換熱器的傳熱系數(shù)K.doc

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介質(zhì)不同，傳熱系數(shù)各不相同我們公司的經(jīng)驗(yàn)是： 1、汽水換熱：過(guò)熱部分為800~1000W/m2.℃ 飽和部分是按照公式K=2093+786V(V是管內(nèi)流速）含污垢系數(shù)0.0003。 水水換熱為：K=767(1+V1+V2)(V1是管內(nèi)流速，V2水殼程流速）含污垢系數(shù)0.0003 實(shí)際運(yùn)行還少有保守。有余量約10% 冷流體 熱流體 總傳熱系數(shù)K，W/(m2.℃) 水 水 850～1700 水 氣體 17～280 水 有機(jī)溶劑 280～850 水 輕油 340～910 水 重油 60～280 有機(jī)溶劑 有機(jī)溶劑 115～340 水 水蒸氣冷凝 1420～4250 氣體 水蒸氣冷凝 30～300 水 低沸點(diǎn)烴類冷凝 455～1140 水沸騰 水蒸氣冷凝 2000～4250 輕油沸騰 水蒸氣冷凝 455～1020 不同的流速、粘度和成垢物質(zhì)會(huì)有不同的傳熱系數(shù)。K值通常在800~2200W/m2℃范圍內(nèi)。 列管換熱器的傳熱系數(shù)不宜選太高，一般在800-1000 W/m2℃。 螺旋板式換熱器的總傳熱系數(shù)（水—水）通常在1000~2000W/m2℃范圍內(nèi)。 板式換熱器的總傳熱系數(shù)（水（汽）—水）通常在3000~5000W/m2℃范圍內(nèi)。 1． 流體流徑的選擇 哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點(diǎn)可供選擇時(shí)參考(以固定管板式換熱器為例) 　(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。 　　(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 　　(3) 壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。 　　(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 　　(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。 　　(6) 需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。 　　(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。 在選擇流體流徑時(shí)，上述各點(diǎn)常不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾，例如首先考慮流體的壓強(qiáng)、防腐蝕及清洗等要求，然后再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降，以便作出較恰當(dāng)?shù)倪x擇。 　　2. 流體流速的選擇 　　增加流體在換熱器中的流速，將加大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動(dòng)力消耗就增多。所以適宜的流速要通過(guò)經(jīng)濟(jì)衡算才能定出。 　　此外，在選擇流速時(shí)，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對(duì)一定的傳熱面積，不得不采用較長(zhǎng)的管子或增加程數(shù)。管子太長(zhǎng)不易清洗，且一般管長(zhǎng)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時(shí)應(yīng)予考慮的問(wèn)題。 　　3. 流體兩端溫度的確定 　　若換熱器中冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，就不存在確定流體兩端溫度的問(wèn)題。若其中一個(gè)流體僅已知進(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來(lái)確定。例如用冷水冷卻某熱流體，冷水的進(jìn)口溫度可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件作出估計(jì)，而換熱器出口的冷水溫度，便需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來(lái)決定。為了節(jié)省水量，可使水的出口溫度提高些，但傳熱面積就需要加大；為了減小傳熱面積，則要增加水量。兩者是相互矛盾的。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)可采取冷卻水兩端溫差為5～10℃。缺水地區(qū)選用較大的溫度差，水源豐富地區(qū)選用較小的溫度差。 　　4. 管子的規(guī)格和排列方法 　　選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過(guò)前面介紹的流速范圍。易結(jié)垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國(guó)目前試用的列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中僅有φ252.5mm及φ192mm兩種規(guī)格的管子。 　　