管壳式热交换器6的设计与解决方案

第2章壳管式热交换器1？与传热系数定性温度有关的几个问题将流体的平均温度作为壁温流体和壁的平均温度. 油高粘度流体的流体入口和出口截面计算计算平均温度卡路里温度2卡路里温度特性传热系数可以看作是恒定传热系数与平均对数平均温度差的乘积，等于平均传热系数变化与实际温度差的乘积. 热量温度公式热流体的平均温度tm1t1Fct1t1冷流体的平均温度tm2t2Fct2t2FC热量得分3当壳侧流体冷却时Fc = 0.3;当壳侧流体在管侧被蒸汽加热时，壳侧和管侧的粘度为油. 低粘度液体的设定尺寸为10-3Pas以下Fc = 0.55 Fc = 0.45 Fc = 0.5选择原则主要影响流体运动或传热的尺寸圆管内的传热过程取管的内径di圆管外的强制流传热圆管外径d04非圆管等效直径d0当量直径de4A U其中: A——流体截面积U——湿周或热周长电阻它是所有湿周传热参与传热的周界5粘度非恒温热流的校正方向因数校正项不同功率的校正函数fwnPr f Pr wm壁温未知试错法加热和冷却近似液体加热和冷却气体6液体加热和冷却fw0.14 1.05 f0. 14w0.95气体fw0.14 1.0同时进行对流热交换和辐射热交换处理. 具有辐射能力的气体的温度较高. 辐射对流的总传热系数为7c r辐射T1 4 T2 4rnC0100T1100 T2其中: C0-黑体辐射常数，其值为5.67W /（m2k4）εn-组合热交换系统的黑度； ψ角系数T1，T2两个辐射物体的绝对温度8 3.壁温的计算放热侧壁温度吸热侧壁温度tw 1t1K 1rs，1 tmt1q 1rs，1 1 1twtw 2t2K 1rs，2 tmt2q 1rs，2 2 2其中: rs，1，rs，2——分别是放热侧和吸热侧的污垢的热阻. 注: K，α应该在同一基准面上. 计算9-壁温度测试算法步骤，假设一侧的温度（例如tw1）求出该侧的传热系数（α1）q1tw1 tw2 rw计算另一侧的温度（tw2）q22tw 2t2计算每单位的传热另一边的面积（q2）假设壁温正确q1 = q2 q1≠q2结束并重新假设壁温（例如tw1）10请注意，在假设壁温时，假设值应接近α值大的流体的温度

如果要考虑污垢的热阻，则应添加污垢的热阻因子. 方法图牛顿迭代法. 11在钢制立式管壳式热交换器中，使用饱和温度为ts = 111.38°C的溶液加热溶液. 已知管的直径为Φ32×2mm，管的高度为l = 1.5m，材料的导热系数为λ= 52w /（m℃），管中溶液的平均温度t2 = 68℃ ，传热系数α2= 3348w /（m2℃）求出蒸汽侧的管壁温度tw1. 溶液侧的单位传热面的传热量q2 t1w 21t2w w 296（6 tw168）冷凝膜的平均温度t11 2tstw 11 211 .31 8tw 1 12蒸汽与壁面的温度差tf ts tw1蒸汽的传热系数冷凝水1111.113131l 12tg fr46.9 8113 t1f24蒸汽侧每单位面积的热传递q11tstw 1比较q1和q2是否相等，最后得出壁温tw1 = 98℃，13第4节壳管热量交换器计算流动阻力的根本原因产生粘性流动阻力的条件决定固体壁流动阻力大小的因素物理性质流动条件壁面因素热交换器流动阻力分类摩擦阻力局部阻力14管壳式热交换器阻力管侧面电阻壳体侧面电阻不允许超过允许范围1.计算管道侧电阻侧向阻力△Pi弯曲阻力△Pr pt pi P r PN进，出口连接管阻力△PN 15侧向阻力△PiPiL diwt 22i其中: λ——莫迪管摩擦系数wt——流体在管道中的流速管道φi——当Re> 2100时管道内的流体粘度的校正系数Φi=（μ/μw）-0.14管道在Re <2100φi=（μ/μw）-0.2516弯曲阻力△PrPr4 wt22ztzt——管道入口和出口连接管电阻PN1.5 wn22非等温气流的附加电阻△Pa内部电阻△Ps总电阻△P =△Pi +△Pl +△Pa +△Ps17对于多管热交换器，总流体阻力应为等于每次通过中的直管阻力，后弯阻力和入口和出口阻力之和（通常忽略入口和出口阻力）: pip 1 p 2 F tN s N pp1-流过直管的流体的压降， N / m2; p2-当流体流过弯头时的压降N / m2； Ft-腐蚀校正系数，25×2.5mm1.4，19×2mm1.5； Ns-串联的外壳通道数； Np-通过次数.

