考下述數據。,16,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定（續(xù)） (1)熱端的溫差＜20℃。 (2)冷端的溫差分三種情況考慮： ①兩種工藝流體換熱時，在一般情況下，冷端溫差＞20℃； ②兩種工藝流體換熱時，若熱流體尚需進一步加熱，則冷端溫差＞15℃； ③采用水或其他冷卻劑冷卻時，冷端溫差＞5℃。,17,二、操作條件的確定,4、換熱終溫的確定（續(xù)） 如果超出上述數據，應通過技術經濟比較來決定換熱終溫。 (3)冷卻水的出口溫度不宜太高，否則會加快水垢的生成。 對于經過良好凈化的新鮮水，出口溫度可達到45℃或稍高一些； 對于凈化較差的冷卻水，出口溫度建議不要超過40℃。,18,三、傳熱計算基本方程,1、傳熱速率方程 在穩(wěn)態(tài)下，當總傳熱系數隨溫度變化不大時 Q=KAΔtm 式中 Q——熱負荷，W； K——總傳熱系數，W／(m2·K)； A——與K對應的基準傳熱面積，m2 Δtm——有效平均溫差，K.,19,三、傳熱計算基本方程,2、熱負荷 無相變時 Q= WhCph(T1 -T2)=WcCpc(t1- t2) 式中 Wh——熱流體的流量，kg／s； Wc——冷流體的流量，kg／s； T1、T2——熱流體的進出口溫度，K或℃； t1、t2——冷流體的進出口溫度，K或℃; Cph、Cpc——熱、冷流體的換熱系數。,20,三、傳熱計算基本方程,2、熱負荷（續(xù)） 有相變時 Q= W·r 式中 W——熱或冷流體的流量，kg/s r——冷凝或蒸發(fā)潛熱，J/kg,21,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差 在無相變的純粹逆流或并流換熱器中，或一側為恒溫的其他流向的換熱器中，其有效平均溫差采用對數平均溫差,,22,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)） 當 時，可采用算術平均溫差,在其他流向的換熱器中，當無相變時，有效平均溫差為,,,,23,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)） 各種流動情況x下的校正系數可根據R和P兩個參數查圖得到，也可以用數學解析法計算得到,,,24,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)） 對應m殼程，2mn管程(m＝l，2，3……)換熱器的溫差校正系數為 當R≠1時,其中,,,25,三、傳熱計算基本方程,3、有效平均溫差（續(xù)） 當R=1時,其中,,,26,三、傳熱計算基本方程,4、總傳熱系數 基本條件(設備型號、雷諾數、流體物性等)相同時，總傳熱系數可直接采用經驗數據，否則應用傳熱膜系數的關聯式，并選擇合適的熱阻值計算得到總傳熱系數。 （1）總傳熱系數的經驗值 總傳熱系數的經驗值見表4，有關手冊中也列有其他情況下的總傳熱系數經驗值，可供設計時參考。 選擇時，除要考慮流體物性和操作條件外，還應考慮換熱器的類型。,27,三、傳熱計算基本方程,28,三、傳熱計算基本方程,2、總傳熱系數的計算 注意： 在通常的操作過程中，傳熱系數是個變量，由于污垢熱阻是變化的，因此設計中選擇污垢熱阻時，應結合清洗周期來考慮。 若污垢熱阻選得太小，清洗周期會很短，所需傳熱 面積會較??； 反之，所需傳熱面積會較大，所以應該全面衡量，作出選擇。,29,三、傳熱計算基本方程,2、總傳熱系數的計算（續(xù)） 總傳熱系數的計算公式為,式中 K——總傳熱系數，W／(m2·K)； αi、 α0——分別為管程和殼程流體的傳熱膜系數，W／(m2·K),,30,三、傳熱計算基本方程,2、總傳熱系數的計算（續(xù)）,Ri、R0——分別為管程和殼程的污垢熱阻，K／W； A、A0、Am——分別為管程、殼程及管殼平均的傳 熱面積，m2； A——任一選定的作為計算K值的基準傳熱面積，m2； λm——管壁的導熱系數，W／(m·K)； b——管壁的厚度，m。,31,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算 傳熱膜系數的關聯式與傳熱過程是否存在相變、換熱器的結構及流動狀態(tài)等因素有關； 關于傳熱膜系數的關聯式很多，在選用時應注意其適用的范圍，對傳熱膜系數的關聯式在此不作詳細的介紹，只列出常用的無相變的傳熱膜系數關聯 其他形式的傳熱膜系數關聯式可參考相關文獻。,32,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） （1）管程傳熱膜系數 1)層流流動區(qū)域 當雷諾數Re＜2300，普朗特數Pr＝0.6—6700，Re/Pr d/L＞100時，傳熱膜系數α為,,33,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） 式中 α——傳熱膜系數，W／(m2K)； λ——流體的導熱系數，W／(m·K) d——管內徑，m； u——管內流速，m／s； ρ——流體的密度，kg／m3； μ——流體的粘度，Pa·s； L——管子的長度，m； μ w——壁溫下流體的粘度，Pa·s,34,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） 定性溫度：除μ w取壁溫外，其余均取流體進出口的算術平均溫度。 