管長(zhǎng)的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長(zhǎng)管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標(biāo)準(zhǔn)鋼管長(zhǎng)為6m，則合理的換熱器管長(zhǎng)應(yīng)為1.5、2、3或6m。系列標(biāo)準(zhǔn)中也采用這四種管長(zhǎng)。此外，管長(zhǎng)和殼徑應(yīng)相適應(yīng)，一般取L/D為4～6(對(duì)直徑小的換熱器可大些)。 如前所述，管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列等，如第五節(jié)中圖4－25所示。等邊三角形排列的優(yōu)點(diǎn)有:管板的強(qiáng)度高；流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點(diǎn)是便于清洗列管的外壁，適用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場(chǎng)合；但其對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角排列時(shí)為低。正方形錯(cuò)列排列則介于上述兩者之間，即對(duì)流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適當(dāng)?shù)靥岣摺? 　　管子在管板上排列的間距 (指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.3～1.5)do，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25do。 　　5. 管程和殼程數(shù)的確定 當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致管程流體阻力加大，增加動(dòng)力費(fèi)用；同時(shí)多程會(huì)使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面積減少，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些問(wèn)題。列管式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時(shí)，通常應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等。 管程數(shù)m可按下式計(jì)算，即: 　　　　　 　　　　　(4-121) 　　式中 u―――管程內(nèi)流體的適宜速度， m/s； 　　 u′―――管程內(nèi)流體的實(shí)際速度， m/s。 當(dāng)殼方流體流速太低時(shí)，也可以采用殼方多程。如殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程，但由于縱向隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難，故一般不采用殼方多程的換熱器，而是將幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用，以代替殼方多程。例如當(dāng)需二殼程時(shí)，則將總管數(shù)等分為兩部分，分別安裝在兩個(gè)內(nèi)徑相等而直徑較小的外殼中，然后把這兩個(gè)換熱器串聯(lián)使用，如圖所示。 　6. 折流擋板 安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動(dòng)程度加劇，以提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。 　　第五節(jié)的圖4－26已示出各種擋板的形式。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10～40％，一般取20～25％，過(guò)高或過(guò)低都不利于傳熱。 　　兩相鄰擋板的距離(板間距)h為外殼內(nèi)徑D的(0.2～1)倍。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的h值為:固定管板式的有150、300和600mm三種；浮頭式的有150、200、300、480和600mm五種。板間距過(guò)小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過(guò)大，流體就難于垂直地流過(guò)管束，使對(duì)流傳熱系數(shù)下降。 　 擋板切去的弓形高度及板間距對(duì)流體流動(dòng)的影響如圖3-42所示。 　 7. 外殼直徑的確定 　　換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于(對(duì)浮頭式換熱器而言)管板的直徑。根據(jù)計(jì)算出的實(shí)際管數(shù)、管徑、管中心距及管子的排列方法等，可用作圖法確定殼體的內(nèi)徑。但是，當(dāng)管數(shù)較多又要反復(fù)計(jì)算時(shí)，作圖法太麻煩費(fèi)時(shí)，一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可先分別選定兩流體的流速，然后計(jì)算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標(biāo)準(zhǔn)中查出外殼的直徑。