1、1第二章第二章 管殼式熱交換器管殼式熱交換器2管程管程與管束中流體相通的空間與管束中流體相通的空間殼程殼程換熱管外面流體及相通空間換熱管外面流體及相通空間（ a) bem立 式 固 定 管 板 式 換 熱 器二、結構設計二、結構設計31.1.管程結構管程結構 (1)管束分程管束分程( (分程隔板分程隔板):):條件條件: :當換熱器所需換熱面當換熱器所需換熱面，而管子又不能太長時，而管子又不能太長時， 就要就要管數管數n (v ) n (v ) 為使管內為使管內vv提高傳熱效果提高傳熱效果需分程需分程 管程數管程數: : 一般有一般有1 1，2 2，4 4，6 6，8 8，1010，1212等

2、七種等七種, , 最簡單、最簡單、 最常用的是單管程。最常用的是單管程。隔板布置方式隔板布置方式平行布置法平行布置法 t t形布置法形布置法分程的要求分程的要求: :a.避免流體溫差較大的兩部分管束緊鄰避免流體溫差較大的兩部分管束緊鄰b.程與程之間溫差不宜過大程與程之間溫差不宜過大, , 不超過不超過2828c.應盡可能使各管程的換熱管數大致相同應盡可能使各管程的換熱管數大致相同d.分程隔板槽形狀簡單分程隔板槽形狀簡單, , 密封面長度較短密封面長度較短4隔板(a)(b)隔板箱蓋（ 2）（ 1）(c)隔 板箱 蓋管 板(d)隔 板 (a) （b） (c) (d) 圖圖 6-17 管管 箱箱 結

3、結 構構 形形 式式 5管束分程布置圖管束分程布置圖圖序管箱隔板介質返回側隔板管程數流動順序214612123414231432213546146325bacdefg流向流向6分程隔板與管板的連接形式分程隔板與管板的連接形式:隔板密封面通常隔板密封面通常10mm;對臥式換熱器對臥式換熱器: :設置設置6mm6mm的排液孔的排液孔, , 其位置按具體情況而定其位置按具體情況而定7殼體殼體折流板折流板折流桿折流桿防短路結構防短路結構殼程分程殼程分程2.殼程結構殼程結構 殼體殼體接管接管焊在殼體上，供殼程流體進、出。焊在殼體上，供殼程流體進、出。防沖擋板防沖擋板作用作用: :減小流體的不均勻分布和對

4、管束的侵蝕和震動，減小流體的不均勻分布和對管束的侵蝕和震動， 在殼程進口接管處設置在殼程進口接管處設置防沖擋板防沖擋板. .固定形式固定形式焊接在拉桿、定距管、折流板上焊接在拉桿、定距管、折流板上焊接在圓筒上焊接在圓筒上用用u u型螺栓固定在換熱管上型螺栓固定在換熱管上89設置條件設置條件: :a.當殼程進口管流體的當殼程進口管流體的vv2 2值為下列數值時值為下列數值時， 應在殼程進口管處設置防沖板或導流筒應在殼程進口管處設置防沖板或導流筒 (i)非腐蝕非腐蝕, , 非磨蝕性單相流體非磨蝕性單相流體v22230kg/(m.s2) (ii)其他液體，包括沸點下液體其他液體，包括沸點下液體v27

5、40kg/(m.s2) b.有腐蝕或有磨蝕的氣體、蒸汽及汽液混合物，有腐蝕或有磨蝕的氣體、蒸汽及汽液混合物， 應設置防沖板應設置防沖板導流筒導流筒作用作用: :a.a.充分利用換熱面積充分利用換熱面積, , 減小殼程進出口處死區減小殼程進出口處死區 b.b.也起防沖作用也起防沖作用 c.c.減少殼程進出口處壓降減少殼程進出口處壓降( (外導流結構外導流結構) )條件條件: : 當殼程進出口接管距管板較遠，流體停滯區過大時，當殼程進出口接管距管板較遠，流體停滯區過大時， 應設置導流筒應設置導流筒分類分類：內導流筒和外導流筒兩種內導流筒和外導流筒兩種。101112作用作用: :a.提高殼程流體流速

