管壳式热交换器

• 理想管束：管子与折流板上的管孔之间、壳体内壁与 折流板的外缘之间、壳体内壁与管束外缘之间均无间 隙的换热管束
廷克（Tinker）壳侧流体流动模型
A－管孔泄漏
B－横向冲刷管束 的流路
C－管束最外层管 子与壳体间旁路
D－折流板与壳体 的间隙
E－分程隔板造成 的旁路
流路A：该流路相对管束轴，主要是平行流。对传热也 有效，因为它与传热管能有效地紧密接触。但B>A。
arccos(
Ds 2h DL
)
2
arccos(
Ds 2h DL
)
折流板切开中心角（单位：弧度）
2 arccos(1 2h ) Ds
正方形排列或正方形转角排列时，两折流板间错流的流通截面积：
Ac
ls
Ds
DL
( DL sn
do
)(s
do)
三角形排列时：
Ac
ls
Ds
2.1 管程流通截面积：管子尺寸、数目及 程数，管子排列方式确定；
2.2 壳体直径 2.3 壳程流通截面积：纵向隔板或折流板
数目与尺寸 2.4 进出口接管尺寸
2.1 管程流通截面积的计算
单管程流通截面积： 所需换热管管数： 所需换热管管长：
At = M t t wt n= 4At di2
L= F n d
4. 管壳式换热器的流动阻力计算
4.1 管程阻力计算 4.2 壳程阻力计算
表2.10 管壳式换热器允许的压降范围
换热器操作压力(Pa)
允许压降(Pa)
P<105(绝对压力)
ΔP=0.1P
P=0~105(表压)
ΔP=0.5P
P>105(表压)
ΔP<5×104
4.1 管程阻力
Pt Pi Pr PN
第二章 管壳式热交换器
1. 管壳式换热器的类型、标准与结构 2. 管壳式换热器的结构计算 3. 管壳式换热器的传热计算 4. 管壳式换热器的流动阻力计算 5. 管壳式热交换器的合理设计 6. 管壳式热交换器的设计程序 7. 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点 8. 高温、低温热交换器综述
2.管壳式换热器的结构计算
管内流动公式计算；
de = 4A U
盘形折流板—Re=3~2×104时,
odo f
=2.08de0.6
Gm d
f
o
0.6
1
Pr 3
f w
0.14
平均质量速度： Gm = M s As
弓形折流板—贝尔法
• 贝尔法的思想:假定全部壳程流体都以错流形式通过理 想管束，求得传热因子，再根据热交换器结构参数及 操作条件不同，引入各项修正因子。
w
wC p
Pr2/3 ( )0.14 w
管内换热系数
按照流态选择合适的经验公式（准则方
程式）, 表2.8 Nu＝f（Re, Pr）
Nu c Rem Prn
de = 4A U
查图2.26 jh～Re关系曲线图
Pr 0.7,l d 24
管外换热系数
无折流板—按纵向流过管束考虑，依当量直径按
冷流体的平均温度： tm2 t2 Fc (t2 - t2 )
Fc —卡路里分数，建议取值： 壳侧流体被管侧水冷却时，0.3 壳侧流体被管侧水蒸汽加热时，0.55 壳侧和管侧均为油时，0.45 粘度在10－3Pa·s的低粘性液体，0.5
定型尺寸
— 对流体运动或传热发生主导影响的尺寸
• 管内径 di • 管外径 do • 当量直径 de 4A U
jr
jo jH jc jl jb js jr
jH f Res , do , s, 排列方式 jc f Fc
jl
f
Asb Atb Ac
, Asb Asc , Res
Res 20，jr jr*
20< Res <100, jr
f
DL
( DL
s
do
)(s
do )
壳体内壁
布管限定圆
ls－折流板间距 s－管间距
壳程所需的基准流通截面积：
As = Ab Ac
用于计算壳程流速
2.4 进出口连接管直径的计算
D 4M 1.13 M 圆整
w
w
标准管径
注意问题： 1. 接管应与壳体内表面平齐，尽量沿换热器的径向或轴向设置； 2. 设计温度等于或高于300℃时，接管应采用对焊法兰； 3. 必要时应设置温度计接口、压力表接口及液面计接口； 4. 对于不能利用接管（或接口）进行放气和排液的热交换器，应
4 As
Ds2 nt do2
2）弓形折流板
缺口处流通截面积Ab＝缺口总截面积Awg－缺口处管子所占面积Awt
Ab Awg Awt
Awg
Ds2 4
1
2
(1
2h ) sin
Ds
2
Awt
do2
8
nt (1 Fc )
