22管壳式换热器的结构计算
2.2 管壳式换热器的结构计算•在换热器
设计
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中，传热计算之后即是结构计算。
•结构计算的任务在于确定设备的主要尺寸，对于管壳式换热器，主要包括:•1)计算管程截面积(管子尺寸、数目及程数，管子排列方式)
•2)壳体直径
•3)壳程截面积
•4)计算进出口连接管尺寸
2.2.1 管程流通截面积
•基本方程为连续性方程
单管程换热器的管程流通截面积为:At=Mt/ρtwt
At??管程流通截面积，m2
Mt??管程流体质量流量，kg/s
ρt??管程流体密度,kg/m3
wt??管程流体流速，m/s
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•管长的选用应考虑管材的合理使用和清洗方便，
•目前换热管长度与壳体直径之比一般在4,25，通常为6,10，立式换热器以L/D,4,6为宜。
•因我国生产的钢管长度多为6m，故系列
标准
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中的管长有1.5，2，3或6m四种，其中以3m和6m最为普遍。
•如果按上式算出管长过长，则需分程。
管子的长度选为l后，管程数Zt为:Zt,L/l
于是管子总数nt为:nt=nZt
L??管程总长;m
l??每程管长;m
n??每程管数
程数过多导致分程隔板占据管板过多面积，排管数减少，同时短路机会增加;程数多增加流体转弯次数使流动阻力增加。
所以程数宜取偶数，以便进出口连接管做在同一封头管箱上，便于制造。
2.2.2壳体直径的确定
•换热器壳体内径应等于或稍大于管板直径，通常是根据管径，管数和管子的排列
方法
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，用作图法确定。当管数较多又要反复计算时，可参考系列标准或通过估算初选外壳直径，待设计完成后再用作图法画出管子的排列图。为使管子均匀排列，防止流体走“短路”，可以适当增减一定数目的管子或
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安排一些拉杆。
•初步设计中，可采用下式估算外壳直径:
•DS=(b-1)s+2b′
式中:DS——壳体内径，m;
s——管中心距，m;
b′——管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，m，一般取b′=(1,1.5)do;
b ——位于管束中心线上管数，其值可由以下公式计算:管子按等边三角形排列时，b=1.1nt0.5
管子按正方形排列时，b=1.19nt0.5
式中:nt——换热器的总管数。
根据计算得到的壳径应圆整到国家规定的标准。
2.2.3 壳程流体截面积的计算
壳程流通截面积的计算在于确定纵向隔板或折流板的数目与尺寸。
1、对于纵向隔板，主要确定其长度，计算时采用连续性方程。′=Ms/ρswsAs
2′As??壳程流通截面积;m
Ms??壳程流体的质量流量;kg/s
ρs??壳程流体的密度;kg/m
ws??壳程流体流速;m/s3
2)弓形折流板
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其缺口高度(h)应能保证流体在缺口处的流通截面积与流体在两折流板之间错流的流通截面积接近，避免流动速度变化而引起压降。
当选好壳程流体的流速后，就可方便地确定为保证此流速所需的基准流通截面积(As)。
2.3 管壳式换热器的传热计算目的在于使所设计的换热器能在传热系数、传热面积和平均温差等方面的综合结果满足传热方程式。
2.3.2 换热系数的计算
•1)管内外换热系数
流体流过各种形式传热壁面时的α，一般是在试验数据的基础上，把它的变化规律整理成努赛尔准数(Nu)或传热因子(Jh)与雷诺数(Re)之间的关系用公式或线图的形式表现出来。
•各种流动形式下的Nu或jh与Re的关系在各类《传热学》有专门的叙述。表2.8中摘录了部分公式，同时图2.26示出了jh与Re的关系，均可作为计算的参考，在确定了Nu或jh之后，就可由定义式求出管内换热系数。
•但是表2.8所列准则方程式用于壳侧的换热计算时，特别是装有折流板时，由于此时流动并非典型的错流，会带来很大误差。所以壳侧换热系数主要用下列公式计算
3)弓形折流板
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•弓形折流板是应用最为普遍、占主导地位的一种折流板，因而对其研究较早、较多。对于管壳式热交换器:
•柯尔本早在1933年就首先提出以”理想管束”数据为基础的关联式，对于具有折流板的实际热交换器，其情况远比理想管束复杂，因而他的公式在使用中有很大误差。
•1949年，多诺霍(Donohue)发表了一个在柯尔本关联式基础上加以改进的计算方法。
•1950年，科恩也在多诺霍法基础上作了一些改进，在其著作中提出他的计算公式，该式的优点是同时考虑了传热问题以及壳程,管程流动、温度分布、结垢及结构等问题，是—个比较完整的设计公式，但只适用于25,的圆缺情况。
廷克流动模型
•廷克在1947年提出一个引入注目的壳侧流体流动模型，它将壳侧流体分为错流、漏流及旁流等几种流
路，每个流路各有自己的特点
流路A: 由于管子与折流板上的管孔间存在间隙，而折流板前后又存在压差所造成的泄漏，它随着管外壁的结垢而减小。此流路在环形间隙内有非常高的换热系数，但却降低了主流速度，故对传
热不利。
•流路B:这是真正横向流过管束的流路(它是对传热和阻力影响最大的一项。
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•流路C:管束最外层管子与壳体间存在间隙而产生的旁路。此旁路流量可达相当大的数值。设置
旁路挡板，可改善此流路对传热的不利影响。
•流路D:由于折流板和壳体内壁间存在一定间隙所形成的漏流，它不但对传热不利(而且会使温度发生相当大的畸变，特别在层流流动时，此流路可达相当大的数
值。
•流路E:对于多管程，因为安置分程隔板而使壳程形成了不为管子所占据的通道，若用来形成多管程的隔板设置在主横向流的方向上，它将会造成一股(或多股)旁路。此时若在旁通走廊中设置一定量的挡管，可
以得到一定的改善。
贝尔法
•贝尔法的中心内容是首先假定全部壳程流体都以错流形式通过理想管束(求得理想管束的传热因子，然后根据热交换器结构参数及操作条件的不同，引入各项校正因子因子。
(2)
由图2(29查取折流板缺口的校正因子Jc，Jc是Fc的函数，对于缺口处不排管的结构Jc=1(
(4)由图2(31查取管束旁通影响的校正因子
Jb它是Fbp和Nss/Nc(Nss为每一错流区内旁路挡板对数Nc为错流区内管排数)的函数。
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旁通校整因子图
(6)当雷诺数低时(壳程Re,100)(将出现逆向温度梯度，采用校正因子Jr以考虑其影响
当Re?20时，从图2(32查取Jr,Jr?
?当20(7)计算壳程传热因子jojo=JHjcj1jbjsjo
并按式(2(43)算出壳程换热系数αO
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