換熱器工藝計算流程 18610352092 北京高杰能源技術(shù)有限公司

一、通過HYSYS進行換熱器的工藝計算，采用管殼式換熱器類型。

二、打開ASPEN EDR

三、點擊NEW,選擇Shell&tube 點擊Creat

四、點擊SAVE,選擇保存的位置，保存名稱為XX 項目+設(shè)備位號

五、點擊Set unit 設(shè)定換熱器計算軟件單位為SI

六、點擊FILE/IMPROT 導(dǎo)入HYSYS計算軟件。選擇需要計算的換熱器。

七、進入Console選項，選擇Calculation mode： Rating/Checking TEMA type：BEM 或者其它形式，參見《冷換設(shè)備工藝計算手冊》P88頁，參見圖2.4 TEMA換熱器型式，優(yōu)先選型類型為BEM。

八、選擇Location of hot fluit: tubeside/shellside。 參見《冷換設(shè)備工藝計算手冊》P4頁，3.管殼程流體的確定。適于走管程的流體有水和水蒸汽或強腐蝕性流體；有毒性流體；容易結(jié)垢的流體；高溫或高壓操作的流體等。適于走殼程的流體有塔頂餾出物冷凝；烴的冷凝或再沸；關(guān)鍵壓力降控制的流體；粘度大的流體。

九、在tube OD/pitch 選擇19/25 或者 25/32。優(yōu)先選用19/25 如果用于再沸器則選用25/32。

十、在Tube pattern（布管方式） 選擇換熱器布管方式：30-Triangular， 60-Triangular ，90-Triangular，45-Triangular。具體的選型原則參見《換熱器設(shè)計手冊》P45頁。

十一、在Tube are in baffle windows 選擇 YES 或者 No tube in baffle windows。一般選擇 YES 選擇No tube in baffle windows的情況詳見《換熱器設(shè)計手冊》P45頁。

10.2.2 在baffle type（折流擋板的形式）中選擇 Single segmental（單圓缺形），Double segmental（雙圓缺形），Triple segmental（三圓缺形），unbaffled（無折流擋板），Rod（折流桿）具體選型參見《換熱器設(shè)計手冊》P45頁。

十二、在 Baffled cut orientation （折流板圓缺位置）選擇Horizontal（水平切割） 或者Vertical （垂直切割），Horizontal水平切割放置的折流板適用于無相變的對流傳熱，防止殼程流體平行于管束流動，減少殼程底部液體沉積。Vertical切割適用于兩相流體，在帶有懸浮物或結(jié)垢嚴(yán)重的流體所使用的臥式冷凝器、換熱器中。

十三、在Default exchanger material 選擇換熱器所使用的材質(zhì) carbon steel

十四、Shell ID/OD 選擇換熱器的殼徑。一般選擇管徑為300、400、500、600、最大到2000mm。在小于400mm可以采用管材，當(dāng)大于400mm 可以考慮采用板卷制。

十五、選擇Tube length （換熱管的長度）一般都是6的倍數(shù)，因為換熱管的長度一般為 6m，這樣換熱器的材料成本比較低。2m、2.5m、3m、4m、6m。在輸入管子長度的時候，需要注意換熱的長徑比一般為5-10，再沸器的長徑比一般為3-5。

十六、Baffle spacing center to center （折流板間距）最小的折流板間距為殼體直徑的1/5并大于50mm，最大數(shù)據(jù)為換熱器直徑。折流板間距越小，殼體的流速越高，阻力越大。同時換熱系數(shù)就會增加。通常最大折流板間距為殼體直徑的1/2并不大于TEMA規(guī)定的最大無支撐直管跨距的0.8倍。國標(biāo)的擋板間距有 100，150，200，300，450，600，700。#p#分頁標(biāo)題#e#

十七、Number of baffles （折流板的數(shù)量）為默認(rèn)值，EDR程序會自動計算，后續(xù)需要關(guān)注就可以了。

十八、Number of tube/passes (管子的數(shù)量/管程）管子的數(shù)量EDR會根據(jù)提供的管間距、管子規(guī)格、殼程的管徑自動算出，在Rating模式下不需要輸入，但是管程需要輸入，管程的數(shù)量需要根據(jù)管內(nèi)流體的流速，管內(nèi)的阻力降，制造難度共同確定。（與殼側(cè)的管徑也有關(guān)系，如果管徑低于300mm則無法做成U型管換熱器）初次進行試算的過程中，可以先選定1，如果出現(xiàn)管程流速過小時候，再做進一步的調(diào)整。

十九、點擊Set Process Data ，檢查熱流體、冷流體的流量、氣相摩爾分率等是否正確，手動輸入換熱介質(zhì)的污垢熱阻：FOULING RESISTANCE 具體輸出參數(shù)，通過查表來選取。一般氣體的污垢熱阻取0.0001m2-K/W,一般冷卻水的污垢熱阻：0.00014m2-K/W。