待全部設(shè)計(jì)完成后，仍應(yīng)用作圖法畫出管子排列圖。為了使管子排列均勻，防止流體走"短路"，可以適當(dāng)增減一些管子。 　　另外，初步設(shè)計(jì)中也可用下式計(jì)算殼體的內(nèi)徑，即: 　　　　　　　　　 　　　(4-122) 　　式中　 D――――殼體內(nèi)徑， m； 　　　　 t――――管中心距， m； 　　　　 nc―――－橫過(guò)管束中心線的管數(shù)； 　　　　 b′―――管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，　　　　　　　　　　　一般取b′=(1～1.5)do。 　　nc值可由下面的公式計(jì)算。 　　管子按正三角形排列時(shí):　 　　　(4-123) 　　管子按正方形排列時(shí):　　 　　　(4-124) 　　式中n為換熱器的總管數(shù)。 　 按計(jì)算得到的殼徑應(yīng)圓整到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，見(jiàn)表4-15。 　　8．主要構(gòu)件 　　封頭 　封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑 的殼體。 　　緩沖擋板　 為防止殼程流體進(jìn)入換熱器時(shí)對(duì)管束的沖擊，可在進(jìn)料管口裝設(shè)緩沖擋板。 　 導(dǎo)流筒　 殼程流體的進(jìn)、出口和管板間必存在有一段流體不能流動(dòng)的空間(死角)，為了提 高傳熱效果，常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過(guò)這個(gè)空間。 放氣孔、排液孔 換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。 　　 接管尺寸　 換熱器中流體進(jìn)、出口的接管直徑按下式計(jì)算，即: 　　　　　　 式中Vs--流體的體積流量， /s； 　 u --接管中流體的流速， m/s。 　　流速u的經(jīng)驗(yàn)值為: 對(duì)液體　u=1.5～2 m/s 對(duì)蒸汽　u=20～50 m/s 對(duì)氣體　u=(15～20)p/ρ (p為壓強(qiáng)，單位為atm ；ρ為氣體密度，單位為kg/ ) 　　9． 材料選用 　　列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。在高溫下一般材料的機(jī)械性能及耐腐蝕性能要下降。同時(shí)具有耐熱性、高強(qiáng)度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。 　 10． 流體流動(dòng)阻力(壓強(qiáng)降)的計(jì)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(duì)于多程換熱器，其總阻力 Δpi等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)、出口阻力之和。一般進(jìn)、出口阻力可忽略不計(jì)，故管程總阻力的計(jì)算式為: 　 　 （4-125） 式中 Δp1、Δp2------分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，N/ ； 　　　Ft-----結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)于φ252.5mm的管子， 　　　　　　　　取為1.4，對(duì)φ192mm的管子，取為1.5； 　 Np-----管程數(shù)； 　 Ns-----串聯(lián)的殼程數(shù)。 上式中直管壓強(qiáng)降Δp1可按第一章中介紹的公式計(jì)算；回彎管的壓強(qiáng)降Δp2由下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算，即: 　　　　　　　 (4-126) 　　(2) 殼程流體阻力 現(xiàn)已提出的殼程流體阻力的計(jì)算公式雖然較多，但是由于流體的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，使所得的結(jié)果相差很多。 下面介紹埃索法計(jì)算殼程壓強(qiáng)Δpo的公式，即: 　　　 (4-127) 式中 Δp1′-------流體橫過(guò)管束的壓強(qiáng)降，N/ ； 　 Δp2′-------流體通過(guò)折流板缺口的壓強(qiáng)降，N/ ； 　 Fs --------殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，對(duì)液體可取　　　　　　　　　　　1.15，對(duì)氣體或可凝蒸氣 可取1.0 而　　　　 　(4-128) 　　　　　 　(4-129) 式中 F----管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正三角形排列F=0.5，對(duì)正方形斜轉(zhuǎn)45為0.4，正方形排列為0.3； 　fo----殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Reo＞500時(shí)， 　 　nC----橫過(guò)管束中心線的管子數(shù)； NB----折流板數(shù)； 　　 h ----折流板間距，m； 　　 uo----按殼程流通截面積Ao計(jì)算的流速，而 。 　　