6、，增加湍動程度；使殼程流提高殼程流體流速，增加湍動程度；使殼程流 體垂直沖刷管束，提高殼程傳熱系數；體垂直沖刷管束，提高殼程傳熱系數；b.b.減少結垢。減少結垢。c.c.支承管束支承管束折流板、支持板折流板、支持板折流板折流板結構形式結構形式弓形弓形圓盤圓盤- -圓環形圓環形堰形折流板堰形折流板13過程設備設計過程設備設計(b)雙弓形水平豎直轉角（a） 單弓形（c）三弓形（d）四弓形(b)雙弓形水平豎直轉角（a） 單弓形（c）三弓形（d）四弓形(a)單弓形單弓形(d)圓盤圓盤-圓環形圓環形(c)三弓形三弓形(b)雙弓形雙弓形弓形缺口高度弓形缺口高度h h應使流體流過缺口時與橫向流過管束時的流速

7、相近應使流體流過缺口時與橫向流過管束時的流速相近缺口大小用弓形弦高占殼體內直徑的百分比來表示，缺口大小用弓形弦高占殼體內直徑的百分比來表示，如單弓形折流板，如單弓形折流板，h=(0.20h=(0.200.45)0.45)d di i，最常用，最常用0.250.25d di i。1415圓盤圓盤- -圓環形折流板圓環形折流板16圖圖2-22 2-22 單弓形折流擋板單弓形折流擋板圖圖2-24 2-24 圓盤圓盤圓環形折流擋圓環形折流擋1718布置原則布置原則: : a.a.一般應按等間距布置一般應按等間距布置 b.b.管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進出口接管管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進出口接

8、管 折流板缺口布置原則折流板缺口布置原則: a.殼程為單相清潔流體時，折流板缺口殼程為單相清潔流體時，折流板缺口 ( (臥式）臥式） 應應水平上下水平上下布置。布置。 若氣體中含有少量液體若氣體中含有少量液體, , 應在缺口朝上的應在缺口朝上的 折流板最低處開設折流板最低處開設通液口通液口; 若液體中含有少量氣體，應在缺口朝下若液體中含有少量氣體，應在缺口朝下 的折流板最高處開的折流板最高處開通氣口通氣口; ; b.殼程介質為氣液共存或液體中含有固體殼程介質為氣液共存或液體中含有固體 顆粒時，折流板應垂直顆粒時，折流板應垂直左右布置左右布置，并在，并在 折流板折流板最低最低處開通液口處開通液口

9、; ;c.間距：間距：l lminmin不小于不小于0.20.2管內徑管內徑didi，且不小于，且不小于50mm50mm； l lmaxmax不大于不大于didi；19過程設備設計過程設備設計殼程為單相清潔液體時，折流板缺口上下布置殼程為單相清潔液體時，折流板缺口上下布置折流板缺口布置折流板缺口布置(a)(b)20過程設備設計過程設備設計臥式換熱器的殼程介質為氣液相共存或液體中含有固臥式換熱器的殼程介質為氣液相共存或液體中含有固體顆粒時，折流板缺口應垂直左右布置，并在折流板體顆粒時，折流板缺口應垂直左右布置，并在折流板最低處開通液口最低處開通液口通液口通液口折流板缺口布置折流板缺口布置(c)2

10、1折流板上管孔與換熱管折流板上管孔與換熱管折流板與殼體內壁之間折流板與殼體內壁之間（a) bem立式固定管板式換熱器過大過大泄露嚴重泄露嚴重, ,不利傳熱不利傳熱; ; 易引起振動。易引起振動。過小過小安裝困難。安裝困難。間隙間隙折流板的排列方式：22缺口左右方交錯排列。臥式熱交換器中的排列方式缺口上下方交錯排列23折流板的安裝折流板的安裝d14mm時時24 折流板的固定 折流板的固定是通過拉桿和定距管來實現的。 拉桿結構拉桿結構 2526支持板支持板設置條件設置條件: : 當換熱器在工藝上無須設置折流板，當換熱器在工藝上無須設置折流板， 但管子又比較長，超過最大無支撐跨距時，但管子又比較長，