二十、當(dāng)這些都輸入完畢后，換熱器就具備試算的條件了。點擊運行，查看計算結(jié)果。是否有警告，警告input為輸入警告，Results警告為輸出警告。判斷警告是否需要解決。逐步的進行解決，直至嚴(yán)重的報警全部消除。

二十一、點擊查看Overall Summary ，點擊查看：Velocity ，看管程和殼程的流速，是否在合適的范圍內(nèi)。氣體流速一般為10m/s，液體流速一般為1.5m/s。查看Reynolds No.vapor/liquid，（雷諾準(zhǔn)數(shù)）管程和殼程是屬于層流區(qū)還是紊流區(qū)。

常見流體的流速范圍

詳見《冷換設(shè)備工藝計算手冊》P3頁，表1-2，表1-3，表1-4，表1-5。

二十二、計算結(jié)果的校核

22.1.總體設(shè)計尺寸，細(xì)長型的換熱器比短粗型的要經(jīng)濟。通常L/D=5~10，可以增加到15~20，對于立式熱虹吸再沸器，L/D=3~10。

22.2.面積余量，詳見Overall summary /heat Transfer Parameters/Actual/reqd area ratio-fouled/clean ,如果計算過程中，流體處于湍流狀態(tài)，管程和殼程的流速在正常范圍內(nèi)，循環(huán)冷卻水的推薦流速在1.5m/s的正常情況下，面積余量取10%即可，如果換熱器的流速過低，處于層流狀態(tài)，則換熱面積余量需要考慮15%以上。

當(dāng)面積余量不足時，可以考慮如下措施：

增加管數(shù)（用換熱面積彌補總傳熱系數(shù)的不足）

減少管數(shù)（提高管程流速以提高對流傳熱系數(shù)）

調(diào)整熱阻數(shù)值較大的相關(guān)項

調(diào)整殼程的流速（一般流速增大，有利于提高換熱系數(shù)）

22.3、壓降 允許壓降必須盡可能充分利用，如果計算壓降與允許壓降有是實質(zhì)差別，則必須嘗試改變設(shè)計參數(shù)。需要認(rèn)真查看校核壓降分布，使壓降大部分分布在換熱效率高的地方，如：橫掠管束的錯流流動處。如果管嘴或窗口處的壓降占總壓降的比例較大，應(yīng)考慮增大管嘴尺寸及折流板圓缺率，一般希望進出口管嘴的壓降之和控制在總壓降的30%左右。在pressure drop中 pressure drop distribution 中 bundle Xflow中流速與baffle windows 中的流速的比值 控制在0.8-1.2，盡可能接近1，如果偏差比較大，則需要調(diào)整優(yōu)化折流板間距和折流板的切割率。#p#分頁標(biāo)題#e#

允許壓降必須盡可能加以利用，如果計算壓降與允許壓降有實質(zhì)差別，則必須嘗試改變設(shè)計參數(shù)。在校核了計算所得壓降值是否小于允許值之后，應(yīng)對壓降的分布作進一步的校核，這其中包括有進、出口接管處壓降、錯流和管窗流的壓降,壓力降必須大部分分布在換熱率高的地方，如橫掠管束的錯流流動處；如果在接管或管窗處的壓降占總壓降的比例較大，應(yīng)考慮增大接管尺寸及折流板間距。一般對進、出口接管的壓降希望控制在總壓降的30％左右。特別對有軸向接管的換熱器，接管部分的壓降最好控制在總壓降的30％以下，否則會造成管子進口處的偏流。為防止物流對殼程入口處的管子進行沖擊，引起振動和腐蝕，一般均在換熱器殼程進口處設(shè)置防沖板或分布器，在計算壓降時要有所考慮。另一個必須記住的事實是，允許壓降是人為給定的，所以，如果在設(shè)計中允許壓降得到了充分利用，而增加一

22.4、總體的傳熱系數(shù)應(yīng)該與經(jīng)驗值基本相當(dāng)，常見管殼式換熱器換熱系數(shù)可以見表。 首先從流體的相態(tài)、物性和以往經(jīng)驗上來分析計算結(jié)果是否合理。另外，污 垢系數(shù)的選取對傳熱系數(shù)也有很大的影響，對計算結(jié)果應(yīng)綜合分析，并結(jié)合實際經(jīng)驗來評定。

常用的列管是換熱器的傳熱系數(shù)

22.5、熱阻大小

首先根據(jù)流體的物系及實際經(jīng)驗來推斷一下傳熱系數(shù)值是否合理，應(yīng)特別注意管內(nèi)雷諾數(shù)的大小。在層流流動(管側(cè)Re<2000,殼側(cè)Re<300)和過渡區(qū)流動中，應(yīng)使用分段計算的方式(HTFS程序無此功能)，以確保傳熱系數(shù)值計算的正確。在評估計算結(jié)果的同時，應(yīng)考慮程序計算的精確度。如果熱阻在管側(cè)和殼側(cè)分布平衡，則該設(shè)計是好的，如果一側(cè)熱阻值過大，應(yīng)該分析原因，分析管、殼側(cè)冷、熱流體的分布是否合理，如果是由于某一側(cè)污垢系數(shù)過大而引起的，則可不必進一步修改原設(shè)計。