一般來(lái)說(shuō)，液體流經(jīng)換熱器的壓強(qiáng)降為 0.1～1atm，氣體的為0.01～0.1atm。設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器的工藝尺寸應(yīng)在壓強(qiáng)降與傳熱面積之間予以權(quán)衡，使既能滿足工藝要求，又經(jīng)濟(jì)合理。 　 三、 列管式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 　 1． 試算并初選設(shè)備規(guī)格 　　 (1) 確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑。 　　 (2) 根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q。 　　 (3) 確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管式換熱器的型式；計(jì)算定性溫度，并確定在定性 溫度下流體的性質(zhì)。 　 (4) 計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)。 　　 (5) 依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選定總傳熱系數(shù)K選值。 (6) 由總傳熱速率方程 Q＝KSΔtm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。 　　2． 計(jì)算管、殼程壓強(qiáng)降 根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管、殼程流體的流速和壓強(qiáng)降。檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工 藝要求。若壓強(qiáng)降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計(jì)算壓強(qiáng)降直至滿足要求為止。 　　3． 核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)αi 和αo，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K，比較K得初始值和計(jì)算值，若K/K＝1.15～1.25，則初選的設(shè)備合適。否則需另設(shè)K選值，重復(fù)以上計(jì)算步驟 。 　　通常，進(jìn)行換熱器的選擇或設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足傳熱要求的前提下，再考慮其他各項(xiàng)的問(wèn)題。它們之間往往是互相矛盾的。例如，若設(shè)計(jì)的換熱器的總傳熱系數(shù)較大，將導(dǎo)致流體通過(guò)換熱器的壓強(qiáng)降(阻力）增大，相應(yīng)地增加了動(dòng)力費(fèi)用；若增加換熱器的表面積，可能使總傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降降低，但卻又要受到安裝換熱器所能允許的尺寸的限制，且換熱器的造價(jià)也提高了。 　　此外，其它因素(如加熱和冷卻介質(zhì)的用量，換熱器的檢修和操作)也不可忽視。總之，設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合分析考慮上述諸因素，給予細(xì)心的判斷，以便作出一個(gè)適宜的設(shè)計(jì)。 第二章 列管式換熱器設(shè)計(jì) 第一節(jié) 推薦的設(shè)計(jì)程序 一、工藝設(shè)計(jì) 1、作出流程簡(jiǎn)圖。 2、按生產(chǎn)任務(wù)計(jì)算換熱器的換熱量Q。 3、選定載熱體，求出載熱體的流量。 4、確定冷、熱流體的流動(dòng)途徑。 5、計(jì)算定性溫度，確定流體的物性數(shù)據(jù)（密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等）。 6、初算平均傳熱溫度差。 7、按經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)選取或估算Ｋ值，初算出所需傳熱面積。 8、根據(jù)初算的換熱面積進(jìn)行換熱器的尺寸初步設(shè)計(jì)。包括管徑、管長(zhǎng)、管子數(shù)、管程數(shù)、管子排列方式、殼體內(nèi)徑（需進(jìn)行圓整）等。 9、核算Ｋ。 10、校核平均溫度差D 。 11、校核傳熱量，要求有15－25％的裕度。 12、管程和殼程壓力降的計(jì)算。 二、機(jī)械設(shè)計(jì) 1、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。 2、換熱器封頭選擇。 3、換熱器法蘭選擇。 4、管板尺寸確定。 5、管子拉脫力計(jì)算。 6、折流板的選擇與計(jì)算。 7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。 8、接管、接管法蘭選擇及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等。 9、繪制主要零部件圖。 