11、超過最大無支撐跨距時， 需設置一定數量的支持板，按照折流板處理需設置一定數量的支持板，按照折流板處理. .作用作用: a. : a. 減小跨距減小跨距防振防振 b.b.支承管子支承管子增加管子剛度，防止管子產生過大撓度增加管子剛度，防止管子產生過大撓度形狀尺寸形狀尺寸: : 同折流板同折流板 最大無支撐跨距最大無支撐跨距: :換熱管外徑10121416192532384557 最大無支撐跨距鋼管-11001300150018502200250027503200有色金屬管750850950110013001600190022002400280027過程設備設計過程設備設計a a、換熱管外徑、換熱

12、管外徑14mm14mm時時點焊結構點焊結構b、換熱管外徑換熱管外徑 14mm14mm時時拉桿拉桿- -定距管結構定距管結構dndnd+1d點焊dndnd+1d點焊dndn折流板、支持板固定方式：折流板、支持板固定方式：28拉桿數量拉桿數量: : 與拉桿直徑，殼體與拉桿直徑，殼體dndn有關有關拉桿布置拉桿布置: :盡量布置在管束的外邊緣，對于大直徑的盡量布置在管束的外邊緣，對于大直徑的 換熱器，在布管區內或靠近折流板缺口處換熱器，在布管區內或靠近折流板缺口處 應布置適當數量的拉桿應布置適當數量的拉桿折流桿折流桿123針對傳統折流板針對傳統折流板: : 有傳熱死區有傳熱死區, , 流體阻力流體阻

13、力, , 易產生管振動等缺點易產生管振動等缺點開發開發 新型折流桿新型折流桿結構結構:1 1支撐桿支撐桿2 2折流桿折流桿3 3滑軌滑軌2930優點優點: a.傳熱量相同下，傳熱量相同下，pp比弓形折流板降低比弓形折流板降低50%50%； b.沒有傳熱死區沒有傳熱死區 c.結垢速度快結垢速度快； d.管束不易振動管束不易振動( (殼程流體流向由橫流變為軸流殼程流體流向由橫流變為軸流) )(4)防短路結構防短路結構目的目的: : 防止殼程流體，在某些區域短路防止殼程流體，在某些區域短路使傳熱效率增加使傳熱效率增加結構結構： 旁路擋板旁路擋板 圖圖擋管擋管 圖圖中間擋板中間擋板 圖圖31折流板旁路

14、擋板旁路擋板旁路擋板折流板折流板旁路擋板旁路擋板為了防止為了防止殼程邊緣殼程邊緣介質短路介質短路32擋管擋板擋管擋管擋擋管管擋管結構擋管結構防止管間短路防止管間短路；分程隔板槽背面兩管板之間設置兩端堵死的管子，即擋管分程隔板槽背面兩管板之間設置兩端堵死的管子，即擋管；擋管一般與換熱管規格相同，可與折流板點焊固定，也可用擋管一般與換熱管規格相同，可與折流板點焊固定，也可用拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。拉桿（帶定距管或不帶定距管）代替。擋管每隔擋管每隔3 34 4排換熱管設置一根，但不設置在折流板缺口處排換熱管設置一根，但不設置在折流板缺口處33中間擋板中間擋板中間擋板中間擋板u u形管束中心

15、部分存在較大間隙形管束中心部分存在較大間隙 ，防止管間短路；，防止管間短路；中間擋板一般與折流板點焊固定中間擋板一般與折流板點焊固定；殼體殼體dn500mmdn500mm時時設置設置1 1塊擋板塊擋板500dn1000mm時時設置設置2 2塊擋板塊擋板dn1000mm時時設置不少于設置不少于3 3塊擋板塊擋板34(5)殼程分程殼程分程( (縱向隔板縱向隔板) )目的目的: a.: a.滿足工藝設計要求滿足工藝設計要求 b.b.增大殼程流體傳熱系增大殼程流體傳熱系數數型式型式: e: e型、型、f f型、型、g g型、型、h h型型保證隔板與殼體間密封保證隔板與殼體間密封防介質短路防介質短路縱向