22.6 流速

需校核管子進出口處、殼側(cè)進口處和接管內(nèi)的流速。一般來說流體流速在允許壓降范圍內(nèi)應(yīng)盡量選高一些，以便獲得較大的換熱系數(shù)和較小污垢沉積，但流速過大會造成腐蝕并發(fā)生管子振動，而流速過小則管內(nèi)易結(jié)垢。對冷卻水系統(tǒng)，設(shè)計計算時可參考下表中推薦的值(碳鋼管)。

如果冷卻水的流速低于上表中的最小流速，最好征得工藝工程師的同意增大允許壓降或變化冷卻水的流率。

對冷卻水以外的單相和兩相流用ρv2值判斷。對殼側(cè)進口流速，按TEMA規(guī)定ρv2值不能超過5950 Kg/MS2(碳鋼管)。對管窗內(nèi)不排管換熱器，管窗流速應(yīng)為錯流速度的2 ~ 2.5倍，氣體和蒸汽的流速可在8 ~ 30m/s之間。

22.7 殼側(cè)流路分析

HTRI程序在計算結(jié)果中對殼側(cè)各流路給出了較詳細(xì)的分析，可以參考下表中給 A,B,C,E,F流的推薦值。#p#分頁標(biāo)題#e#

流路A－－折流板管孔和管子之間的泄漏流路；

流路B－－錯流流路；

流路C－－管束外圍和殼內(nèi)壁之間的旁流流路；

流路E－－折流板與殼內(nèi)壁之間的泄漏流路；

流路F－－管程分程隔板處的中間穿流流路。

最大限度地加大B－stream(錯流)，減少泄漏流，而事實上漏流不可能也不必要被全 部阻止，因為安裝換熱器時總需要有間隙。

22.7 對折流板的設(shè)計分析

單圓缺和雙圓缺折流板為管殼式換熱器中常用的折流板型式，換熱器中折流板的布置對設(shè)計計算有很大影響，一般從下面幾各方面來檢查原設(shè)計是否合理。

a. 從流體流動、傳熱和污垢系數(shù)等方面考慮，最好將折流板的圓缺高度控制在殼體直徑的20 ~ 30％，而板間距則控制在殼體直徑30 ~ 50％之間,并不應(yīng)小于50mm。

b. 避免大圓缺小間距或小圓缺大間距的設(shè)計。應(yīng)優(yōu)化選取折流板圓缺的大小和板間距大小，通常β值(折流板圓缺修正系數(shù))最好在0.9 ~ 0.92之間。

c. 除了管窗內(nèi)不排管以外，流體的錯流速度和在管窗內(nèi)的流動速度不應(yīng)相差太大，流體在 X－flow 和 Window 內(nèi)的速度大并且越接近越好。

d. 如果殼側(cè)壓降受到允許壓降的限制，考慮使用雙圓缺折流板，若還是不行，考 慮變化殼體型式，選用TEMA的J、G、H、X型殼體。

22.8 有效平均溫差

在HTRI程序中是這樣描述有效平均溫差的:

EffectiveMTD=(LMTD)(F)(DELTA)

其中：LMTD為對數(shù)平均溫差

F＝(TUBE)(BAFFLES)(F/G)(HOT/COLD)

TUBE:即Ft，是對管側(cè)多管程流動的修正系數(shù)。通常設(shè)計計算時應(yīng)保證Ft大于0.8。當(dāng)Ft小于0.8時,換熱器的經(jīng)濟效益是不合理的，此時應(yīng)另選其它流動型式，以提高 Ft值。如：增加管程數(shù)或殼程數(shù)，或著用幾臺換熱器串聯(lián)，必要時亦可調(diào)整溫度條件。但在特殊情況下，如溫度有0.5 ~ 1.0°C交叉時，F(xiàn)t＝0.75,也能接受。

BAFFLE:即折流板數(shù)修正系數(shù)。當(dāng)折流板數(shù)較少時，殼側(cè)流體的混合流動性能較低，故需進行修正。通常此值等于1.0。

DELTA: 溫度變形系數(shù)。這個系數(shù)是用來計算E流對溫度差的影響大小的。設(shè)計計算時希望δA>0.8,若δA<0.8,應(yīng)考慮采用E流路小的折流板型式，也可增加換熱器的串聯(lián)數(shù)。

