化工原理课程设计指导书(2)

对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图2-2可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.2～1.0倍。

a.切除过少 b.切除适当 c.切除过多

图2-2挡板切除对流动的影响

2.2管壳式换热器的给热系数

给热系数包括管内流动的给热系数和壳程给热系数，管内流体的给热系数前面已经学过，而壳程的给热系数与折流挡板的形状、板间距，管子的排列方式、管径及管中心距等因素有关。

壳程中由于设有折流挡板，流体在壳程中横向穿过管束，流向不断变化，湍动增强，当Re 100即可达到湍流状态。

2.2.1流体在圆形直管内的强制湍流

Nu 0.023Re0.8Prk

0.023

du 0.8cp k

()() d

使用范围：Re>10000，0.7<Pr<160， <2×10-5Pa.s，l/d>50

注意事项：

（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm； （2）特征尺寸为管内径di；

（3）流体被加热时，k＝0.4，流体被冷却时，k＝0.3；

上述n取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。当管内流体被加热时，靠近管壁处层流底层的温度高于流体主体温度；而流体被冷却时，情况正好相反。对于液体，其粘度随温度升高而降低，液体被热时层流底层减薄，大多数液体的导热系数随温度升高也有所减少，但不显著，总的结果使对流传热系数增大。液体被加热时的对流传热系数必大于冷却时的对流传热系数。大多数液体的Pr>1,即Pr0.4>Pr0.3。因此，液体被加热时，n取0.4；冷却时，n取0.3。对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层增厚，气体的导热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少。气体被加热时的对流传热系数必小于冷却时的对流传热系数。由于大多数气体的Pr<1，即Pr0.4<Pr0.3，故同液体一样，气体被加热时n取0.4，冷却时n取0.3。

通过以上分析可知，温度对近处层流底层内流粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。

（4）特征速度为管内平均流速。 以下是对上面的公式进行修正： a．高粘度

0.027

du 0.8cp 0.33 0.14

()()()

d w

要考虑壁面温度变化引起粘度变化对 的影响（ 是在tm下；而 W是在tw下）。在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为： 对于液体，加热时：(

b．过渡区

2300<Re<10000时，先按湍流计算 ，然后乘以校正系数

f 1.0

6 105Re0.8

1

0.14 0.14) 1.05，冷却时：() 0.95

w w

过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的Re小，流体流动的湍动程度减少，层流底层变厚， 减小。

c．流体在弯管中的对流传热系数 先按直管计算，然后乘以校正系数f

f (1 1.77

dR)

式中 d──管径；

R──弯管的曲率半径。

由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧， 增大。

2.2.2流体在圆形直管内的强制层流

特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。

（1）Gr<25000时，自然对流影响小可忽略

d 0.14

Nu 1.86(RePr)1/3()

l w

适用范围：Re<2300，(RePr) 10，l/d>60

l

d

定性温度、特征尺寸取法与前相同， w按壁温确定，工程上可近似处理为： 对于液体，加热时：(

0.14 0.14

) 1.05，冷却时：() 0.95

w w

（2）Gr>25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数f 0.8(1 0.015Gr1/3) 在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。

2.2.3流体在换热器管壳间流动

一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形和圆缺形两种。由于装有不同形式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的Re下（Re=100）即可达到湍流。

圆缺形折流挡板，弓形高度25%D， 的计算式：

Nu 0.36Re

0.55

Pr

(

0.14

) w

适用范围：Re=2×103～106。

定性温度：进、出口温度平均值；tw→μw。 特征尺寸：（1）当量直径de 参图2-3

正方形排列：de

4(t2 0.785d0)

2

d0

图2-3 de的计算

4(

322

t 0.785d0)

d0

正三角形排列：de

（2）流速u根据流体流过的最大截面积Smax计算 Smax

hD(1

d0t)

式中 h——相邻挡板间的距离； D——壳体的内径。

提高壳程 的措施：提高壳程u ，但hf u2，hf ；de ；加强壳程的湍动程度，如加折流挡板或填充物。

2.3流体通过换热器的阻力损失 2.3.1 管程阻力损失

包括各程直管阻力损失hf1、回弯阻力损失hf2及换热器进出口阻力损失hf3构成，其中hf3

可忽略不计。

hft (hf1 hf2)ftNp

式中 ft—— 管程结垢校正系数，对三角形排列取1.5，正方形排列取1.4；

Np——管程数；

2

lui

hf1

di2

式中 l——换热管长度，m；

hf2 3

ui22

（hf2包括回弯和进出口局部阻力及封头内流体转向的局部阻力之和，取阻力系数为3）

管程阻力损失也可写成

l ui2

pt d 3 ftNp2 i

3

由于ui Np，所以 pt NP。

对同一换热器，若单程改为双程，阻力损失剧增为原来的8倍，而给热系数只增为原来的1.74倍，因此在选择换热器管程数时，应该兼顾传热与流体压降两方面的得失。 2.3.2壳程阻力损失

壳程由于流动状态比较复杂，结构参数较多，提出的公式较多，但可归结为

hfs

2

uo

2

不同的计算公式，决定 和uo的方法不同，计算结果往往不一致。 2.4对数平均温差的修正

前面学过的对数平均温差 tm仅适用于纯并流或纯逆流的情况，当采用多管程或多壳程时，由于其内流动形式复杂，平均推动力 tm的计算式相当复杂。为了方便，可将这些复杂流型的平均推动力的计算结果与进出口温度相同的纯逆流相比较，求出修正系数 ，即

tm tm逆

其中 的求法为：

f(P,R)

P R＝

t2 t1T1 t1T1 T2t2 t1

冷流体温升两流体最初温差热流体温降冷流体温升

根据P，R值由图查出各种情况的 值。

图2-4 对数平均温度差校正系数 的值 （a）单壳程 (b)二壳程 (c)三壳程 (d)四壳程

在设计时注意应使 >0.8，为什么？

因为①经济上不合理；②操作温度略有变动，则 下降很快，使操作不稳定。

2.5管壳式换热器的设计和选用步骤

① 由已知条件计算传热量及逆流平均温差 tm逆 Q KA tm KA tm逆

由上式可知，要求A，必须知道K …… 此处隐藏：2656字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……