直管的压降p1可以根据流体力学的一般公式来计算；通过以下经验公式估算折弯处的压降p2: p23u 2218 2.壳侧电阻的计算无挡板雷诺数相同的管道壳侧的电阻系数由壳侧的电阻公式计算>壳体侧的摩擦系数>壳体侧的压降≯管道侧的压降壳体侧的压降<管道侧的压降横流光滑的圆管圆管Re = 102〜5 * 104直列管束P s0.6R 61 e5 w ma 2x0.14 N w19交错管束P s1.5R1 e5 w ma2x0.14 N w其中: N——代表横穿管排的流体数量wmax—— m / s弓形折流板最窄横截面的速度，壳侧阻力Bell方法理想管束的摩擦系数图检查理想管束的摩擦系数fk计算每个理想横流截面的阻力△Pbk P bk4fk M 2A s2 c2 Nc u0.14w Ms——壳侧流体质量流量，Kg / s.20计算每个理想的槽口阻力△Pwk，当Re≥100时，Re ＜100Pwk2A M bA s2c20.6NcwP wk 2A b6 AM cs sN cdw 0D lw s2A M bA sc2挡板泄漏旁路校正入口和出口部分挡板间距21挡板泄漏图挡板泄漏对电阻的校正系数2.37旁路图旁路对电阻影响的校正系数2.38入口和出口段挡板间距Rs1 2lsl，以llss为单位，当Re≥100时，n'= 1.6当Re <100时，n'= 122壳侧总电阻P s N b 1 P bR kb N b P w R k 1 2 P w R k b1N N cc wR s23用埃索计算壳侧压降p0的公式方法: p 0 p 1'p 2'F sN s其中: p1'-穿过管束的流体压降，N / m2； p2'—流体通过挡板时的压降，N / m2； Fs-壳侧压降的比例校正因子，液体为1.5，气体或可冷凝蒸汽为1.0.

p1F0fnc（NB1）u202p2 NB3.52D hu2c224其中: F-管布置方法的压降校正因子，正三角形布置的F = 0.5，正方形布置的F = 0.3，以及斜方形F ＝ 0.4； f0-壳侧流体的摩擦系数； nC-穿过管束中心线的管数； NB —挡板的数量； h —挡板之间的距离； u0 —根据壳侧流动截面积计算的流速，通常流过热交换器的液体的压降为0.1〜1atm，气体为0.01〜0.1atm. 设计时，应在压力降和传热面积之间权衡热交换器的过程尺寸，以满足过程要求. ，经济上合理. 25第5节壳-壳式换热器的合理设计1.换热器中流体流动空间的选择原则1.增加传热系数受到限制的一侧的传热系数，使传热表面两侧传热条件应尽可能接近. 2.节省金属材料3.方便清理污垢4.减少热量并降低冷却能力5.减少因加热不同而引起的壳体和管子的温差应力6.高压工作的热交换器使密封变得简单可靠7.促进流体的流入，分配和排放26.流体流动通道的选择1.不干净或易结垢的材料应流经易于清洁的一侧. 对于直管束，通常穿过管子，并且直管易于清洁； 2.在管的过程中应选择通过增加流速来增加对流传热系数的流体，因为管侧的横截面积小于壳侧，并且易于多次使用增加流量； 3.管道侧应采取腐蚀性液体，以免管束和管壳同时腐蚀. 4.应选择高压流体以防止壳体受压. 5.饱和蒸汽应流向壳侧. 冷凝水易于排出，其α与流量无关. 6.冷却液一般流向壳体侧，便于散热. 7.对于高粘度和低流量的流体，应选择壳侧. 由于壳侧的流路横截面和流向不断变化，因此当Re> 100时可以实现湍流.