HOT/COLD：是對由于物性參數(shù)變化而造成的總傳熱系數(shù)變化的修正，通常為0.98~1.0。

F/G：在TEMAF型殼體和G型殼體中，有一縱向橫隔板，F(xiàn)/G就是對通過此板的熱量泄漏的修正。如果F/G<0.95,考慮使用保溫板或增加殼程串聯(lián)數(shù)。

22.9 管子振動

換熱管的管束屬于彈性體，被流過的流體擾動，離開其平衡位置，管子產(chǎn)生振動。在殼側(cè)，拉桿和隔板也有振動的傾向，但這些部件的剛性比管子大，所以不容易被激起振動。設(shè)計計算結(jié)束后為保證換熱器的穩(wěn)定操作，應(yīng)校核計算結(jié)果中的有關(guān)管振動各項數(shù)值，如：臨界流動速度(criticalvelocity)、渦流脫落(vortexshedding)、湍流抖振(turbulentbuffeting)、聲音共振(acousticresonance)和振幅等。通常當(dāng)折流板間距(包括進、出口處)超過400mm時，有可能發(fā)生管子振動。當(dāng)殼側(cè)物流為液體時，需仔細(xì)檢查臨界流動速度及渦流脫落頻率值的大??；而當(dāng)殼側(cè)物流是氣體時，應(yīng)仔細(xì)檢查臨界流動速度、渦流脫落、湍流抖振、聲音共振和振幅等值是否滿足無振動的要求。如果因為在進、出口處的折流板間距過大而造成了振動，可通過在接管口下增加支撐板來避免。另外為避免振動的發(fā)生，折流板間距應(yīng)小于TEMA最大不支撐長度的80％。#p#分頁標(biāo)題#e#

22.10 如何調(diào)整設(shè)計方案，得到最佳計算結(jié)果

通常情況下，象溫度、壓降和傳熱系數(shù)等設(shè)計計算控制要素很少彼此較好地相配合，經(jīng)常是某一設(shè)計要素為設(shè)計計算的控制因素，由于一個簡單的設(shè)計變更能帶來設(shè)備尺寸的減小，因此找出控制因素能盡快有效的幫你解決問題。

11.4.1傳熱系數(shù)為控制因素時

總傳熱阻力的大小主要是由殼側(cè)、管側(cè)、污垢和管子的金屬阻力來決定的，為了提高總傳熱系數(shù)的大小，應(yīng)分析是哪一側(cè)的傳熱系數(shù)影響了它，采用何種方法，可以提高傳熱系數(shù)值。

a.提高殼側(cè)傳熱系數(shù)的方法

－使用低翅管

－減小換熱管外徑和管間距

－提高B流速度(可使用密封設(shè)備或減小殼體和折流板之間的間距)

－選用F型或G型殼體

b.提高管側(cè)傳熱系數(shù)的方法

－減小管外徑

－增加管長

－變換流動分布，管側(cè)流動改為殼側(cè)流動

11.4.2 壓力降為控制因素時

a.可通過下述方法來減小殼側(cè)壓力降

－使用雙圓缺折流板或管窗內(nèi)不排管

－選用TEMA J型殼體

－增加管間距

－改變流向角，可選用45°或90°

b.可通過下述方法來減小管側(cè)壓力降

－增大管子外徑

－減小管長

11.4.3 溫差推動力為限制因素時

為提高溫差推動力，最好選用純逆流型設(shè)備。

－增加殼程數(shù)

－減小E流的大小

11.4.4設(shè)計中預(yù)料到振動時應(yīng)采取什么措施

應(yīng)采取以下措施中的一種或多種，以降低擾動頻率或增加自然頻率。

1) 減小管子跨距長度：這可以增加自然頻率同時也使錯流速度增加。

2) 減小殼側(cè)流體速度：可以用減小流量和改變管距或流向角的方法達到這個目的，結(jié)果是使擾動頻率降低。

3) 改變折流板型式：折流板窗中無管的設(shè)計，使所有的管子都受到支撐，因此，將折流板改變成這種形式，可以減少最長跨距的管子，因而可以增加自然頻率。

4) 降低殼體入口流速：如果對進口區(qū)域的可靠性有疑問，應(yīng)使用較大的進口管直徑、防沖板，并環(huán)繞殼體安裝一個擋板，以便提供較大的進口面積，這樣可以減少干擾頻率。

5) 增加折流板厚度。

6) 將管與折流板孔之間的間隙減至最小。

7) 折流板材料不應(yīng)比管子材料硬。

8) 使用厚壁管并使管子緊固。

9) 如果預(yù)計有聲學(xué)振動，則可采用解諧隔板。

10) 堵塞所有旁路流和流程分隔漏流，因為這些地方流速高(由于流動阻力)，可能局部損壞管子。

在上面1)~3)項中，換熱器的熱力性能和壓降都必須重新計算。第4)~9)項不明顯影響換熱器的熱力性質(zhì)。第5)~8)項增加了自然頻率。第10)項可以加強熱力性能。

