资源简介

(共32张PPT)
模块二 传热
01
任务一 认识换热器的结构
02
任务二 认识换热装置的换热方式
03
任务三 认识传热的基本方式及换热流体
04
任务四 计算传热的过程速率
05
任务五 计算间壁换热器的传热速率
06
07
任务六 计算间壁换热器的壁温
任务七 管壳式换热器的设计与选型
任务八 换热器的操作与维护
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
子任务1 列管换热器工艺设计　　
一、冷、热流体流动通道的选择
在列管式换热器内，冷、热流体流动通道可根据以下原则进行选择：
（1）不洁净和易结垢的液体宜走容易清洗的一侧。固定管板式换热器应走管程，U型管换热器应该走壳程；
（2）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；
（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体承受压力；
（4）饱和蒸气宜走壳程，因饱和蒸汽比较清净，对流传热系数与流速无关而且冷凝液容易排出；
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热；
（6）若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将对流传热系数大的流体通入壳程，可减少热应力；
（7）有毒流体宜走管程，可以减少流体泄露；
（8）流量小而粘度大的流体一般以走壳程为宜，因在壳程Re＞100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更高的对流传热系数。
以上各点不可能同时满足，有时会产生矛盾，因此需根据具体情况而作恰当的选择。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
二、流体进出口温度的确定
选定热源或冷源时，通常进口温度已知，其出口温度需要设计者选择。若换热器中的两侧介质均为工艺流体，一般高温端的温度差不宜小于20℃，低温端温差不宜小于5℃，平均温差不能小于10℃。此外冷却水的出口温度不宜高于50～60℃，这样可以避免大量结垢。在采用多管程或多壳程换热器时，冷却剂的出口温度不能高于工艺流体出口温度。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
三、流体流动方向的选择
一般情况下，应该采用逆流操作，以便使平均传热温度差增大。但是，对某些流体的温度有限制的情况下，为防止热流体的出口温度过低或冷流体的出口温度过高，应该采用并流操作。
例如：当冷流体是热敏性流体时，因温度过高而影响产品质量，所以采取并流时，就可以将其出口温度控制在热流体的出口温度以下，但是逆流时只能将其温度控制在热流体进口温度以下，而不一定达控制在热流体出口温度以下。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
除了纯并流和纯逆流以外，也可以将冷、热流体在换热器内做多管程或多壳程的复杂折流流动。流量一定，管程或壳程越多，换热器的总传热系数越大，但是流体流动的阻力增加，平均传热温度差也会一定程度上变小，所以，应该综合考虑。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
四、管、壳程流体流速的选择
增加流速不但可加大对流传热系数，而且能降低污垢热阻，从而使总传热系数加大。但增加流速后，流体流动阻力增大，动力消耗增多，此外还要从结构上考虑对传热的影响。列管换热器中常用的流速范围在下表中列出。一般管内、管外流体都要避免出现层流流动状态。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
五、流体阻力的计算
流体阻力越大，动力消耗越高。过换热器的阻力分为管程阻力和壳程阻力，应分别进行估算。
1、管程流体阻力（压力降）的计算
对于多程换热器，其总阻力 等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
直管压强降：
回弯管压强降：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
2、壳程流体阻力（压力降）的计算
由于流体的流动状况比较复杂，因此不同公式计算得到的结果相差很多。下面公式是一个较简单的计算公式：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
管子正方形排列时：
管子正三角形排列时：
——相邻两管中心距
——外径m。
——壳一侧流体的流速，根据流体流过的最大面积计算
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
某生产过程中，用循环冷却水将某油品由140℃冷却到40℃。循环水的入口温度为30℃，出口温度为40℃，流量为32353kg/h。换热过程拟采用一列单管程列管式换热器，试完成下列任务：（1）确定流体流动空间，并选择流体流动方向；（2）选择流体流动速度；（3）若采用φ25×2.5mm的换热管，根据选择流速的大小估计管子数。
已知：油品物性：黏度为0.000715Pa.s，密度为825kg/m3，比热容
循环水物性：黏度为0.000725Pa.s,密度为994kg/m3，比热容
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
解：（1）由于循环水容易结垢，为便于清洗，应使循环水走管程，油走壳程。在变温传热过程中，由于逆流平均传热温度差较大，所以应采用逆流操作；
（2）管程内循环水的黏度0.000725 Pa.s＜0.001 Pa.s，为易结垢液体，其在管程的速度 ＞1m/s，最大值为2.4 m/s；
一般液体在壳程内速度范围为0.2～1.5 m/s，而易燃、易爆液体的安全允许速度＜2～3 m/s，所以油品在壳程内流速范围取0.2～1.5 m/s；
（2）若取循环水的速度 u=1.5m/s，所需管子根数可用下式计算：
则所需换热管数为58根。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
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子任务2 列管换热器结构设计　　
一、换热管规格和排列方式的选择
换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大，结构紧凑。因此，对于洁净的流体，管径可取得小些。但对于不洁净及易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。目前我国试行的系列标准规定采用φ19×2mm、φ25×2mm和φ25×2.5mm三种规格。管长的选择是以清洗方便和合理使用管材为准。我国生产的钢管长多为6m，系列标准中常为3的倍数，常用管长有1.5m、3m、4.5m和6m四种，其中以3m和6m更为普遍。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
