管壳式热交换器.ppt
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管壳式热交换器.ppt
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2管壳式热交换器,间壁式换热器,间壁式换热器的结构可分为管式和板式换热器管式换热器有:
管壳式、套管式、蛇管式、翅片管式等。
板式换热器有:
波纹板式、螺旋板式、板壳式、板翅式。
2.1管壳式热交换器的类型、标准与结构,2.1管壳式换热器的结构及工作特性管壳式换热器的组成:
壳体、换热管束、管板、前端管箱、后端结构等。
管程:
壳程:
单管程:
多管程:
单壳程:
多壳程:
折流板:
2.1管壳式热交换器的类型、标准与结构,类型与标准(P43)管子在管板上的固定与排列管板分程隔板纵向隔板、折流板和支持板挡板和旁路挡板防冲板与导流筒,分程隔板,管壳式换热器,单程列管式换热器,单程列管式换热器1外壳2管束3、4接管5封头6管板7挡板,双程列管式换热器,双程列管式换热器1壳体2管束3挡板4隔板,管壳式换热器芯体,管壳式换热器壳体流程,管壳式换热器芯体,1、固定管板式:
换热器的两端管板和壳体连为一体。
如图0.5,0.62、浮头式:
两端管板只有一端与壳体固定,一端可相对于壳体可滑动,动端为浮头。
如图2.33、填料函式:
两端管板只有一端与壳体固定,另一端采用填料函密封。
如图2.4。
4、U型管式:
换热其只有一个管板,管子两端固定于同一管板上。
如图2.2。
5、釜式:
其管束可作成固定管板型、浮头型、U形管型。
如图2.5,U型管式,特点:
结构较浮头简单;但管程不易清洗。
管壳式换热器的型号,一、管壳式换热器的标准系列产品的进步参数及定义:
1.换热器壳体直径Dg2.换热器的长度L3.换热面积F4.管径d及管壁厚表42。
5.设计压力6.设计温度,换热管规格和排列的选择,换热管直径越小,换热器单位体积的传热面积越大。
因此,对于洁净的流体管径可取小些。
但对于不洁净或易结垢的流体,管径应取得大些,以免堵塞。
考虑到制造和维修的方便,加热管的规格不宜过多。
目前我国试行的系列标准规定采用252.5和192两种规格,对一般流体是适应的。
此外,还有,572.5的无缝钢管和252,的耐酸不锈钢管。
按选定的管径和流速确定管子数目,再根据所需传热面积,求得管子长度。
实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。
我国生产的钢管长度多为6m、9m,故系列标准中管长有1.5,2,3,4.5,6和9m六种,其中以3m和6m更为普遍。
同时,管子的长度又应与管径相适应,一般管长与管径之比,即L/D约为46,换热管规格和排列的选择,管子在管板上的固定胀管法与焊接法管子在管板上的排列1、排列形式:
正三角形、转角三角形、正方形、转角正方形。
2、管间距:
(管中心距)3、管束安装转角:
管子在管板上的固定与排列,管子在管板上的排列,换热管排列,系列标准规定采用252.5mm,192mm两种规格的管子。
钢管长度多为6米,国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格,其中以3米和6米最为普遍。
换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种,等边三角形排列比正方形排列更为紧凑,但正方形排列的管束清洗方便。
1,换热管的设计1管形:
2管经:
3管长:
4管子材料:
换热管束,管束分程:
分程原则:
每程中管数相等,分程隔板简单,相邻程间的跨程温差不超过28。
分程方法:
平行和T形两种(P48)。
参考图2.15分程布置的一些例子,一、管板,固定管束1管孔:
2最大布管园:
管板的最大布管园为管束的最大直径。
错列直列管间距,管板的连接1管板与换热管的连接:
分为可拆(图421)与不可拆(图420)。
2管板与壳体及管箱的连接:
分为可拆与不可拆。
3管板厚度:
表4144薄管板:
图423,椭圆形、碟形、球形。
一、折流板和支承板1折流板类型:
弓形、园缺形、盘环形、管孔形、螺旋形。
2折流板尺寸:
3折流板安装4支承板5旁通和短路的防止,P5253。
圆缺形与圆盘形折流挡板,圆缺形与圆盘形折流挡板,定性温度除w取壁温外,其余均取流体平均温度。
特征尺寸要用当量直径,根据管子的排列方式。
直列时错列时,流速u按管间最大流通截面积A计算D换热器外壳内径,m;l两折流挡板间距,m。
折流挡板作用,换热器安装折流挡板是为了提高壳程对流传热系数,为了获得良好的效果,折流挡板的尺寸和间距必须适当。
对常用的圆缺形挡板,弓形切口过大或过小,都会产生流动“死区”,均不利于传热。