換熱器工藝計算流程

一、通過HYSYS進行換熱器的工藝計算，采用管殼式換熱器類型。#p#分頁標(biāo)題#e#

二、打開ASPEN EDR

三、點擊NEW,選擇Shell&tube 點擊Creat

四、點擊SAVE,選擇保存的位置，保存名稱為XX 項目+設(shè)備位號

五、點擊Set unit 設(shè)定換熱器計算軟件單位為SI

六、點擊FILE/IMPROT 導(dǎo)入HYSYS計算軟件。選擇需要計算的換熱器。

七、進入Console選項，選擇Calculation mode： Rating/Checking TEMA type：BEM 或者其它形式，參見《冷換設(shè)備工藝計算手冊》P88頁，參見圖2.4 TEMA換熱器型式，優(yōu)先選型類型為BEM。

八、選擇Location of hot fluit: tubeside/shellside。 參見《冷換設(shè)備工藝計算手冊》P4頁，3.管殼程流體的確定。適于走管程的流體有水和水蒸汽或強腐蝕性流體；有毒性流體；容易結(jié)垢的流體；高溫或高壓操作的流體等。適于走殼程的流體有塔頂餾出物冷凝；烴的冷凝或再沸；關(guān)鍵壓力降控制的流體；粘度大的流體。

九、在tube OD/pitch 選擇19/25 或者 25/32。優(yōu)先選用19/25 如果用于再沸器則選用25/32。

十、在Tube pattern（布管方式） 選擇換熱器布管方式：30-Triangular， 60-Triangular ，90-Triangular，45-Triangular。具體的選型原則參見《換熱器設(shè)計手冊》P45頁。

十一、在Tube are in baffle windows 選擇 YES 或者 No tube in baffle windows。一般選擇 YES 選擇No tube in baffle windows的情況詳見《換熱器設(shè)計手冊》P45頁。

10.2.2 在baffle type（折流擋板的形式）中選擇 Single segmental（單圓缺形），Double segmental（雙圓缺形），Triple segmental（三圓缺形），unbaffled（無折流擋板），Rod（折流桿）具體選型參見《換熱器設(shè)計手冊》P45頁。

十二、在 Baffled cut orientation （折流板圓缺位置）選擇Horizontal（水平切割） 或者Vertical （垂直切割），Horizontal水平切割放置的折流板適用于無相變的對流傳熱，防止殼程流體平行于管束流動，減少殼程底部液體沉積。Vertical切割適用于兩相流體，在帶有懸浮物或結(jié)垢嚴(yán)重的流體所使用的臥式冷凝器、換熱器中。

十三、在Default exchanger material 選擇換熱器所使用的材質(zhì) carbon steel

十四、Shell ID/OD 選擇換熱器的殼徑。一般選擇管徑為300、400、500、600、最大到2000mm。在小于400mm可以采用管材，當(dāng)大于400mm 可以考慮采用板卷制。

十五、選擇Tube length （換熱管的長度）一般都是6的倍數(shù)，因為換熱管的長度一般為 6m，這樣換熱器的材料成本比較低。2m、2.5m、3m、4m、6m。在輸入管子長度的時候，需要注意換熱的長徑比一般為5-10，再沸器的長徑比一般為3-5。

十六、Baffle spacing center to center （折流板間距）最小的折流板間距為殼體直徑的1/5并大于50mm，最大數(shù)據(jù)為換熱器直徑。折流板間距越小，殼體的流速越高，阻力越大。同時換熱系數(shù)就會增加。通常最大折流板間距為殼體直徑的1/2并不大于TEMA規(guī)定的最大無支撐直管跨距的0.8倍。國標(biāo)的擋板間距有 100，150，200，300，450，600，700。#p#分頁標(biāo)題#e#

十七、Number of baffles （折流板的數(shù)量）為默認(rèn)值，EDR程序會自動計算，后續(xù)需要關(guān)注就可以了。

十八、Number of tube/passes (管子的數(shù)量/管程）管子的數(shù)量EDR會根據(jù)提供的管間距、管子規(guī)格、殼程的管徑自動算出，在Rating模式下不需要輸入，但是管程需要輸入，管程的數(shù)量需要根據(jù)管內(nèi)流體的流速，管內(nèi)的阻力降，制造難度共同確定。（與殼側(cè)的管徑也有關(guān)系，如果管徑低于300mm則無法做成U型管換熱器）初次進行試算的過程中，可以先選定1，如果出現(xiàn)管程流速過小時候，再做進一步的調(diào)整。

十九、點擊Set Process Data ，檢查熱流體、冷流體的流量、氣相摩爾分率等是否正確，手動輸入換熱介質(zhì)的污垢熱阻：FOULING RESISTANCE 具體輸出參數(shù)，通過查表來選取。一般氣體的污垢熱阻取0.0001m2-K/W,一般冷卻水的污垢熱阻：0.00014m2-K/W。