三、編制計(jì)算結(jié)果匯總表 四、繪制換熱器裝配圖 五、提出技術(shù)要求 六、編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第二節(jié) 列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì) 一、換熱終溫的確定 換熱終溫對(duì)換熱器的傳熱效率和傳熱強(qiáng)度有很大的影響。在逆流換熱時(shí)，當(dāng)流體出口終溫與熱流體入口初溫接近時(shí)，熱利用率高，但傳熱強(qiáng)度最小，需要的傳熱面積最大。 為合理確定介質(zhì)溫度和換熱終溫，可參考以下數(shù)據(jù)： 1、熱端溫差（大溫差）不小于20℃。 2、冷端溫差（小溫差）不小于5℃。 3、在冷卻器或冷凝器中，冷卻劑的初溫應(yīng)高于被冷卻流體的凝固點(diǎn)；對(duì)于含有不凝氣體的冷凝，冷卻劑的終溫要求低于被冷凝氣體的露點(diǎn)以下5℃。 二、平均溫差的計(jì)算 設(shè)計(jì)時(shí)初算平均溫差Dtｍ，均將換熱過(guò)程先看做逆流過(guò)程計(jì)算。 1、對(duì)于逆流或并流換熱過(guò)程，其平均溫差可按式（2－1）進(jìn)行計(jì)算： （2—1） 式中， 、 分別為大端溫差與小端溫差。當(dāng) 時(shí)，可用算術(shù)平均值 。 2、對(duì)于錯(cuò)流或折流的換熱過(guò)程，若無(wú)相變化，則要進(jìn)行溫差校正，即用公式（2－2）進(jìn)行計(jì)算。 （2－2） 式中 是按逆流計(jì)算的平均溫差，校正系數(shù) 可根據(jù)換熱器不同情況由化工原理教材有關(guān)插圖查出。一般要求 ＞0.8，否則應(yīng)改用多殼程或者將多臺(tái)換熱器串聯(lián)使用。 三、傳熱總系數(shù)Ｋ的確定 計(jì)算Ｋ值的基準(zhǔn)面積，習(xí)慣上常用管子的外表面積 。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象的基準(zhǔn)條件（設(shè)備型式、雷諾準(zhǔn)數(shù)Re、流體物性等）與某已知Ｋ值的生產(chǎn)設(shè)備相同或相近時(shí)，則可采用已知設(shè)備Ｋ值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為自己設(shè)計(jì)的Ｋ值。表2－1為常見(jiàn)列管式換熱器Ｋ值的大致范圍。由表2－1選取大致Ｋ值， 表2-1 列管式換熱器中的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值 冷流體 熱流體 總傳熱系數(shù)W/m2.℃ 水—水 850-1700 水—?dú)怏w 17-280 水—有機(jī)溶劑 280-850 水—輕油 340-910 水—重油 60-280 有機(jī)溶劑—有機(jī)溶劑 115-340 水—水蒸汽冷凝 1420-4250 氣體—水蒸汽冷凝 30-300 水—低沸點(diǎn)烴類冷凝 455-1140 水沸騰—水蒸蒸汽冷凝 2000-4250 輕油沸騰—水蒸汽 455-1020 用式（2－3）進(jìn)行Ｋ值核算。 （2－3） 式中：a－給熱系數(shù)，W/m2.℃； R－污垢熱阻，m2.℃／W； δ－管壁厚度，mm； λ－管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.℃； 下標(biāo)ｉ、ｏ、ｍ分別表示管內(nèi)、管外和平均。 當(dāng) 時(shí)近似按平壁計(jì)算，即： 在用式（2－3）計(jì)算Ｋ值時(shí)，污垢熱阻 、 通常采用經(jīng)驗(yàn)值，常用的污垢熱阻大致范圍可查《化工原理》相關(guān)內(nèi)容。 式中的給熱系數(shù)a，在列管式換熱器設(shè)計(jì)中常采用有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值公式計(jì)算給熱系數(shù)a，工程上常用的一些計(jì)算a的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式在《化工原理》已作了介紹，設(shè)計(jì)時(shí)從中選用。 四、傳熱面積A的確定 工程上常將列管式換熱器中管束所有管子的外表面積之和視為傳熱面積，由式（2－4）和式（2－5）進(jìn)行計(jì)算。 （2－4） （2－5） 式中： － 基于外表面 的傳熱系數(shù)，W/m2.℃ －管子外徑，ｍ； L－每根管子的有效長(zhǎng)度，ｍ； n－管子的總數(shù) 管子的有效長(zhǎng)度是指管子的實(shí)際長(zhǎng)度減去管板、擋板所占據(jù)的部分。管子總數(shù)是指圓整后的管子數(shù)減去拉桿數(shù)。 五、主要工藝尺寸的確定 當(dāng)確定了傳熱面積 后，設(shè)計(jì)工作進(jìn)入換熱器尺寸初步設(shè)計(jì)階段，包括以下內(nèi)容： 1、管子的選用。 選用較小直徑的管子，可以提高流體的對(duì)流給熱系數(shù)，并使單位體積設(shè)備中的傳熱面積增大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但制造麻煩，小管子易結(jié)垢，不易清洗，可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結(jié)垢的流體。 我國(guó)列管式換熱器常采用無(wú)縫鋼管，規(guī)格為外徑壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：φ192，φ252.5，φ383。 