16、隔板與殼體的連接形式縱向隔板與殼體的連接形式: : 焊接焊接將隔板與殼體內壁焊接將隔板與殼體內壁焊接 可拆可拆有密封元件有密封元件殼程分程較管程分程困難，所以一般殼程殼程分程較管程分程困難，所以一般殼程22注注: : 折流板僅改變流向而不是分程折流板僅改變流向而不是分程35殼程分程殼程分程對分流對分流雙分流雙分流36第二節 管殼式熱交換器的結構計算任務:確定設備的主要尺寸內容 :管程流通截面積確定殼體直徑殼程流通截面積進出口連接管尺寸一、管程流通截面積的計算單管程熱交換器的管程流通截面積為：37ttttwma/式中： at為管程流通截面積，m2；mt為管程流體的質量流量，kg/s；t為管程流體

17、的密度，kg/m3；wt為管程流體的流速，m/s；需管數n21td/4an式中：d1管子內徑，m；38每根管子的長度l為dn/fl式中：f熱計算所需要的傳熱面m2；d管子的計算直徑，m計算直徑的選取方法：計算直徑的選取方法： 一般情況下，管子的計算直徑取換熱系數小的一般情況下，管子的計算直徑取換熱系數小的那一側的，只有在兩側的換熱系數相近時才取平均那一側的，只有在兩側的換熱系數相近時才取平均直徑作為計算直徑。直徑作為計算直徑。39換熱管的長度與殼體直徑的比值在換熱管的長度與殼體直徑的比值在425之間；之間；一般為一般為610，對于立式熱交換器而言比值為，對于立式熱交換器而言比值為46。若算得的

18、管長過長，則應該做成多程的熱交換器。若算得的管長過長，則應該做成多程的熱交換器。換熱管長度取值：換熱管長度取值：管程數管程數zt為為：ll/zt式中：l所確定的管子的長度所確定的管子的長度ml管程總長管程總長，m；40管子的總根數ttnzn n每程管數每程管數式中式中：流程數的選取：流程數的選取：過多過多隔板隔板在管板上占去過多的面積，管板排管數降低在管板上占去過多的面積，管板排管數降低增加流體穿過增加流體穿過隔板隔板墊片短路的機會墊片短路的機會增加流體的轉彎次數及流動阻力增加流體的轉彎次數及流動阻力流程數適中流程數適中41程數宜取偶數，以使流體的進、出口程數宜取偶數，以使流體的進、出口連接管

19、做在同一封頭管箱上，便于制造。連接管做在同一封頭管箱上，便于制造。二、殼體直徑的確定內徑內徑方法方法作圖（可靠，準確）估算bsbds2142式中：b管束中心線上最外層管中心至殼體內壁距離，管束中心線上最外層管中心至殼體內壁距離，b（11.5）d0(d0為管外徑為管外徑)。b 沿六邊形對角線上的管數。沿六邊形對角線上的管數。估算估算 當管子按照等邊三角形排列時，當管子按照等邊三角形排列時， ； 當管子接正方形排列時當管子接正方形排列時tnb1 . 1tnb19. 1殼體的外徑強度強度鋼制壓力容器標準的規定加以確定43 公稱直徑小于或等于公稱直徑小于或等于400mm400mm的熱交換器，可以采用無

20、縫鋼管的熱交換器，可以采用無縫鋼管制作圓筒，卷制圓筒的公稱直徑以制作圓筒，卷制圓筒的公稱直徑以400mm400mm為基礎，以為基礎，以100mm100mm，為進級檔，必要的時候允許以為進級檔，必要的時候允許以50mm50mm為進級檔。為進級檔。三、殼程流通截面積的計算內容：內容：確定縱向隔板或折流板的數目與尺寸。確定縱向隔板或折流板的數目與尺寸。縱向隔板sssswma/式中：a as s為殼程流通截面積，為殼程流通截面積，m m2 2；m ms s殼程流體的質量流量，殼程流體的質量流量，kg/skg/s；s s殼程流體的密度，殼程流體的密度，kg/mkg/m3 3w ws s殼程流體的流速，殼