二十、當(dāng)這些都輸入完畢后，換熱器就具備試算的條件了。點擊運行，查看計算結(jié)果。是否有警告，警告input為輸入警告，Results警告為輸出警告。判斷警告是否需要解決。逐步的進行解決，直至嚴(yán)重的報警全部消除。

二十一、點擊查看Overall Summary ，點擊查看：Velocity ，看管程和殼程的流速，是否在合適的范圍內(nèi)。氣體流速一般為10m/s，液體流速一般為1.5m/s。查看Reynolds No.vapor/liquid，（雷諾準(zhǔn)數(shù)）管程和殼程是屬于層流區(qū)還是紊流區(qū)。

常見流體的流速范圍

詳見《冷換設(shè)備工藝計算手冊》P3頁，表1-2，表1-3，表1-4，表1-5。

二十二、計算結(jié)果的校核

22.1.總體設(shè)計尺寸，細(xì)長型的換熱器比短粗型的要經(jīng)濟。通常L/D=5~10，可以增加到15~20，對于立式熱虹吸再沸器，L/D=3~10。

22.2.面積余量，詳見Overall summary /heat Transfer Parameters/Actual/reqd area ratio-fouled/clean ,如果計算過程中，流體處于湍流狀態(tài)，管程和殼程的流速在正常范圍內(nèi)，循環(huán)冷卻水的推薦流速在1.5m/s的正常情況下，面積余量取10%即可，如果換熱器的流速過低，處于層流狀態(tài)，則換熱面積余量需要考慮15%以上。

當(dāng)面積余量不足時，可以考慮如下措施：

增加管數(shù)（用換熱面積彌補總傳熱系數(shù)的不足）

減少管數(shù)（提高管程流速以提高對流傳熱系數(shù)）

調(diào)整熱阻數(shù)值較大的相關(guān)項

調(diào)整殼程的流速（一般流速增大，有利于提高換熱系數(shù)）

22.3、壓降 允許壓降必須盡可能充分利用，如果計算壓降與允許壓降有是實質(zhì)差別，則必須嘗試改變設(shè)計參數(shù)。需要認(rèn)真查看校核壓降分布，使壓降大部分分布在換熱效率高的地方，如：橫掠管束的錯流流動處。如果管嘴或窗口處的壓降占總壓降的比例較大，應(yīng)考慮增大管嘴尺寸及折流板圓缺率，一般希望進出口管嘴的壓降之和控制在總壓降的30%左右。在pressure drop中 pressure drop distribution 中 bundle Xflow中流速與baffle windows 中的流速的比值 控制在0.8-1.2，盡可能接近1，如果偏差比較大，則需要調(diào)整優(yōu)化折流板間距和折流板的切割率。#p#分頁標(biāo)題#e#

允許壓降必須盡可能加以利用，如果計算壓降與允許壓降有實質(zhì)差別，則必須嘗試改變設(shè)計參數(shù)。在校核了計算所得壓降值是否小于允許值之后，應(yīng)對壓降的分布作進一步的校核，這其中包括有進、出口接管處壓降、錯流和管窗流的壓降,壓力降必須大部分分布在換熱率高的地方，如橫掠管束的錯流流動處；如果在接管或管窗處的壓降占總壓降的比例較大，應(yīng)考慮增大接管尺寸及折流板間距。一般對進、出口接管的壓降希望控制在總壓降的30％左右。特別對有軸向接管的換熱器，接管部分的壓降最好控制在總壓降的30％以下，否則會造成管子進口處的偏流。為防止物流對殼程入口處的管子進行沖擊，引起振動和腐蝕，一般均在換熱器殼程進口處設(shè)置防沖板或分布器，在計算壓降時要有所考慮。另一個必須記住的事實是，允許壓降是人為給定的，所以，如果在設(shè)計中允許壓降得到了充分利用，而增加一

22.4、總體的傳熱系數(shù)應(yīng)該與經(jīng)驗值基本相當(dāng)，常見管殼式換熱器換熱系數(shù)可以見表。 首先從流體的相態(tài)、物性和以往經(jīng)驗上來分析計算結(jié)果是否合理。另外，污 垢系數(shù)的選取對傳熱系數(shù)也有很大的影響，對計算結(jié)果應(yīng)綜合分析，并結(jié)合實際經(jīng)驗來評定。

常用的列管是換熱器的傳熱系數(shù)

22.5、熱阻大小

首先根據(jù)流體的物系及實際經(jīng)驗來推斷一下傳熱系數(shù)值是否合理，應(yīng)特別注意管內(nèi)雷諾數(shù)的大小。在層流流動(管側(cè)Re<2000,殼側(cè)Re<300)和過渡區(qū)流動中，應(yīng)使用分段計算的方式(HTFS程序無此功能)，以確保傳熱系數(shù)值計算的正確。在評估計算結(jié)果的同時，應(yīng)考慮程序計算的精確度。如果熱阻在管側(cè)和殼側(cè)分布平衡，則該設(shè)計是好的，如果一側(cè)熱阻值過大，應(yīng)該分析原因，分析管、殼側(cè)冷、熱流體的分布是否合理，如果是由于某一側(cè)污垢系數(shù)過大而引起的，則可不必進一步修改原設(shè)計。