一般弓形缺口高度与壳体内径之比为0.150.45,常采用0.20和0.25两种。
挡板的间距过大,就不能保证流体垂直流过管束,使流速减小,管外对流传热系数下降;间距过小不便于检修,流动阻力也大。
一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍,我国系列标准中采用的挡板间距为:
固定管板式有150,300和600mm三种;浮头式有150,200,300,480和600mm五种。
挡板切除对流动的影响,a.切除过少b.切除适当c.切除过多,盘环型折流板,园缺型折流板,防冲与导流防冲与导流。
见图2.22,2.23,2.24。
防冲挡板图,2.2管壳式换热器的结构设计,一、换热管束二、管板,固定管束三、管箱:
指管程流体进口均匀分流,出口流体汇流的空间。
四、壳体,2.2.1管程流通截面的计算,由流体的连续性方程可得出公式2.4At=Mt/tt,公式2.92.2.3壳程流通截面积的计算1对纵向隔板的计算P552对弓形隔板的计算见P553对对盘环形折流板2.2.4进出口连接管直径的计算见公式2.21,2.2.2壳体直径的确定,2.3管壳式换热器的传热计算,一、热力设计任务1合理的参数选择及结构设计2传热计算和压降计算热力设计:
设计计算,校核计算。
设计计算:
已知传热量Q,换热工质工作参数(进、出口温度),求F和结构形式。
校核计算:
已知换热器的具体结构、某些参数来核定另一参数。
1选用经验数据2实验测定3计算确定,2.3.1传热系数的确定,2.3.2换热系数的计算,1管内外换热系数的计算P58管内对流换热的准数方程式,见表2.81无折流板P602孔式折流板3盘环折流板4弓形折流板P61公式,2)与换热系数有关的几个问题P65,1定性温度2定型尺寸3粘度修正4同时存在对流换热与辐射换热的处理,2.3.3壁温的计算P67,试算法例题2.1,2.4管壳式换热器的流动阻力计算,换热器中的流体阻力产生流体与壁面间的摩擦阻力流体所产生的局部阻力管程阻力壳程阻力管壳式换热器允许的压降范围见表2.10,换热器管程及壳程的流动阻力,换热器管程及壳程的流动阻力,常常控制在一定允许范围内。
若计算结果超过允许值时,则应修改设计参数或重新选择其他规格大换热器。
按一般经验,对于液体常控制在104105Pa范围内,对于气体则以103104Pa为宜。
此外,也可依据操作压力不同而有所差别。
管壳式换热器压降计算,由于管壳式换热器的管程与壳程的结构完全不同,所以,管程、壳程的压降应分开计算。
一、管程压降:
Pt=(Pi+Pr)di+PNtPt总压降;Pi沿程摩擦阻力、回弯阻力;Pr进、出口接管咀局部阻力;di管程压降结垢校正系数。
管程变化对阻力影响,对同一换热器,若由单管程改为两管程,阻力损失剧增为原来的8倍,而强制对流传热、湍流条件下的表面传热系数只增为原来的1.74倍;若由单管程改为四管程,阻力损失增为原来的64倍,而表面传热系数只增为原来的3倍。
由此可见,在选择换热器管程数目时,应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。
2.4.2壳程阻力计算:
1单相强制对流的壳程阻力(压降)2壳侧冷凝时的阻力(压降)计算2.4.3流路分析法简介见图2.39,管壳式换热器的合理设计,一、设计的条件及一般原则(P74)适用、经济、安全、操作方便、工作可靠、清洗方便。
一、管、壳程介质的配置有利于传热、压力损失小。
具体如下:
1、流量小、粘度大的流体走壳程较好。
2、温差较大时,K大的流体走壳程。
3、与外界温差大的流体走管程。
4、饱和蒸汽走壳程。
5、含杂质流体走管程。
6、有毒介质走管程。
7、压降小走壳程。
8、高温、高压、腐蚀性强的流体走管程。
2.5.1流体在换热器中内的流动空间选择,2.5.2流体温度和终温的确定,在换热器设计中加热剂或冷却剂出口温度需由设计者确定。
如冷却水进口温度需依当地条件而定,但出口温度需通过经济权衡作出选择。
在缺水地区可使出口温度高些,这样操作费用低,但使传热平均温差下降,需传热面积增加使得投资费用提高,反之亦然。
根据经验一般应使tm大于10为宜,此外若工业用水作为冷却剂出口温度不宜过高,因工业用水中所含的盐类(主要CaCO3,MgCO3,CaSO4、MgSO4等)的溶解度随温度升高而减小,若出口温度过高,盐类析出,形成垢层使传热过程恶化,因此一般出口温度不超过45。
所以应根据水源条件,水质情况等加以综合考虑后确定。
水源严重缺乏地区可采用空气作为冷却剂,但使传热系数下降。
对于加热剂可按同样原则选择出口温度,2.5.3管子直径的选择,传热管径越小,换热器单位体积的传热面积就越大。