21、程流體的流速，m/sm/s；44縱向隔板長度確定的縱向隔板長度確定的基本原則基本原則：流體在縱向隔板轉彎時的流流體在縱向隔板轉彎時的流速速各流程中順管束流動時速度。各流程中順管束流動時速度。殼程流通截面積殼程流通截面積2024dndzatsss20224dndaztsss流程數流程數45弓形折流板缺口高度缺口高度缺口處的流通截面積缺口處的流通截面積兩折流板間錯流的流通截面積兩折流板間錯流的流通截面積缺口高度確定原則缺口高度確定原則為避免流動速度變化引起壓降，流體在缺口處的流通為避免流動速度變化引起壓降，流體在缺口處的流通截面積與流體在兩折流板間錯流的流通截面積接近。截面積與流體在兩折流板間錯流

22、的流通截面積接近。46流體在缺口處的流通截面積流體在缺口處的流通截面積abwtwgb缺口處管子所占面積a缺口總截面積aa472sin212142sswgdhdactwtfnda1820缺口總截面積缺口總截面積缺口處管子所占面積缺口處管子所占面積fc為錯流區內管子數占總管數的百分數為錯流區內管子數占總管數的百分數式中：lslslscdhddhddhdf2arccos22arccossin221h表示折流板缺口高度，表示折流板缺口高度，m；ds表示熱交換器殼體內徑表示熱交換器殼體內徑，m；式中：dl表示最大布管圓直徑表示最大布管圓直徑，m48折流板切口中心角，弧度；折流板切口中心角，弧度；sdh2

23、1arccos2兩折流板間錯流的流通截面積兩折流板間錯流的流通截面積ac正方形斜轉或直列排列時00dssddddlanllssc三角形排列時00dssddddlallssc49式中：ls折流板間距；d0管子外徑；s管間距；sn與流向垂直的管間距。as，ab，ac之間的關系cbsaaa as為保證流速所需要的流通截面積為保證流速所需要的流通截面積 a ab b流體在缺口處的流通截面積流體在缺口處的流通截面積ac兩折流板間錯流的流通截面積兩折流板間錯流的流通截面積50（3）盤環形折流板）盤環形折流板環板圓孔處的流通面積環板圓孔處的流通面積a1盤板的流通面積盤板的流通面積a2環板的流通面積環板的流通

24、面積a3321aaa32aaasnmsdhda021a3盤周至圓筒內壁截面減去該處管子所占面積盤周至圓筒內壁截面減去該處管子所占面積dm環內徑環內徑d1和盤徑和盤徑d2的算術平均值的算術平均值sn 與流向垂直的管間距與流向垂直的管間距51第三節第三節 管殼式熱交換器的傳熱計算管殼式熱交換器的傳熱計算一、傳熱系數的確定1、確定傳熱系數的主要方法：經驗選用數據實驗測定通過計算熱阻attttaqwwww2121間壁材料ar52圓管iwwddttlq021ln2attaq1流體與潔凈壁面lddri2ln0ar1流體與結垢壁面定義: 熱交換器運行一段時間后，壁表面會形成一層污垢，引起附加熱阻。53決定因

25、素：污垢的導熱系數d及污垢的厚度污垢系數：rd=d/d污垢熱阻ararddd傳熱量aarttqdw1傳熱公式mtkfqktqm1kr12、圓管的傳熱系數確定54以外表面積為基準時：0110001ln211jjnjiiidddddk式中：0表示管外；i表示管內；以內表面為基準時00111ln211dddddkijjnjjiii55近似計算外表面00,00,00111smwwiisiirddddrddk內表面0000 ,111ddddrddrkiismiwwisii（管壁比較薄）式中r rs,is,i管內壁的污垢熱阻，管內壁的污垢熱阻，m m2 2/w/w；r rs,os,o管外壁的污垢熱阻，管外

