管壳式热交换器的热力计算

贝尔 -台华法
jo j h J c J l J b J s J r
针对带弓形折流板的管壳式热交换器中各种泄漏和旁路，引入各项校正因子来纠 正理想传热因子 hid。 jo jh 壳程平均传热因子 理想管束纯横流时的传热因子
计算公式
jh
ao
Gs c p
Pr 2 / 3 (
0.14 ) w
Gs
壳程流体质量流速
Jc 折流板切口核跨距校正因子， 用以表达因壳程折流板缺口效应时对理想传热因子的 修正。缺口处不排管时，它的值是 1.0。 Jl 壳流泄漏效应校正因子，包括壳体对折流板（E 流路）和管子对准拉的泄漏（A 流 路） ，其值一般是 0.7~0.8. Jb 管束 C 流路和 E 流路的旁路校正因子，其值通常为 0.7~0.9。 Js 管束进口区和出口区跨距与中间区不同的校正因子其值通常为 0.85~1.0。 Jr 层流时逆向传热温差校正因子。它只适用于壳程流体雷诺数低于 100，当雷诺数低 于 20 时充分有效。否则，它的值是 1。
b 弓形折流板: 对于缺口高度为 25%, Re=2000~1000000
多雷诺法： Nu 0.23 Re 0.6 Pr1/ 3 w
科恩法： Nu 0.36 Re
0.55
0.14
Pr w
1/ 3
0.14
廷克模型
A: 管子和折流板上的 管孔之间存在间隙， 流体泄漏。 B: 叉流 E C: 最外层管子和壳体 之间存在间隙，流体 泄漏。 D D: 折流板和壳体之间 存在间隙，流体泄漏。 E: 分程管板处的旁路。
3. 壳程流通截面积的确定
a. 纵向隔板，要确定其长度。
采用连续性方程。
标准： 使流体在纵向隔板转弯时的流速与各流程中顺管束流动时速度基本相等。 问题: 怎么确定壳程流速？
b. 弓形折流板，要确定其缺口高度。
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标准： 流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板间错流的流通截面积 相接近，以免因流动速度变化引起压降。
包括沿程阻力，回弯阻力和进、出口连接管阻力。
Pt Pi Pr PN
Pt Pr 总压降 回弯阻力 Pi PN 沿程阻力 进、出口连接管阻力
a) 沿程阻力计算
L wt2 Pi l i di 2
fi: di L w
i
Pa
莫迪圆管摩擦系数 范宁摩擦因子 圆管内径, m 管长, m 管内流体在平均温度下的密度, kg/m 管内流体流速, m/s 管内流体粘度校正因子 Re >2100， i / w 0.14 Re <2100， i / w 0.25
0.14
f Nu 0.027 Re 0.8 Pr1/ 3 w
2) 过渡区：Re＝2300～10000
6 10 5 校正因子 1 Re1.8
a aT
3）层流 Re<2300
1/ 3 f Nu 1.86(Re Pr)1/ 3 d / l w 0.14
2）有相变换热时
a) 冷凝换热
垂直管内的冷凝换热系数
2 l3 L L gg a 0.943 l t L 1/ 4
水平管内的冷凝换热系数
b) 沸腾换热
参照传热书
三. 压降计算，阻力计算
压降和阻力计算包括壳程和管程流体的压降和阻力计算。
1. 管程阻力计算
Principia and Design of Heat Exchanger Device 热交换器原理与设计
山东大学· 能源与动力工程学院 杜文静
第二章 管壳式换热器
一．管壳式热交换器的结构计算
结构计算的目的在于确定设备的主要结构参数和尺寸，包括： (1) 计算管程流通截面积，包括确定管子尺寸、数目、管程数，并选择管 子的排列方式等； (2) 确定壳体直径； (3) 计算壳程流通截面积，包括折流板类型； (4) 计算进出口连接管尺寸。
问题：弓形缺口处的流速如何来计算？
c. 盘环型折流板
标准： 每个位置的速度都应和其他位置接近。
4. 进出口连接管
基于连续性方程
需将计算得到的管径，圆整到最接近的标准管径。
二．管壳式热交换器的热力计算
1．总传热系数
gi internal fouling resistance go external fouling resistance dw thickness of tube lw thermal conductivity d0 tube outside diameter di tube inside diameter dm tube mean diameter
管内壁的污垢热阻 管外壁的污垢热阻 管壁厚度 管材的导热系数 管子的内径 管子的外径 管子平均直径 (d0-di)/ln(do/di)
2. 对流换热系数和柯尔本传热因子
复习几个无量纲温度 a: 表面传热系数； l: 特征长度； l: 导热系数 K n: a: u: l: n: 运动粘度； 热扩散率 流体的速度； 特征长度； 运动粘度 St ???
1. 管程流通截面积
基于连续性方程，质量守恒方程
所需管子数
问题: 怎么确定管程的流速？
tube length
换热器的管子长度和壳体直径之比一般在4~25之间，通常是 6~10。 如果管长过长，则应做成多流程的热交换器。
Zt: 管程数
2. 壳体直径的确定
下述公式可用来粗估内径：
将计算数值圆整到标准尺寸根据 GB151-1999 中相关标准进行选择。
b．壳侧对流传热系数
1）无折流板 纵向管外流动 求得当量直径后再按管内流动 4A 自由流动面积和湿周 d U 2）有折流板 a 盘环形折流板:
G d Nu 2.08d e0.6 m 0 f Gm：平均质量流速
0 .6
Pr 1 / 3 (
f 0.14 ) w
对流换热系数和柯尔本传热因子
Colburn heat transfer factor
Colburn mass transfer factor
1) 管内无相变时
a. 管内对流换热系数
1) 湍流：Re>10000 低黏性流体 高黏性流体
Nu 0.023 Re 0.8 Pr n
n＝0.4 or n＝0.3