错流区内管子数占总管数的百分数 ：
Fc
1
2( Ds 2h) sin DL
,
Asb Asb Atb
校正3—C、E流路泄漏
Nss—每一错流区内旁 路挡板对数； Nc—错流区内管排 数，从图纸读出或式 2.34； Fbp—错流面积中旁 流面积所占分数（计 算式2.36或2.37）
jb f Fbp , Nss Nc , Res
校正4—进出口折流板间距不等校正
js
Fc
nt
dH－do
错流区管子数所占百分数
折流板外缘与壳体内壁之间 的泄露面积（式2.39 ）
Asb
Ds
Ds
2
Db
acr
cos 1
2h Ds
贝尔法计算过程
理想管束的传热因子jH 校正1—非完全错流折
流板缺口校正因子jc 校正2 —A、D流路泄
漏折流板泄漏校正因 子jl 校正3—C、E流路泄 漏管束旁通校正因子jb 校正4—进出口折流板 间距不等校正 js 校正5—逆向温度梯度
3. 管壳式换热器的传热计算
• 目的：使设计的热交换器能在传热系数、 传热面积、平均温差等方面的综合结果满 足传热方程式的要求
3.1 传热系数的确定； 3.2 换热系数的确定； 3.3 壁温的计算。
3.1 传热系数的确定
三种方法： 选用经验数据 根据经验或参考书,选用工艺条件相
仿、设备类型相似的数据。附录A
Ncw 0.8h / sp
与换热系数有关的几个问题
定性温度 定型尺寸 粘度修正 同时存在对流换热与辐射换热
定性温度
• 取流体的平均温度
tf
1 t t
2
• 取壁面温度 tw • 取流体和壁面的平均温度
t
1 2 (t f
tw)
• 卡路里温度（Caloric Temperature）
油类及其他高粘性流体 热流体的平均温度： tm1 t1 Fc (t1 - t1)
在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，最小 公称直径为20 mm； 5. 立式热交换器可设置溢流口。
第二章 管壳式热交换器
1. 管壳式换热器的类型、标准与结构 2. 管壳式换热器的结构计算 3. 管壳式换热器的传热计算 4. 管壳式换热器的流动阻力计算 5. 管壳式热交换器的合理设计 6. 管壳式热交换器的设计程序 7. 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点 8. 高温、低温热交换器综述
大于400mm时，卷制而成，以100mm（必要时以50mm）为进 级档
2.3 壳程流通截面积的计算
• 确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸 • 基本原则：使流体在各处的流速基本相等。
1）纵向隔板
壳程流通截面积： As M s s ws
每一流程的流通截面积：
As
4Zs
Ds2
nt
d
2 o
流程数：
Zs
管程总阻力
沿程阻力
回弯阻力
进、出口连接管阻力
Pi
L di
wt2
2
i
Pr
4
wt2
2
Zt
PN
1.5
wn2
2
莫迪（Moody） 圆管摩擦系数
Pi
4 fi
L di
wt2
2
i
范宁（Fanning） 摩擦系数
f /4
管内流体粘度校正因子
当Re>2100时, i w 0.14
当Re<2100时, i w 0.25
（6）计算另一侧的单位面积传热量q2。 如果q1=q2，结束，否则返回（1）重新假设。
q2 tw2 t2
1
2
rs,2
第二章 管壳式热交换器
1. 管壳式换热器的类型、标准与结构 2. 管壳式换热器的结构计算 3. 管壳式换热器的传热计算 4. 管壳式换热器的流动阻力计算 5. 管壳式热交换器的合理设计 6. 管壳式热交换器的设计程序 7. 管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点 8. 高温、低温热交换器综述
总换热系数
=c r
K
Q KFtm
角系数 对流换热系数 辐射换热系数
r
nCo
T14 - T24 T1 - T2
换热系统 黑体辐 组合黑度 射常数
Co =5.67 108 W m2 K4
3.3 壁温的计算
• 放热侧壁温
tw1
t1
K
1
1
rs,1 tm
t1
q
1
1
rs,1
• 吸热侧壁温
实验测定 只能在与使用条件相同的情况下使用 计算确定 有误差
对光滑圆管，以外表面积为准时：
1
Ko
1 i
do di
n j 1