27无法同时满足，我们应抓住主要矛盾，从流体压力，腐蚀性和清洁性要求中进行选择，然后考虑满足其他方面的要求. 2.流体温度和最终温度的确定流动方式传热面积已知平均温差传热单位数方法下游t1 t1 t1 t21exp11w1w w12 Kw1Fw228t2t2 t1 t2w w12 1exp11w1w w12 Kw1F逆流w2t1t1 t1 t1 t211wwe12 xepxp11ww12ww1热端之间的温度差不小于20°C，冷端之间的温度差不小于5°C. 冷却器的冷流体的初始温度应高于热流体的凝固点. 冷凝器包含不可冷凝的气体冷凝管壳式冷却器，以及冷流体的最终温度. 要求空冷热交换器的热流体出口和空气入口之间的温度差低于冷凝气体的露点低于5℃不低于20℃. 温差增加到20℃以上. 3.选择管径. 小管径优点: 增强的传热能力增加了单位体积的传热面积. 缺点: 增加的流动阻力增加了在管和管板之间的连接处泄漏的可能性. 管的长度与管的直径之间的比例关系为: 31单个管中的流量恒定，流截面积At，管数为n4 Atd i 2传热面积F，管道L的长度应为LFdn. 省略内径与计算出的直径LF之差. 4 Atdi32四，流体流量的选择流体流量应尽量使流体处于湍流状态，以避免压力过大. . 考虑机械条件和结构要求. 机械条件限制了流量的增加. 应避免液压冲击，振动和腐蚀，以增加流速. 当管子的数量少时，必须增加管子的长度以增加通过次数，以确保所需的传热面积.

但是，应考虑清洁和拆卸的不便. 实际选择的流速低于最佳流速，但流速的下限应保持在湍流范围内. 五，管壳式热交换器的热补偿问题热交换器上的应力，轴向力，轴向力，温差应力，拉拔力，周向力和轴向力34内部内压薄壁圆筒的力pD / 2s0D是平均直径s0是计算出的壁厚s0是计算出的壁厚在公式中: s0 2pDi ——圆筒的设计压力，paDi——圆筒的内径筒体，ms——筒体壁厚，mφ——焊缝系数；【σ】-筒体材料在设计温度下的允许应力，Pa； 35轴向力壳侧流体压力作用于管板的净表面，而管侧压力作用于由头和包括管部在内的管板两端的压力引起的轴向力值为F 14psD i2n02 d4ptdi2n其中: ps，pt壳侧压力，管道侧压力，pa di，d0管道内外径，mn-管道数. 壳管和F136的轴向力. 壳体和管之间的应力分布与弹性模量成正比. 壳体应力sPF1Es fsEs ftEt管应力公式: t pF1Et fsEs ftEtf截面积，m2E弹性模量，Pa37温差应力定义了由温差引起的力，称为温差应力或热应力，温差轴向应力. 原因固定管板式换热器的温差应力是假设管子和管板都没有弯曲和变形，并且每个管子都受到相同的力. 管壁的平均温度和壳壁的平均温度被用作每个壁表面的计算温度.

在安装温度下，它们的长度均为L；当进行热交换时，壳和管的温度都升高. 如果管壁温度高于壳体壁温度，则管的自由伸长率δt和壳体的自由伸长率δs分别为: tt（tt t0）L ss（tst0）L38αt，αs——温度膨胀系数管壳材料的1 /℃； t0——安装时的温度，℃tt，Ts——工作状态下的管壁温度和壳壁温度，℃；由于管子和壳体是刚性连接的，所以管子和壳体的实际伸长率必须相等，所以壳体会被拉伸，从而产生拉应力. 管被压缩，产生压缩应力. 该拉伸应力和压缩应力是温度差应力. 这就是产生温差应力的原因. 39温差应力产生的原因40温差应力的计算温差轴向力F由于温度差而拉长的壳体的总拉力应等于所有被压缩管的总压紧力，总拉力（或总压缩力）是温差的轴向力. 符号规定F为+，拉动表壳，并压缩表管；否则，反之亦然. 虎克定律管被tF2l Et ft压缩. 壳被sF2l Esfs41δtδs拉伸，即管和壳材料的弹性模量Pa； ft，fs-分别适用于所有管，壳的横截面积m2; F2——管子上的压缩力和壳上的拉力，N；组合组织温差应力F2ttwt0sts11t0Et ft Es fs管壁上的压应力为t P F2 ft壳壁上的拉应力是由s P F2的温差引起的轴向应力fs42 t tfsE tE s stw t0sts t0如果δtδs，则σσst11是拉伸应力. 如果δt为δc，则σσst11是拉伸应力43影响温差应力的因素. ΔT越大，温差应力越大. 温差应力越大，温差应力越大. 消除温差应力的较大方法是解决①壳体与管束之间的不一致性②消除壳体与管束之间的刚性约束.