管子的選擇要考慮清洗工作的方便及合理使用管材，同時(shí)還應(yīng)考慮管長(zhǎng)與管徑的配合。國(guó)內(nèi)管材生產(chǎn)規(guī)格，長(zhǎng)度一般為：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12ｍ等。換熱器的換熱管長(zhǎng)度與殼徑之比一般在6－10，對(duì)于立式換熱器，其比值以4－6為宜。 殼程和殼程壓力降，流體在換熱器內(nèi)的壓降大小主要決定于系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，而系統(tǒng)的運(yùn)行壓力是靠輸送設(shè)備提供的。換熱器內(nèi)流體阻力損失（壓力降）越大，要求輸送設(shè)備的功率就越大，能耗就越高。對(duì)于無(wú)相變的換熱，流體流速越高，換熱強(qiáng)度越大，可使換熱面積減小，設(shè)備緊湊，制作費(fèi)低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速過(guò)高，也有不利的一面，壓力降增大，泵功率增加，對(duì)傳熱管的沖蝕加劇。因此，在換熱器的設(shè)計(jì)中有個(gè)適宜流速的選取和合理壓力降的控制問(wèn)題。 一般經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于液體，在壓力降控制在0.01～0.1MPa之間，對(duì)于氣體，控制在0.001～0.01MPa之間。 表2－2列出了換熱器不同操作條件壓力下合理壓降的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，供設(shè)計(jì)參考。 表2－2 列管換熱器合理壓降的選取 換 熱 器 操作情況 負(fù)壓運(yùn)行 低壓運(yùn)行 中壓運(yùn)行 （包括用泵輸送液體） 較高壓運(yùn)行 P<0.17 P>0.17 操作壓力 （MPa絕壓） P=0～0.1 P=0.1～0.17 P＝0.17～1.1 P=1.1～3.1 P=3.1～8.2 合理壓降（MPa） DP＝P/10 DP＝ｐ/2 DP=0.035 △ｐ=0.035～0.18 △ｐ=0.07～0.25 2、管子總數(shù)n的確定。 對(duì)于已定的傳熱面積，當(dāng)選定管徑和管長(zhǎng)后便可求所需管子數(shù)ｎ，由式 （2－6）進(jìn)行計(jì)算。 （2－6） 式中 －傳熱面積， ； －管子外徑，m； L－每根管子的有效長(zhǎng)度，m； 計(jì)算所得的管子n進(jìn)行圓整 3、管程數(shù)m的確定。 根據(jù)管子數(shù)n可算出流體在管內(nèi)的流速 ，由式（2－7）計(jì)算。 （2－7） 式中 vs－管程流體體積流量， －管子內(nèi)徑， m； n－管子數(shù)。 若流速 與要求的適宜流速相比甚小時(shí)，便需采用多管程，管程數(shù)ｍ可按式（2－8）進(jìn)行計(jì)算。 ｍ＝u／ （2－8) 式中 —用管子數(shù)n求出的管內(nèi)流速，ｍ／ｓ； u－要求的適宜流速，ｍ／ｓ； 式（2－8）中的適宜流速u要根據(jù)列管換熱器中常用的流速范圍進(jìn)行選定，參見(jiàn)《化工原理》相關(guān)內(nèi)容，一般要求在湍流下工作（高粘度流體除外），與此相對(duì)應(yīng)的Re值，對(duì)液體為5103，氣體則為 - 。 分程時(shí)，應(yīng)使每程的管子數(shù)大致相等，生產(chǎn)中常用的管程數(shù)為1、2、4、6、四種。 4、管子的排列方式及管間距的確定。 管子在管板上排列的原則是：管子在整個(gè)換熱器的截面上均勻分布，排列緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，方便制造并適合流體的特性。其排列方式通常為等邊三角形與正方形兩種，也有采用同心圓排列法和組合排列法。 在一些多程的列管換熱器中，一般在程內(nèi)為正三角形排列，但程與程之間常用正方形排列，這對(duì)于隔板的安裝是很有利的，此時(shí)，整個(gè)管板上的排列稱為組合排列。 對(duì)于多管程的換熱器，分程的縱向隔板占據(jù)了管板上的一部分面積，實(shí)際排管數(shù)比理論要少，設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際的管數(shù)應(yīng)通過(guò)管板布置圖而得。 在排列管子時(shí)，應(yīng)先決定好管間距。決定管間距時(shí)應(yīng)先考慮管板的強(qiáng)度和清理管子外表時(shí)所需的方法，其大小還與管子在管板上的固定方式有關(guān)。大量的實(shí)踐證明，最小管間距的經(jīng)驗(yàn)值為： 焊接法 脹接法 ，一般取(1.3～1.5) 管束最外層管子中心距殼體內(nèi)表面距離不小于 。 5、殼體的計(jì)算。 列管換熱器殼體的內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于（對(duì)于浮頭式換熱器）管板的直徑，可由式（2－9）進(jìn)行計(jì)算。 Di＝a（b－1）＋2L （2－9） 式中Di－殼體內(nèi)徑，mm； a－管間距，mm； b－最外層六邊形對(duì)角線上的管子數(shù)； L－最外層管子中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取L=(1～1.5) ，mm；若對(duì)管子分程則Di＝f＋2L f值的確定方法：可查表求取，也可用作圖法。