22.6 流速

需校核管子進出口處、殼側(cè)進口處和接管內(nèi)的流速。一般來說流體流速在允許壓降范圍內(nèi)應(yīng)盡量選高一些，以便獲得較大的換熱系數(shù)和較小污垢沉積，但流速過大會造成腐蝕并發(fā)生管子振動，而流速過小則管內(nèi)易結(jié)垢。對冷卻水系統(tǒng)，設(shè)計計算時可參考下表中推薦的值(碳鋼管)。

如果冷卻水的流速低于上表中的最小流速，最好征得工藝工程師的同意增大允許壓降或變化冷卻水的流率。

對冷卻水以外的單相和兩相流用ρv2值判斷。對殼側(cè)進口流速，按TEMA規(guī)定ρv2值不能超過5950 Kg/MS2(碳鋼管)。對管窗內(nèi)不排管換熱器，管窗流速應(yīng)為錯流速度的2 ~ 2.5倍，氣體和蒸汽的流速可在8 ~ 30m/s之間。

22.7 殼側(cè)流路分析

HTRI程序在計算結(jié)果中對殼側(cè)各流路給出了較詳細(xì)的分析，可以參考下表中給 A,B,C,E,F流的推薦值。#p#分頁標(biāo)題#e#

流路A－－折流板管孔和管子之間的泄漏流路；

流路B－－錯流流路；

流路C－－管束外圍和殼內(nèi)壁之間的旁流流路；

流路E－－折流板與殼內(nèi)壁之間的泄漏流路；

流路F－－管程分程隔板處的中間穿流流路。

最大限度地加大B－stream(錯流)，減少泄漏流，而事實上漏流不可能也不必要被全 部阻止，因為安裝換熱器時總需要有間隙。

22.7 對折流板的設(shè)計分析

單圓缺和雙圓缺折流板為管殼式換熱器中常用的折流板型式，換熱器中折流板的布置對設(shè)計計算有很大影響，一般從下面幾各方面來檢查原設(shè)計是否合理。

a. 從流體流動、傳熱和污垢系數(shù)等方面考慮，最好將折流板的圓缺高度控制在殼體直徑的20 ~ 30％，而板間距則控制在殼體直徑30 ~ 50％之間,并不應(yīng)小于50mm。

b. 避免大圓缺小間距或小圓缺大間距的設(shè)計。應(yīng)優(yōu)化選取折流板圓缺的大小和板間距大小，通常β值(折流板圓缺修正系數(shù))最好在0.9 ~ 0.92之間。

c. 除了管窗內(nèi)不排管以外，流體的錯流速度和在管窗內(nèi)的流動速度不應(yīng)相差太大，流體在 X－flow 和 Window 內(nèi)的速度大并且越接近越好。

d. 如果殼側(cè)壓降受到允許壓降的限制，考慮使用雙圓缺折流板，若還是不行，考 慮變化殼體型式，選用TEMA的J、G、H、X型殼體。

22.8 有效平均溫差

在HTRI程序中是這樣描述有效平均溫差的:

EffectiveMTD=(LMTD)(F)(DELTA)

其中：LMTD為對數(shù)平均溫差

F＝(TUBE)(BAFFLES)(F/G)(HOT/COLD)

TUBE:即Ft，是對管側(cè)多管程流動的修正系數(shù)。通常設(shè)計計算時應(yīng)保證Ft大于0.8。當(dāng)Ft小于0.8時,換熱器的經(jīng)濟效益是不合理的，此時應(yīng)另選其它流動型式，以提高 Ft值。如：增加管程數(shù)或殼程數(shù)，或著用幾臺換熱器串聯(lián)，必要時亦可調(diào)整溫度條件。但在特殊情況下，如溫度有0.5 ~ 1.0°C交叉時，F(xiàn)t＝0.75,也能接受。

BAFFLE:即折流板數(shù)修正系數(shù)。當(dāng)折流板數(shù)較少時，殼側(cè)流體的混合流動性能較低，故需進行修正。通常此值等于1.0。

DELTA: 溫度變形系數(shù)。這個系數(shù)是用來計算E流對溫度差的影響大小的。設(shè)計計算時希望δA>0.8,若δA<0.8,應(yīng)考慮采用E流路小的折流板型式，也可增加換熱器的串聯(lián)數(shù)。