③管壳束可以自由伸缩. 工程中常用的措施①减小壳体和管束之间的温差②安装柔性构件: 伸缩节③允许壳体和管束自由热膨胀44④每平方米膨胀的双套筒温度补偿拉力管接头承受的破坏力不足以使焊接接头引起接头断裂. 对于伸缩缝，拉力可能会损坏伸缩缝处的密封件或松动的管子. 在计算的压力和拉力的共同作用下，管中产生的应力为σt. 在温差应力的作用下，每平方米伸缩缝管产生的力qt为45. 在公式中: qtta d 0lσt——管的组合应力Pa a-管的截面积单个热交换管的壁m2l——膨胀深度或焊接高度m在工作压力下，每平方米膨胀周长的力qp为: 其中: qppf dolp-设计压力，以管侧压力pt和壳侧压力ps中的较大者，Mpa； f——每四个管之间的区域46管的拉拔力是由压力和压力周围的管的温度产生的. 管的圆周力可以沿相同的方向作用，也可以沿管的方向作用. 相反的方向. 如果两者沿相同方向作用在管子的圆周力上，则管子的拉力为qp + qt；否则，管的拉力为| qt-qp |，方向与qp和qt中的较大者相同. 检查计算出的拉拔力是否超出允许范围，需要采取相应措施减小拉拔力. 管道的拉拔力必须小于允许的拉拔力，即，q <[q]膨胀方法的允许的拉拔力末端不会卷起. 边缘，无缝隙伸缩缝的管板孔[q] = 0.2MPa管端压接，管缝隙伸缩缝的管板孔[q] = 0.4MPa47焊接方法的允许拉拔力[q] = 0.5 [σt] tt [σt ]-管材的允许应力，Pa；热补偿措施考虑热补偿的条件当管子和壳体由相同材料制成时，当壳壁和管壁之间的温差大于50°C时，必须考虑进行热补偿. 通货膨胀.

方法①减小管子和外壳之间的温差. 48管壁的温度始终接近传热系数大的流体温度. 使传热系数大的流体通过壳侧. 如果壳体温度低于管束温度，则可以使壳体绝缘以减少与壳体的温差. ②伸缩缝用于设置伸缩缝: （1）伸缩缝是具有较大轴向挠性的柔性件. 在较小的轴向力的作用下，会产生较大的轴向变形，可有效减小由于小壳体与换热管之间的温差引起的热应力. 49（2）防止管子和管板之间的连接被拔掉. 5051各种伸缩缝的特性和用途（1）平焊特性: 简单，易制造用途: 常压，低压（2）U形伸缩缝特性: 简单，数量大，可制成单波，多波. 用途: 广泛（3）护套类型特征: 复杂，具有增强的性能用途: 高压52确定是否需要设置膨胀节1，由温差F1532引起的轴向力，由中压F2和F3543引起的轴向力，应力评估壳壁应力管壁应力拉拔力SF1F2 AS2 [] tStF1 F3 At2 [] ttq ta [q] d0l管道稳定性t 管壳式冷却器，σt——壳管的轴向总应力，Pa ; [σs]，[Σt]-管壳材料的允许应力，Pa； φ——焊接系数[q]-允许的拉力，Pa伸缩缝的波数当一个波浪不能满足需要时，更多的Wave伸缩缝nex管的长度与管的自由延伸之间的差shell nex波浪的最大补偿= Lt tw t0sts t01其中: δ1-波浪的最大补偿L-管的有效长度（即两个管板内部之间的距离）.

