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列管式換熱器的選用與設計原則
閱讀：800 發布時間：2022-9-19列管式換熱器的選用與設計原則
換熱器的設計即是通過傳熱過程計算確定經濟合理的傳熱面積以及換熱器的結構尺寸，以完成生產工藝中所要求的傳熱任務。換熱器的選用也是根據生產任務，計算所需的傳熱面積，選擇合適的換熱器。由于參與換熱流體特性的不同，換熱設備結構特點的差異，因此為了適應生產工藝的實際需要，設計或選用換熱器時需要考慮多方面的因素，進行一系列的選擇，并通過比較才能設計或選用出經濟上合理和技術上可行的換熱器。
本節將以列管式換熱器為例，說明換熱器選用或設計時需要考慮的問題。
一、 流體通道的選擇
流體通道的選擇可參考以下原則進行：
1． 不潔凈和易結垢的流體宜走管程，以便于清洗管子；
2． 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕，而且管內也便于檢修和清洗；
3． 高壓流體宜走管程，以免殼體受壓，并且可節省殼體金屬的消耗量；
4． 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程；
5． 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強冷卻效果；
6． 有毒流體宜走管程，以減少流體泄漏；
7． 粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數（Re<100）下即可達到湍流，可提高對流傳熱系數。但是有時在動力設備允許的條件下，將上述流體通入多管程中也可得到較高的對流傳熱系數。
在選擇流體通道時，以上各點常常不能兼顧，在實際選擇時應抓住主要矛盾。如首先要考慮流體的壓力、腐蝕性和清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數和阻力系數等，以便作出合理的選擇。
二、 流體流速的選擇
換熱器中流體流速的增加，可使對流傳熱系數增加，有利于減少污垢在管子表面沉積的可能性，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數增大。然而流速的增加又使流體流動阻力增大，動力消耗增大。因此，適宜的流體流速需通過技術經濟核算來確定。充分利用系統動力設備的允許壓降來提高流速是換熱器設計的一個重要原則。在選擇流體流速時，除了經濟核算以外，還應考慮換熱器結構上的要求。
表5-4給出工業上的常用流速范圍。除此之外，還可按照液體的粘度選擇流速，按材料選擇容許流速以及按照液體的易燃、易爆程度選擇安全允許流
三、 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定，則不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中體僅已知進口溫度，則出口溫度應由設計者來確定。例如用冷水冷卻一熱流體，冷水的進口溫度可根據當地的氣溫條件作出估計，而其出口溫度則可根據經濟核算來確定：為了節省冷水量，可使出口溫度提高一些，但是傳熱面積就需要增加；為了減小傳熱面積，則需要增加冷水量。兩者是相互矛盾的。一般來說，水源豐富的地區選用較小的溫差，缺水地區選用較大的溫差。不過，工業冷卻用水的出口溫度一般不宜高于45℃，因為工業用水中所含的部分鹽類（如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4等）的溶解度隨溫度升高而減小，如出口溫度過高，鹽類析出，將形成傳熱性能很差的污垢，而使傳熱過程惡化。如果是用加熱介質加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質的出口溫度。
四、 管徑、管子排列方式和殼體直徑的確定
小直徑管子能使單位體積的傳熱面積大，因而在同樣體積內可布置更多的傳熱面。或者說，當傳熱面積一定時，采用小管徑可使管子長度縮短，增強傳熱，易于清洗。但是減小管徑將使流動阻力增加，容易積垢。對于不清潔、易結垢或粘度較大的流體，宜采用較大的管徑。因此，管徑的選擇要視所用材料和操作條件而定，總的趨向是采用小直徑管子。