子任务2 列管换热器结构设计　　
管子的排列方式有直列和错列两种，而错列又有正三角形和正方形两种。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
二、管程与壳程数的确定
为提高流速可采用多管程。但这样会增大流动阻力，降低流体的平均温度差，采用多程时，每程管数应大致相等。管程数N按下式计算：
式中 ——管程内流体的适宜流速，m/s；
——管程内流体的实际流速，m/s。
当温度差校正系数低于0.8时应采用多程，即将两个单程换热器串联。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
三、折流挡板的设置
设置折流板的目的是为了提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由下图可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生“死区”，既不利于传热又往往增加流体流动阻力。一般说来，弓形缺口的高度可取为壳体内径的10%～40%，最常见的是20%和25%两种。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
四、壳径的确定
壳体的内径应等于或稍大于管板的直径。可按计算的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法用作图法确定内径。此外，在初步设计中可按下式计算。
式中 ——管中心距，m；
——横过管束中心线的管数；
——管束中心线上最外壳管的中心至壳体内壁的距离，一般
按下式计算：
管子按正三角形排列：
管子按正方形排列：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
子任务3 列管式换热器的选用步骤
　　
一、计算传热量和对数平均温度差推动力
在已知热流体流量Wh，进口温度T1、出口温度T2，冷却介质进口温度t1的条件下，按下列步骤选用列管式换热器。
1、由已知 、 、 ，按 计算传热量。
2、按总费用最低的原则，选则冷却介质出口温度 。
3、按冷、热流体为纯逆流计算 。
4、初步选择换热器内流体的流动方式，由热、冷流体进、出口温度计算流体流动方向上的温度校正系数 ， 应大于0.8，否则改变流动方式，重新计算。
5、按 ，计算此时的对数平均温度差推动力 。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
二、初选换热器的尺寸规格及型号
1、选定换热器型式；
2、确定冷、热流体的流动通道；
3、选择冷、热流体的合适流速；
4、根据流速，确定管、壳程数和折流挡板间距；
5、根据经验或表4-8估计总传热系数 ，按 计算传热面积 。
6、根据 的数值参照系列标准选定换热管直径、长度、排列，进而选择适当的换热器型号。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
三、计算总传热系数、校核传热面积
1、计算管程 、壳程 对流传热系数，如 太小，可以增加管程数，若改变管程数不能同时满足 ， 的要求，则应重新估计
值，另选一换热器型号进行试算，直至满足要求。 太小则可减小挡板间距。
2、根据流体的性质选择适当的污垢热阻 ，由 和对流传热系数 、 ，计算总传热系数 。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
3、由传热速率基本方程计算所需传热面积A计。
4、比较A计与实际换热器所具有的传热面积A实，若A计＜A实，原则上上述的选用及计算均可行，否则需重新估计一个K估，重新计算A估和选用换热器。考虑到计算及选用的准确性和其它未预料到因素，一般应使换热器的实际传热面积A实比需要的传热面积A计大10%～25%。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
四、核算压降
根据管程阻力的计算式 及壳程压降的计算式，计算出压力降应符合表 中的合理压力降要求。
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
（1）标准换热器的选用：某化工厂需要将流量为50的笨由80℃冷却到35℃，用水做冷却剂，操作条件下水的初始温度为15℃，试选用选用一台合适的换热器。
解：（1）基本数据处理：
苯的定性温度为：
根据设计经验，水的进出口温度一般控制在5～10℃左右，取水进出口温度差为10℃，则水的出口温度为25℃，水的定性温度为 ℃；
查得苯在定性温度下的物性数据为：
查得水在定性温度下的物性数据为：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
（2）热负荷计算：
若忽略损失，则：
得冷却水用量为：
拟采用单壳程、偶数管程列管式换热器，平均温度差按：
得出0.84>0.8 ,所以选用单壳程偶数管程换热器合适。
（3）平均温度差计算：
逆流时换热器平均温度差为：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
（4）初估换传热面积
参照（列管换热器中传热系数K的大致范围），取
（5）初选换热器型号
对于热、冷流体之间的温度差小于50℃时，不需要热补偿，可选用固定板管式换热器。根据换热器标准系列，初选换热器型号为：G1000IV-1.6-170。主要数据如下：
外壳直径 1000mm 公称压力 1.6MPa
公称面积 170m2 实际面积 173m2
管子规格 φ25×2.5mm 管长 3000mm
管子数 758 管程数 4
管子排列 正三角形 管程流通面积 0.0595m2
管间距 32mm
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
（6）核算传热面积
1）总传热系数计算
管程内参数计算：
管内对流传热系数：
壳程对流传热系数：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
总传热系数计算：按薄壁换热器计算，忽略管壁热阻：
比较A计与实际换热器所具有的传热面积A实积得：
故所选换热器面积合适。
2)计算所需传热面积A计
由传热速率基本方程计算所需传热面积A计：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
（７）核算压力降
1)管程流体阻力（压力降）的计算
查图管内摩擦系数：
管程压力降：
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任务七 管壳式换热器的设计与选型
　　　
2)壳程流体阻力的计算
压力降在合理范围内，符合要求。
式中

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