HOT/COLD：是對由于物性參數(shù)變化而造成的總傳熱系數(shù)變化的修正，通常為0.98~1.0。

F/G：在TEMAF型殼體和G型殼體中，有一縱向橫隔板，F(xiàn)/G就是對通過此板的熱量泄漏的修正。如果F/G<0.95,考慮使用保溫板或增加殼程串聯(lián)數(shù)。

22.9 管子振動

換熱管的管束屬于彈性體，被流過的流體擾動，離開其平衡位置，管子產(chǎn)生振動。在殼側(cè)，拉桿和隔板也有振動的傾向，但這些部件的剛性比管子大，所以不容易被激起振動。設(shè)計計算結(jié)束后為保證換熱器的穩(wěn)定操作，應(yīng)校核計算結(jié)果中的有關(guān)管振動各項數(shù)值，如：臨界流動速度(criticalvelocity)、渦流脫落(vortexshedding)、湍流抖振(turbulentbuffeting)、聲音共振(acousticresonance)和振幅等。通常當(dāng)折流板間距(包括進、出口處)超過400mm時，有可能發(fā)生管子振動。當(dāng)殼側(cè)物流為液體時，需仔細(xì)檢查臨界流動速度及渦流脫落頻率值的大??；而當(dāng)殼側(cè)物流是氣體時，應(yīng)仔細(xì)檢查臨界流動速度、渦流脫落、湍流抖振、聲音共振和振幅等值是否滿足無振動的要求。如果因為在進、出口處的折流板間距過大而造成了振動，可通過在接管口下增加支撐板來避免。另外為避免振動的發(fā)生，折流板間距應(yīng)小于TEMA最大不支撐長度的80％。#p#分頁標(biāo)題#e#

22.10 如何調(diào)整設(shè)計方案，得到最佳計算結(jié)果

通常情況下，象溫度、壓降和傳熱系數(shù)等設(shè)計計算控制要素很少彼此較好地相配合，經(jīng)常是某一設(shè)計要素為設(shè)計計算的控制因素，由于一個簡單的設(shè)計變更能帶來設(shè)備尺寸的減小，因此找出控制因素能盡快有效的幫你解決問題。

11.4.1傳熱系數(shù)為控制因素時

總傳熱阻力的大小主要是由殼側(cè)、管側(cè)、污垢和管子的金屬阻力來決定的，為了提高總傳熱系數(shù)的大小，應(yīng)分析是哪一側(cè)的傳熱系數(shù)影響了它，采用何種方法，可以提高傳熱系數(shù)值。

a.提高殼側(cè)傳熱系數(shù)的方法

－使用低翅管

－減小換熱管外徑和管間距

－提高B流速度(可使用密封設(shè)備或減小殼體和折流板之間的間距)

－選用F型或G型殼體

b.提高管側(cè)傳熱系數(shù)的方法

－減小管外徑

－增加管長

－變換流動分布，管側(cè)流動改為殼側(cè)流動

11.4.2 壓力降為控制因素時

a.可通過下述方法來減小殼側(cè)壓力降

－使用雙圓缺折流板或管窗內(nèi)不排管

－選用TEMA J型殼體

－增加管間距

－改變流向角，可選用45°或90°

b.可通過下述方法來減小管側(cè)壓力降

－增大管子外徑

－減小管長

11.4.3 溫差推動力為限制因素時

為提高溫差推動力，最好選用純逆流型設(shè)備。

－增加殼程數(shù)

－減小E流的大小

11.4.4設(shè)計中預(yù)料到振動時應(yīng)采取什么措施

應(yīng)采取以下措施中的一種或多種，以降低擾動頻率或增加自然頻率。

1) 減小管子跨距長度：這可以增加自然頻率同時也使錯流速度增加。

2) 減小殼側(cè)流體速度：可以用減小流量和改變管距或流向角的方法達到這個目的，結(jié)果是使擾動頻率降低。

3) 改變折流板型式：折流板窗中無管的設(shè)計，使所有的管子都受到支撐，因此，將折流板改變成這種形式，可以減少最長跨距的管子，因而可以增加自然頻率。

4) 降低殼體入口流速：如果對進口區(qū)域的可靠性有疑問，應(yīng)使用較大的進口管直徑、防沖板，并環(huán)繞殼體安裝一個擋板，以便提供較大的進口面積，這樣可以減少干擾頻率。

5) 增加折流板厚度。

6) 將管與折流板孔之間的間隙減至最小。

7) 折流板材料不應(yīng)比管子材料硬。

8) 使用厚壁管并使管子緊固。

9) 如果預(yù)計有聲學(xué)振動，則可采用解諧隔板。

10) 堵塞所有旁路流和流程分隔漏流，因為這些地方流速高(由于流動阻力)，可能局部損壞管子。

在上面1)~3)項中，換熱器的熱力性能和壓降都必須重新計算。第4)~9)項不明顯影響換熱器的熱力性質(zhì)。第5)~8)項增加了自然頻率。第10)項可以加強熱力性能。