管長的選擇是以合理使用管材和清洗方便為原則。國產管材的長度一般為6m，因此管殼式換熱器系列標準中換熱管的長度分為1.5、2、3或6m幾種，常用3m或6m的規格。長管不易清洗，且易彎曲。此外，管長L與殼體D的比例應適當，一般L/D=4～6。
管子的排列方式有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列三種。等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數大；正方形直列比較松散，對流傳熱系數較三角形排列時低，但管外壁清洗方便，適用于殼程流體易結垢的場合；正方形錯列則介于上述兩者之間，對流傳熱系數較直列高。
管子在管板上的間距t跟管子與管板的連接方式有關：脹管法一般取t=（1.3～1.5）do，且相鄰兩管外壁的間距不小于6mm；焊接法取t=1.25do。
換熱器殼體內徑應等于或稍大于管板的直徑。通常是根據管徑、管數、管間距及管子的排列方式用作圖法確定。
五、 管程和殼程數的確定
當流體的流量較小而所需的傳熱面積較大時，需要管數很多，這可能會使流速降低，對流傳熱系數減小。為了提高流速，可采用多管程。但是管程數過多將導致流動阻力增大，平均溫差下降，同時由于隔板占據一定面積，使管板上可利用的面積減少。設計時應綜合考慮。采用多管程時，一般應使各程管數大致相同。
當列管式換熱器的溫差修正系數 時，可采用多殼程，如殼體內安裝與管束平行的隔板。但由于在殼體內縱向隔板的制造、安裝和檢修都比較困難，故一般將殼體分為兩個或多個，將所需總管數分裝在直徑相等而較小的殼體中，然后將這些換熱器串聯使用，如圖5-23所示。
六、 折流板
折流板又稱折流擋板，安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的對流傳熱系數。其常用型式有弓形折流板、圓盤形折流板（如圖5-24所示）以及螺旋折流板等。常用型式為弓形折流板。折流板的形狀和間距對殼程流體的流動和傳熱具有重要影響。
通常弓形缺口的高度約為殼體直徑的10%～40%，一般取20%～25%。兩相鄰折流板的間距也需選擇適當，間距過大，則不能保證流體垂直流過管束，流速減小，對流傳熱系數降低；間距過小，則流動阻力增大，也不利于制造和檢修。一般折流板的間距取為殼體內徑的20%～99%。
七、 換熱器中傳熱與流體流動阻力計算
有關列管式換熱器的傳熱計算可按已選定的結構型式，按前一章相關內容，根據傳熱過程各個環節分別計算出兩側流體的對流傳熱熱阻及導熱熱阻，得到總傳熱系數，再按本章前述內容進行換熱器傳熱計算。
列管式換熱器中流動阻力計算應按殼程和管程兩個方面分別進行。它與換熱器的結構型式和流體特性有關。一般對特定型式換熱器可按經驗方程計算，計算式比較繁雜，具體內容可參閱有關的換熱器設計教科書或手冊。
八、 列管式換熱器的選用和設計的一般步驟：
列管式換熱器的選用和設計計算步驟基本上是一致的，其基本步驟如下：
1．估算傳熱面積，初選換熱器型號
（1） 根據傳熱任務，計算傳熱速率；
（2） 確定流體在換熱器中兩端的溫度，并按定性溫度計算流體物性；
（3） 計算傳熱溫差，并根據溫差修正系數不小于0.8的原則，確定殼程數或調整加熱介質或冷卻介質的終溫；
（4） 根據兩流體的溫差，確定換熱器的型式；
（5） 選擇流體在換熱器中的通道；
（6） 依據總傳熱系數的經驗值范圍，估取總傳熱系數值；
（7） 依據傳熱基本方程，估算傳熱面積，并確定換熱器的基本尺寸或按系列標準選擇換熱器的規格；
（8） 選擇流體的流速，確定換熱器的管程數和折流板間距。
2．計算管程和殼程流體的流動阻力
根據初選的設備規格，計算管程和殼程流體的流動阻力，具體的計算方法可參考文獻[1、3、5]的有關內容。檢查計算結果是否合理和滿足工藝要求。若不符合要求，再調整管程數或折流板間距，或選擇其他型號的換熱器，重新計算流動阻力，直到滿足要求為止。
3．計算傳熱系數，校核傳熱面積