當(dāng)已知管子數(shù)n和管間距a后開(kāi)始按正三角形排列，直至排好ｎ根為止，再統(tǒng)計(jì)對(duì)角線上的管數(shù)。 計(jì)算出的殼徑Di要圓整到容器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列內(nèi)。 第三節(jié)列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì) 在化工企業(yè)中列管式換熱器的類型很多，如板式，套管式，蝸殼式，列管式。其中列管式換熱器雖在熱效率、緊湊性、金屬消耗量等方面均不如板式換熱器，但它卻具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、材料范圍廣等特點(diǎn)，因此成為石油、化工生產(chǎn)中，尤其是高溫、高壓和大型換熱器的主要結(jié)構(gòu)形式。 列管式換熱器主要有固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱器和U型管式換熱器，而其中固定管板式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，因此應(yīng)用最普遍。 列管式換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)包括： 1、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。 2、換熱器封頭選擇。 3、壓力容器法蘭選擇。 4、管板尺寸確定。 5、管子拉脫力的計(jì)算。 6、折流板的選擇與計(jì)算。 7、溫差應(yīng)力的計(jì)算。 8、接管、接管法蘭選擇及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等。 9繪制主要零部件圖和裝配圖。 下面分述如下： 一、殼體直徑的決定和殼體壁厚的計(jì)算。 1、已知條件：由工藝設(shè)計(jì)知管程和殼程介質(zhì)種類、溫度、壓力、殼與壁溫差、以及換熱面積。 2、計(jì)算 (1)管子數(shù)n： 列管換熱器常用無(wú)縫鋼管，規(guī)格如下： 碳鋼 f192 f252.5 f323 f383 不銹鋼 f192 f252 f322 f382.5 管子材質(zhì)的選擇依據(jù)是介質(zhì)種類，如果介質(zhì)無(wú)腐蝕，可選碳鋼，而介質(zhì)有腐蝕則選擇不繡鋼。管長(zhǎng)規(guī)格有1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000mm。 n=A/(pdmL)，其中 A—換熱面積(m2)； L—換熱管長(zhǎng)度mm； dm—管子的平均直徑mm。 由于在列管式換熱器中要安裝4根或6根拉桿。所以實(shí)際換熱管子數(shù)為{n-4(6)}根。 (2)管子排列方式，管間距確定。 管子排列方式一般在程內(nèi)采用正三角形排列，而在程與程之間采用正方形排列。管間距根據(jù)最小管間距選擇。 最小管間距 管子外徑（mm） 14 19 25 32 38 45 57 最小管間距（mm） 16 25 32 40 48 57 70 (3)換熱器殼體直徑的確定 殼體直徑計(jì)算公式：當(dāng)采用正三角形排列時(shí)為Di=a(b-1)+2L 式中Di—換熱器內(nèi)徑； a—管間距； b—正三角形對(duì)角線上的管子數(shù)； L—最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離。 若對(duì)管子進(jìn)行分程則Di=f+2L 式中f—?dú)んw同一內(nèi)直徑兩端管子中心距mm； Di、L同上。 計(jì)算出Di后還要圓整到公稱直徑系列中。 (4)換熱器殼體壁厚的計(jì)算 計(jì)算壁厚為 S=PDi/(2[σ]tΦ－P) 式中 P—設(shè)計(jì)壓力，MPa；當(dāng)P﹤0.6 MPa時(shí)，取P=0.6 MPa； Di—?dú)んw內(nèi)徑，mm； Φ—焊縫系數(shù)，根據(jù)焊縫情況選取Φ=0.85-1.0； [σ]t—?dú)んw材質(zhì)在設(shè)計(jì)溫度時(shí)的許用應(yīng)力，MPa。 材質(zhì)選取原則同管子的選取原則一樣。 計(jì)算出S后還要根據(jù)鋼板厚度負(fù)偏差表選取鋼板厚度負(fù)偏差C1；根據(jù)腐蝕情況選取腐蝕裕量C2，C2=KaB 其中Ka為腐蝕速度(mm/a)，B為容器的設(shè)計(jì)壽命。 當(dāng)材料的腐蝕速度為0.05～0.1mm/a 時(shí)，單面腐蝕取C2=1～2mm，雙面腐蝕取C2=2～4mm。 當(dāng)材料的腐蝕速度小于或等于0.05mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm，雙面腐蝕取C2=2mm。 對(duì)于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時(shí)可取C2=0。 最后將S+C1+C2圓整到鋼板厚度系列中去，所以總厚度Sn=S+C1+C1+C， C—圓整值。 二、換熱器封頭選擇 各種封頭型式均可選用，但應(yīng)用最多的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，目前已有標(biāo)準(zhǔn)系列。使用時(shí)可查JB-1154-73標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)附錄1。 