2)湍流流動區(qū)域 對于低粘度流體(小于水的粘度的兩倍)，當Re＞10000，Pr= 0.7～120，d/L＞60時,式中流體被加熱時，n＝0.4；流體被冷卻時n＝0.3。,,35,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） 當d/L＜60時，必須考慮進口效應，可用下式進行校正,,36,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） 3)高粘度液體 當Re＞10000，Pr= 0.7～16700，d/L＞60時,式中 (μ/μw)0.14——考慮熱流方向的校正項 液體被加熱時， (μ/μw)0.14 ＝1.05； 液體被冷卻時， (μ/μw)0.14 ＝0.95； 對于氣體，不論是加熱還是冷卻， (μ/μw)0.14 ＝1,,37,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） 4)過渡流區(qū)域 當Re ＝2300～10000,式中 α’——過渡流區(qū)域管程傳熱膜系數； α——由前面式求得,,38,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數 當換熱器內無擋板時，殼程流體可按平行管束流動考慮，仍可用上述管程傳熱膜系數關聯式進行計算，需將式中管內徑用殼程管子當量直徑de代替即可,,,39,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(續(xù)) 當換熱器內有擋板時，對于弓形擋板，當Re=3～20000時,當Re=100～60000時,,,40,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(續(xù)) 式中 u0——基準流道截面Sm計算的流速 Sm的計算式為,,,41,三、傳熱計算基本方程,42,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(續(xù)) R——殼體半徑，m； b——弦長，b＝2Rsin(θ/2)，m； hd——弓高， hd ＝ 2Rsin2(θ/2) ,m； θ——圓心角，rad。 設計時應盡可能使sl＝s2，以減少阻力損失。,43,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(續(xù)) 對于圓盤—圓環(huán)形擋板，當Re＝3～20000時,此時,,,44,三、傳熱計算基本方程,5、傳熱膜系數的計算（續(xù)） （2）殼程傳熱膜系數(續(xù)),45,三、傳熱計算基本方程,6、傳熱污垢熱阻的確定 積存在傳熱表面的污垢，對傳熱會產生附加的熱阻，在估算總傳熱系數時，一般不能忽略。 通常選用經驗值(見表5)作為計算依據。,46,四、流體流動阻力(壓力降)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ΣΔpi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，故有,,47,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,1、管程流體阻力（續(xù)） 式中 Δp1 、Δ p2——分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降， Ft——結垢校正系數，無因次，對于φ25mm×2．5mm管子 取為1．4；對于φ 19mm×2mm管子，取為1．5 Np——管程數； Ns——殼程數； λ——摩擦阻力系數，無因次 ρ——流體的密度，kg／m3。,,,,48,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力 當殼程無擋板時，流體順著管束流動，此時殼程流體阻力可按直管阻力的方法計算，但應以當量直徑代替圓管內徑。 當殼程有擋板時，總的殼程流體阻力由流體垂直流經管束的阻力、經過擋板缺口轉向阻力和殼程出入口的阻力加和而得,49,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力（續(xù)）,,50,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力（續(xù)） 流體垂直流過管束一次的壓力降Δp1’為,,51,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力（續(xù)） 式中 M——流體垂直于管束流動時，沿流動方向上管子的排數；對于弓形擋板， M等于對角線上的管于數；對于圓盤-圓環(huán)形擋板，M等于六角形的圈數； u0——流體橫過管束流道截面積Sl處的流速；對于弓形擋板， Sl按式 計算；對于圓盤-圓環(huán)形擋板，Sl按式 計算； C——常數，與管心距a與管外徑d0的比值有關，具體數值見表6。,52,四、流體流動阻力(壓力降)的計算,2、殼程流體阻力（續(xù)）,ζ1、ζ2為局部阻力系數，其值可由表7得到,,,53,