計算管程、殼程的對流傳熱系數，確定污垢熱阻，計算傳熱系數和所需的傳熱面積。一般選用換熱器的實際傳熱面積比計算所需傳熱面積大10%～25%，否則另設總傳熱系數，另選換熱器，返回步，重新進行校核計算。
上述步驟為一般原則，可視具體情況作適當調整，對設計結果應進行分析，發現不合理處要反復計算。在計算時應嘗試改變設計參數或結構尺寸甚至改變結構型式，對不同的方案進行比較，以獲得技術經濟性較好的換熱器。
換熱器的設計即是通過傳熱過程計算確定經濟合理的傳熱面積以及換熱器的結構尺寸，以完成生產工藝中所要求的傳熱任務。換熱器的選用也是根據生產任務，計算所需的傳熱面積，選擇合適的換熱器。由于參與換熱流體特性的不同，換熱設備結構特點的差異，因此為了適應生產工藝的實際需要，設計或選用換熱器時需要考慮多方面的因素，進行一系列的選擇，并通過比較才能設計或選用出經濟上合理和技術上可行的換熱器。
本節將以列管式換熱器為例，說明換熱器選用或設計時需要考慮的問題。
一、 流體通道的選擇
流體通道的選擇可參考以下原則進行：
1． 不潔凈和易結垢的流體宜走管程，以便于清洗管子；
2． 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕，而且管內也便于檢修和清洗；
3． 高壓流體宜走管程，以免殼體受壓，并且可節省殼體金屬的消耗量；
4． 飽和蒸汽宜走殼程，以便于及時排出冷凝液，且蒸汽較潔凈，不易污染殼程；
5． 被冷卻的流體宜走殼程，可利用殼體散熱，增強冷卻效果；
6． 有毒流體宜走管程，以減少流體泄漏；
7． 粘度較大或流量較小的流體宜走殼程，因流體在有折流板的殼程流動時，由于流體流向和流速不斷改變，在很低的雷諾數（Re<100）下即可達到湍流，可提高對流傳熱系數。但是有時在動力設備允許的條件下，將上述流體通入多管程中也可得到較高的對流傳熱系數。
在選擇流體通道時，以上各點常常不能兼顧，在實際選擇時應抓住主要矛盾。如首先要考慮流體的壓力、腐蝕性和清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數和阻力系數等，以便作出合理的選擇。
二、 流體流速的選擇
換熱器中流體流速的增加，可使對流傳熱系數增加，有利于減少污垢在管子表面沉積的可能性，即降低污垢熱阻，使總傳熱系數增大。然而流速的增加又使流體流動阻力增大，動力消耗增大。因此，適宜的流體流速需通過技術經濟核算來確定。充分利用系統動力設備的允許壓降來提高流速是換熱器設計的一個重要原則。在選擇流體流速時，除了經濟核算以外，還應考慮換熱器結構上的要求。
表5-4給出工業上的常用流速范圍。除此之外，還可按照液體的粘度選擇流速，按材料選擇容許流速以及按照液體的易燃、易爆程度選擇安全允許流
三、 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定，則不存在確定流體兩端溫度的問題。若其中體僅已知進口溫度，則出口溫度應由設計者來確定。例如用冷水冷卻一熱流體，冷水的進口溫度可根據當地的氣溫條件作出估計，而其出口溫度則可根據經濟核算來確定：為了節省冷水量，可使出口溫度提高一些，但是傳熱面積就需要增加；為了減小傳熱面積，則需要增加冷水量。兩者是相互矛盾的。一般來說，水源豐富的地區選用較小的溫差，缺水地區選用較大的溫差。不過，工業冷卻用水的出口溫度一般不宜高于45℃，因為工業用水中所含的部分鹽類（如CaCO3、CaSO4、 MgCO3和MgSO4等）的溶解度隨溫度升高而減小，如出口溫度過高，鹽類析出，將形成傳熱性能很差的污垢，而使傳熱過程惡化。如果是用加熱介質加熱冷流體，可按同樣的原則選擇加熱介質的出口溫度。
四、 管徑、管子排列方式和殼體直徑的確定
小直徑管子能使單位體積的傳熱面積大，因而在同樣體積內可布置更多的傳熱面。或者說，當傳熱面積一定時，采用小管徑可使管子長度縮短，增強傳熱，易于清洗。但是減小管徑將使流動阻力增加，容易積垢。對于不清潔、易結垢或粘度較大的流體，宜采用較大的管徑。因此，管徑的選擇要視所用材料和操作條件而定，總的趨向是采用小直徑管子。
管長的選擇是以合理使用管材和清洗方便為原則。國產管材的長度一般為6m，因此管殼式換熱器系列標準中換熱管的長度分為1.5、2、3或6m幾種，常用3m或6m的規格。長管不易清洗，且易彎曲。此外，管長L與殼體D的比例應適當，一般L/D=4～6。