三、容器法蘭的選擇 1、材質(zhì)：根據(jù)容器接觸介質(zhì)和溫度、壓力條件確定。 2、法蘭類型：可供選擇的容器法蘭有三種，即甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。其標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為JB4700～4707—92，見(jiàn)附錄2。 四、管板尺寸確定 選用固定式換熱器管板，并兼作法蘭。推薦采用《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中有關(guān)內(nèi)容。 見(jiàn)附錄3。 五、拉脫力計(jì)算 拉脫力的定義是管子每平方米脹接周邊上所受到的力。對(duì)于管子與管板是焊接聯(lián)接的接頭，實(shí)驗(yàn)表明，接頭的強(qiáng)度高于管子本身與金屬的強(qiáng)度，拉脫力不足以引起接頭的破壞;但對(duì)于管子與管板是脹接的接頭，拉脫力則可能引起接頭處和密封性的破壞，或使管子拉脫，為保證管端與管板牢固地連接和良好的密封性能，必須進(jìn)行拉脫力的校核。 1、在操作情況下管子或殼體中的溫差軸向力為 F=[at(tt－to)－as(ts－to)]/[1/EtAt＋1/EsAs] 式中 At、As--換熱器管、殼體壁截面積； at—管材線膨脹系數(shù) 1/℃； as—?dú)げ木€膨脹系數(shù) 1/℃； to—安裝時(shí)溫度 ℃； tt—操作狀態(tài)下溫度 ℃。 在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為：st=F/At； ss=F/As 2、在操作壓力下，每平方米脹接周邊上所受到的力Qq=Pf/(pdoL) 式中 P=｛管程壓力Pt或殼程壓力Ps｝中大者 f=0.866a2－p /4，三角形排列 =a2－p /4，正方形排列，a--管間距 3、在溫差應(yīng)力作用下管子每平方米脹接周邊上所受到的力Qq： Qq=st.at／pdoL=st( － )/4doL 式中st—管子中的溫差應(yīng)力； ａt(yī)—每根管子管壁橫截面積，mm2； 、 —管子外、內(nèi)徑mm。 Qq與Qt可能同向亦可能反向 同向時(shí)：q=Qq+Qt 反向時(shí)：q=|Qq－Qt| 方向確定原則：① 當(dāng)Pt>s，且tt>ts，則同向 ② 當(dāng)Pts，且ttts，則反向 4、許用拉脫力：MPa 換熱管與管板換熱型式 許用拉脫力[q] 管端不卷邊管板孔不開(kāi)槽脹接 2.0MPa 管端卷邊管板孔開(kāi)槽脹接 4.0MPa 5、是否設(shè)置膨脹節(jié)判據(jù)： 當(dāng)q[q]時(shí)需設(shè)置膨脹節(jié)，否則不必設(shè)置。 六、膨脹節(jié)的選擇 1、膨脹節(jié)的補(bǔ)償量 為了保證膨脹節(jié)在完全彈性的條件下安全工作，它的補(bǔ)償量是有限度的。在附錄中給出了用不同材料制的單層、單波具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的膨脹節(jié)的允許補(bǔ)償量[DL]。根據(jù)換熱器工作時(shí)的殼壁溫度ts，管壁溫度tt，安裝溫度to，以及殼體和管子的線膨脹系數(shù)，可以算出換熱器所需要的熱變形補(bǔ)償量[DLtc]： [DLtc]=〔αt(tt－to)-αs(tt-to)〕L 若[DLtc]<[DL]，用一個(gè)單波膨脹節(jié)。 若[DLtc]>[DL]，用兩個(gè)或兩個(gè)以上的膨脹節(jié)。 2、膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸 波形膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)附錄3，公稱壓力在2.5MPa以下，公稱直徑不超過(guò)2000mm的膨脹節(jié)，已有標(biāo)準(zhǔn)，附錄3給出了標(biāo)準(zhǔn)膨脹節(jié)的幾何尺寸。 七、折流擋板設(shè)計(jì) 折流板具有提高殼程內(nèi)流體的流速，加強(qiáng)湍流程度，提高傳熱效率和支承換熱管的作用。折流板具有橫向和縱向之分，折流板形式、折流板最小壁厚、折流板最大間距、最小間距、折流板外徑，拉桿直徑和數(shù)量見(jiàn)《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》有關(guān)內(nèi)容。 八、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) 當(dāng)換熱器殼體和封頭上的接管處需要補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，常用的結(jié)構(gòu)是在開(kāi)孔外面焊上一塊與容器器壁材料和厚度相同的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)強(qiáng)圈。 九、接管法蘭選取參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)HGJ44～76--91。 十、支座 換熱器支座可選裙座或雙鞍式支座。其中鞍式支座設(shè)計(jì)參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712-92。 十一、畫出裝配圖，按化工制圖要求繪制。