对洁净的流体可取小管径,而对不洁净或易结垢的流体管径应大些。
目前我国列管式换热器标准中采用192mm、252mm、252.5mm等规格。
管长的选用应考虑管材的合理使用和清洗方便,因我国生产的钢管长度多为6m,故系列标准中的管长有1.5,2,3或6m四种,其中以3m和6m最为普遍。
此外管长L和壳体直径D的比例应适当,一般以L/D440为宜。
2.5.4流体流动速度的选择,流速的大小不仅直接影响对流传热系数,而且影响污垢热阻,从而影响总传热系数,但同时又和流动阻力有关。
应通过经济权衡选择适宜的流速,但相当复杂,表4-14至表4-16列出常用的流速范围,可供参考。
充分利用系统动力设备允许的压强降来提高流速是换热器设计和选用的一个重要原则,但应全面考虑,照顾到结构上的要求,但所选的流速,不应使流体在滞流状态下流动。
2.5.5管壳式换热器的热补偿,一、管壳式换热器的热应力差胀热应力:
两刚性连接部件分别与不同温度介质接触,其受热膨胀的伸长量不同。
温差热应力:
同一部件两表面与温度不同的介质接触而产生的应力。
对热应力的计算:
两点假设:
1、管子与管板均无扰曲变形,即管束中每根管子的应力相同。
2、管壁与壳壁平均温度为各壁计算温度。
一、热补偿措施1、U形管热补偿2、浮头热补偿3、膨胀节4、扰性钢板。
换热器振动与噪声,一、换热器由卡门涡流诱导振动的机理分析1卡门涡流(街)作用力,图2.44,卡门涡街,卡门涡街,一、换热器的振动防止1降低壳程流速2增强管子固有频率3提高声振频率导致流体诱发振动的三种不同原因:
涡流脱落,湍流抖振、流体弹性旋转。
1涡流脱落:
流体横向流经单根圆柱形管时,在较大的雷诺数下,管后尾流中形成的卡门涡流(卡门涡街),使两列方向相反的游涡周期性地交替脱落,产生了一定的脱落频率。
涡流脱落时,流体施给园管一个正负交替作用力,这个作用力的频率与涡流脱落的频率相同,这样就会使园管以涡流脱落频率垂直于流向振动。
如果园管的固有频率等于涡流频率或倍数时,即脱落频率与振动频率同步,产生共振。
2湍流抖振:
壳侧流体流经管束时所产生的湍流引起的管子振动,如果管子湍流的主频与管子的固有频率相同,则诱发共振。
3流体弹性旋转:
当气体横向流经管束时,由于流体的不对称产生的作用力可使管束中的一根管子从它原有的位置发生瞬间的位移,因而流场发生改变,破坏了相邻管间的平衡,在它们产生位移处发生振动。
2.6管壳式换热器的设计程序,换热器的设计指在传热计算的基础上,确定换热器的有关尺寸。
换热器的选用是根据生产上传热任务的要求,选择合适的换热器。
两者所需考虑的一些问题和计算步骤基本是一致的,无论设计还是选用,都以换热器系列标准作为参考,因而需要考虑到多方面的因素,进行一系列的选择和适当的调整,因此实际为一试算过程。
管壳式换热器热力计算程序,根据换热器设计要求,设计过程中一般可分为以下具体步骤:
1收集原始数据2确定物性参数3初步确定流型、计算平均温压4计算热负荷5初选传热系数,6管程换热与压降计算7壳程对流换热8核算总传热系数9核算壁温10壳程压降具体计算见书例题,P125。
换热器中的污垢,结垢:
是指设备系统中堆积起的固体物资,会妨碍设备的正常运行,恶化工作条件。
水垢:
由于水系统中溶解有过饱和的无机盐所产生的沉积物。
结垢所产生的影响:
降低传热系数、增大压降,造成管壁上的局部锈斑和腐蚀,降低产品质量,阻碍流动,需采用余量设计。
结垢可分成8种类型:
1,结晶:
当流体被冷却或加热蒸发时,溶解在流体中的盐会结晶释放出来。
如CaCO3,CaSO4,MgCO3。
2,一些有机物和无机盐在高压下会氧化并结晶出来。
3,聚合:
一些混合物发生聚合并沉积在传热面上。
常发生在聚合工业和纤维工业中。
4,焦化:
主要发生在原油精炼设备和碳氢化合物的生产装置中。
5,沉积:
由于重力作用,流体中的悬浮着脏物、粘土、砂子和腐蚀物沉积在传热面上。
6,凝固:
当表面温度低于流体中某种或多种组分的凝固温度时,这些组分会凝固在表面上形成凝固沉积。
7,腐蚀:
腐蚀性流体会腐蚀传热面,一部分腐蚀物剥落并悬浮在流体中,可能在每处沉积下来。
8,微生物结垢:
由于微生物生长而产生的结垢。
2.7管壳式冷凝器与蒸发器的工作特点,2.7.1管壳式冷凝器的工作特点P921纯净饱和蒸汽在冷凝器内的冷凝2过热蒸汽在冷凝器内的冷却和冷凝3含不凝气蒸汽的冷凝4混合蒸气的冷凝混合蒸汽冷凝过程的特点P96,2.7.2管壳式蒸发器的工作特点,干式蒸发器,满液式蒸发器,蒸发器,冷凝器,2.8高温、低温换热器的综述,2.8.1高温高压管壳式换热器2.8.2工业炉用高温换热器2.8.3低温换热器,
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