26、壁的污垢熱阻，m m2 2/w/w；w w管壁厚度，管壁厚度，m m；w w管材的導熱系數，管材的導熱系數，w/mw/m；d dm m管子的平均直徑管子的平均直徑56iimddddd00lniik00或者金屬壁面的導熱熱阻流體的對流換熱熱阻對于新的熱交換器污垢熱阻可以忽略不計條件d0di非金屬材料不適用57二、換熱系數的計算管內外換熱系數 在試驗基礎上，把它的變化規律用努謝爾準則數（在試驗基礎上，把它的變化規律用努謝爾準則數（nunu），），或傳熱因子（或傳熱因子（j jh h）與雷諾數）與雷諾數(re)(re)之間的關系用公式或之間的關系用公式或線圖形式表示出來。線圖形式表示出來。努謝爾準則

27、數對流換熱強度lnu 58雷諾準則數流體的流動狀態wlre 傳熱因子科恩傳熱因子14. 03/1/prwhnuj柯爾本傳熱因子14. 03/214. 03/2/pr/prprre/wwhwcnuj59關系rehhjj殼側換熱計算無折流板 有折流板縱向流過管束縱向流過管束當量直徑當量直徑管內湍流管內湍流求出按照孔式折流板盤環折流板弓形折流板60孔式折流板re=3210414. 0316 . 004 . 00000pr32. 1wfffavfgddsdsdg gavav平均質量流量平均質量流量，kg/(mkg/(m2 2s)s)式中：ashsashavgldlggldg4240g g0 0管孔間隙

28、中的質量流速，管孔間隙中的質量流速，kg/(mkg/(m2 2s)s)g ga a殼程流體順流管束的質量流量，殼程流體順流管束的質量流量，kg/(mkg/(m2 2s)s)20204ddnmghts612024dndmgtssam ms s殼程流體的質量流量殼程流體的質量流量dh折流板上管孔直徑，折流板上管孔直徑，m mls折流板間距，折流板間距，m m；盤環折流板re=3210414. 03/16 . 06 . 000pr08. 2wffmefgdd式中gm為平均質量流速，為平均質量流速，kg/(mkg/(m2 2s)s)62計算計算g gm m所用的基準面所用的基準面a as s32aaa

29、s弓形折流板廷克殼側流體流動模型殼側流體分為錯流、漏流及旁流流路殼側流體分為錯流、漏流及旁流流路流路a:流路b流路c流路d流路e管子與折流板上的管孔之間存在管子與折流板上的管孔之間存在間隙間隙流路流路a折流板前后存在折流板前后存在壓差壓差泄漏管外壁的結垢63流路在環形間隙內有較高的換熱系數，主流速度流路在環形間隙內有較高的換熱系數，主流速度低，對傳熱不利。低，對傳熱不利。特點流路流路b橫向流過管束橫向流過管束特點對傳熱和阻力影響最大對傳熱和阻力影響最大流路流路c管束最外層管子與殼體之間存在間隙而產生的旁路管束最外層管子與殼體之間存在間隙而產生的旁路。通過設置旁路擋板，改善這個流路對傳熱的影響通

30、過設置旁路擋板，改善這個流路對傳熱的影響特點流路流路d折流板和殼體內壁間存在一定間隙所形成的漏流。折流板和殼體內壁間存在一定間隙所形成的漏流。特點漏流漏流溫度發生畸變溫度發生畸變64流路流路e多管程，安置分程隔板而使殼程形成了不為管子所多管程，安置分程隔板而使殼程形成了不為管子所占據的通道，若用來形成多管程的隔板設置在主橫占據的通道，若用來形成多管程的隔板設置在主橫向流的方向上它將會造成一股或多股旁路向流的方向上它將會造成一股或多股旁路特點設置擋管設置擋管貝爾法貝爾法內容：理想管束的傳熱因子校正錯流通過理想管束換器結構參數操作條件6566結構參數計算1 1、總管數、總管數n nt t; ;2 2、錯流區排管總數、錯流區排管總數n nc cpsscsdhdn21d ds s熱交換器殼體內徑熱交換器殼體內徑s sp p管間距，管間距，m m式中圖中讀出圖中讀出圖中讀出圖中讀出估算估算3 3、兩折流板頂部錯流面積占總面積的百分數、兩折流板頂部錯流面積占總面積的百分數f fc c67sssssswgcdhddhddhdrarf2arccos22arccossin221sin2224 4、錯流區內管子數占總管數的百分數、錯流區內管子數占總