56③管束和壳体均可自由膨胀. U型管式换热器填料函式换热器浮头式换热器. ④椭圆管板补偿椭圆管板. 管板中形成几个椭圆形的孔. 用于成形盖57的椭圆管板加工设备的设计使用椭圆头作为管板，该椭圆头焊接到热交换器壳体上. 应力情况比扁平管板要好得多，扁管板可以做得很薄，有助于减少热应力. 适用于高压大直径热交换器. 58挠性管板的膨胀差异管板和壳体之间有一个弧形过渡连接，该连接薄且有弹性，可以补偿壳体和管束之间的发热量. 弧具有最合适的曲率半径. 如果半径太大，则壳的半径会增加. 如果半径太小，则不能有效地执行热补偿. 它将导致局部应力集中. 59双管温度补偿管侧的流体入口和出口连接到环形空间以制成外套. 管中的流体与壳体侧的流体之间的温差减小，并且补偿能力与U形管式热交换器相似，从而完全消除了热应力. 60 VI. 管束的振动和抗振横向流体引起的振动纵向流体引起的振动流体引起的振动由流体在壳侧或管侧流动引起的振动；由流体速度的波动或脉动引起的振动；通过管或支架传播. 动力机振动61的振动主要是由壳体侧的流体流动引起的，而由流体在管侧的流动引起的振动通常可以忽略不计. 在壳侧流体中，由平行于管轴方向流动的纵向流所激发的振动幅度较小，并且由振动引起的结构破坏的可能性也远小于横向流.

62振动的不利后果机械故障试管与试管板之间的连接处泄漏试管弯曲严重；交变应力会导致管子疲劳损坏；换热管的摩擦和碰撞；通过挡板效应使管子自我修复；壳体侧的流体压力将增加；噪音会产生强烈的噪音（通常大于150 dB）. 63激励机制圆柱周围的流动: 随着雷诺数的增加，边界层首先分离，并且分离点连续向前移动；当雷诺数大到一定程度时，两行几乎稳定，不对称，交替下降关闭时，将形成沿相反旋转方向的涡流，并将随着主流向下游移动. 这是Kamen涡旋64流体的弹性激发条件（1）壳侧流体的流速达到或超过临界流速（2）还有其他激发机制流体弹性激发的特征自激65主要湍动颤动的频率等于热交换管的固有频率引起热交换管共振66 1.驻波的产生1.驻波的演示驻波---波形不传播，是一种集体振动形式媒体元素. 单词“ stay”的第一个含义. 2.驻波的形成驻波-当两列具有相同振幅的相干波在同一直线上沿相反方向传播时形成的叠加波. 6768涡旋脱落会产生噪音. 在某些条件下，它将在气室的两个壁之间产生一个驻波，该驻波垂直于管道并垂直于流动方向. 驻波在管束所在的壁之间来回反射. 能量被传播到外界，涡流被消散，输入能量不断. 当驻波频率和涡流频率耦合时，会发生气体振动，产生大量噪声.

6970关于声振动的注意事项（3）与交错管相比，在串联管中更容易发生声振动，并且在具有方形拐角的管束中最容易发生声振动. （1）由于声振动强度随壳侧流体速度的增加而增加，但是到达共振点后，声振动强度将随着壳侧流体速度的增加而减小，因此，如果没有振动声强度就不会增加. 限制. （2）壳侧流体的物理特性决定了声速. 当壳侧流体是液体时，由于声音在液体中的高速传播，很少发生声振动. 71当流体在管道的下游或横向流动时，湍流成分将能量传递到管道，导致管道的随机振动小于1.572. 当横向流速低时，卡曼涡旋声振动高，而流体弹性激发. 当横向振动速度很高时，射流被转换73换热管的振动破坏形式74自然振动换热单跨度管的频率固态多跨度管的固有振动频率具有U形管的固有振动频率的比率75振动★fv F1 0.5振动可能的动态准则★ft f1 0.5可能的振动★0.8 fv fa 1.20.8 ft fa 1.2可能的振动★v vc其中可能的振动: fv--涡流脱落频率ft--湍流颤动主频率fa--声驻波频率f1 ---热传输管的基本频率v ---流体错流速度vc ---流体弹性激发临界速度76（1）适当降低流速（流速↓，管间距↑）. （2）更改管束系统的固有频率. ①减小跨度. ②在管之间插入杆或板条. ③增加管道的强度和刚度（例如增加壁厚）. ④增加管道支撑的强度和刚度（例如增加挡板的厚度，使用挡板等）. （3）设置隔音分区. （4）破坏卡曼涡旋的形成. 防震措施（5）设置防震板或导流板. 7778798081谢谢您的关注！82

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