管子的排列方式有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列三種。等邊三角形排列比較緊湊，管外流體湍動程度高，對流傳熱系數大；正方形直列比較松散，對流傳熱系數較三角形排列時低，但管外壁清洗方便，適用于殼程流體易結垢的場合；正方形錯列則介于上述兩者之間，對流傳熱系數較直列高。
管子在管板上的間距t跟管子與管板的連接方式有關：脹管法一般取t=（1.3～1.5）do，且相鄰兩管外壁的間距不小于6mm；焊接法取t=1.25do。
換熱器殼體內徑應等于或稍大于管板的直徑。通常是根據管徑、管數、管間距及管子的排列方式用作圖法確定。
五、 管程和殼程數的確定
當流體的流量較小而所需的傳熱面積較大時，需要管數很多，這可能會使流速降低，對流傳熱系數減小。為了提高流速，可采用多管程。但是管程數過多將導致流動阻力增大，平均溫差下降，同時由于隔板占據一定面積，使管板上可利用的面積減少。設計時應綜合考慮。采用多管程時，一般應使各程管數大致相同。
當列管式換熱器的溫差修正系數 時，可采用多殼程，如殼體內安裝與管束平行的隔板。但由于在殼體內縱向隔板的制造、安裝和檢修都比較困難，故一般將殼體分為兩個或多個，將所需總管數分裝在直徑相等而較小的殼體中，然后將這些換熱器串聯使用，如圖5-23所示。
六、 折流板
折流板又稱折流擋板，安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的對流傳熱系數。其常用型式有弓形折流板、圓盤形折流板（如圖5-24所示）以及螺旋折流板等。常用型式為弓形折流板。折流板的形狀和間距對殼程流體的流動和傳熱具有重要影響。
通常弓形缺口的高度約為殼體直徑的10%～40%，一般取20%～25%。兩相鄰折流板的間距也需選擇適當，間距過大，則不能保證流體垂直流過管束，流速減小，對流傳熱系數降低；間距過小，則流動阻力增大，也不利于制造和檢修。一般折流板的間距取為殼體內徑的20%～99%。
七、 換熱器中傳熱與流體流動阻力計算
有關列管式換熱器的傳熱計算可按已選定的結構型式，按前一章相關內容，根據傳熱過程各個環節分別計算出兩側流體的對流傳熱熱阻及導熱熱阻，得到總傳熱系數，再按本章前述內容進行換熱器傳熱計算。
列管式換熱器中流動阻力計算應按殼程和管程兩個方面分別進行。它與換熱器的結構型式和流體特性有關。一般對特定型式換熱器可按經驗方程計算，計算式比較繁雜，具體內容可參閱有關的換熱器設計教科書或手冊。
八、 列管式換熱器的選用和設計的一般步驟：
列管式換熱器的選用和設計計算步驟基本上是一致的，其基本步驟如下：
1．估算傳熱面積，初選換熱器型號
（1） 根據傳熱任務，計算傳熱速率；
（2） 確定流體在換熱器中兩端的溫度，并按定性溫度計算流體物性；
（3） 計算傳熱溫差，并根據溫差修正系數不小于0.8的原則，確定殼程數或調整加熱介質或冷卻介質的終溫；
（4） 根據兩流體的溫差，確定換熱器的型式；
（5） 選擇流體在換熱器中的通道；
（6） 依據總傳熱系數的經驗值范圍，估取總傳熱系數值；
（7） 依據傳熱基本方程，估算傳熱面積，并確定換熱器的基本尺寸或按系列標準選擇換熱器的規格；
（8） 選擇流體的流速，確定換熱器的管程數和折流板間距。
2．計算管程和殼程流體的流動阻力
根據初選的設備規格，計算管程和殼程流體的流動阻力，具體的計算方法可參考文獻[1、3、5]的有關內容。檢查計算結果是否合理和滿足工藝要求。若不符合要求，再調整管程數或折流板間距，或選擇其他型號的換熱器，重新計算流動阻力，直到滿足要求為止。
3．計算傳熱系數，校核傳熱面積
計算管程、殼程的對流傳熱系數，確定污垢熱阻，計算傳熱系數和所需的傳熱面積。一般選用換熱器的實際傳熱面積比計算所需傳熱面積大10%～25%，否則另設總傳熱系數，另選換熱器，返回步，重新進行校核計算。
上述步驟為一般原則，可視具體情況作適當調整，對設計結果應進行分析，發現不合理處要反復計算。在計算時應嘗試改變設計參數或結構尺寸甚至改變結構型式，對不同的方案進行比較，以獲得技術經濟性較好的換熱器。