管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟

毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟
专业年级2007级热能与动力工程专业
学号姓名******** 杨郭
指导教师刘巍
评阅人刘庆君
二零一一年六月
中国南京
任务书
课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟
课题类型：毕业论文
任务书内容:
1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）
2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。

2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。

其总流阻损失应在满足规定要求。

2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；
3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。

3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。

3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。

3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.
4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.
5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。

准备毕业答辩的PPT文稿。

任务书进度:
1、16~17周，分析、熟悉毕业设计题目、查找相关翻译资料，对“毕业设计任务书”进行分析计划；收集相关行业信息；准备电脑、办公地点，学习相关软件；
2、18~19周，基础设计，查找技术资料、确定设计方案，对方案进行初步设计与计算；
3、1~4周，进行相关计算，结果分析，编写相关计算、设计、计划文件；
4、5~9周，计算结果分析、修改、撰写毕业论文；
5、10~14周，毕业论文和设计文件的修改，准备毕业答辩。

参看文献:
[1]薛殿华主编《空气调节》.清华大学出版社；1990年.
[2]杨世铭,陶文诠编著《传热学》第三版.高等教育出版社；1998年09月.
[3]赵庭元主编《工程常用物质的热物理性质手册》.新时代出版；1987年9月.
[4]朱聘冠主编《换热器原理及计算》.清华大学出版社；1987年9月.
[5]单寄平主编《空调负荷实用计算法》.北京中国建筑工业出版社；1988年.
[6]冯玉琪,徐育标,吕关宝主编《新编实用空调制冷设计、选型、调试，维修手册》.北京，电
子工业出版社；1997.
[7]《通风与空调工程施工及验收规范》（GB50242-97）.
[8]韩占忠,王敬,兰小平主编《流体工程仿真计算实例与应用》北京理工大学出版社；2003
年9月.
[9]清洁能源论坛《FLUENT HELP 算例精选中文版》.
[10] Fluent的学习网站、资料等等.
评委意见
指导教师：刘巍，2010 年12 月05 日
学生姓名：杨郭，专业年级：热能与动力工程专业2007级
系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：
系负责人签字：，年月日
管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟
摘要：本文首先，对给定参数的立式管壳式换热器进行热力计算得到总的传热面积为69㎡，总的传热系数为128.2W/(㎡.k)，并对计算的换热器传热系数和压力降进行了复核计算，最终得出设计的换热器的主要参数符合设计要求。

然后，参照《管壳式换热器设计手册》和《GB151—1999管壳式换热器》对换热器的结构参数进行设计和选型，最终得到设计换热器各主要结构的参数尺寸如表5，并画出换热器的装配图和零件图如图3-2~3-6。

最后，使用algor软件对换热器进行了多耦合的有限元分析，分别建立了换热器整体结构和重要部件的三维有限元耦合分析模型及壳程流体的二维有限元分析模型；模型中充分考虑了换热器的高温特性和结构的复杂性，通过流场分析和结构热分析，得出了比较完整的换热器的流场分布和温度场，并计算出了相应的热应力；换热器管板总体模型充分考虑了换热器结构的复杂性以及与热-应力耦合分析模型的一致性；通过分析计算出的数据，分别讨论了换热器管程和壳程流体流场对换热温度场分布的影响以及温度载荷与压力载荷对换热器整体结构的影响，确定了换热器最危险结构，并根据JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》，对换热器进行了强度校核，得到最危险结构点出现在上管板中心换热管附近，此处最大应变为0.0048mm，最大位移为0.22mm。

由于此处应变和位移都较小，说明设计的换热器符合设计要求。

关键字：管壳式换热器，热应力，流固耦合分析，algor软件
Abstract：In this study the total heat transfer area is 69 square meters witch is calculated by a vertical shell and tube heat exchanger of the given parameter, the total heat transfer coefficient is 128.2W / (m2. K), the heat transfer coefficient of the heat exchanger and pressure drop was checked, finally it meets the design requirements in the main heat exchanger design parameters. The "shell and tube heat exchanger design handbook" and the "GB151-1999 shell and tube heat exchanger" is referenced to design and select model.Finally the size parameters of the main structure is shown in table 5,the assembly drawings and parts of heat exchanger are pictured in figure 3-2 ~ 3-6. Finally,conducting the Multi-coupled finite element analysis by algor software,the overall structure as well as important parts of three-dimensional finite element analysis model and shell-coupled
two-dimensional finite element analysis of fluid model is established respectively.The high temperature characteristics and structural complexity of heat exchanger is taken into consideration,resulted the more complete the flow field and temperature field through the flow field analysis and thermal analysis, and calculating the corresponding thermal stress. The the complexity of the structure as well as heat - stress coupled analysis model of consistency is involved in the overall model of heat exchanger tube plate. Discussing the influence of fluid flow in heat exchanger tube side and shell side on temperature distribution,and temperature load and pressure load on the overall structure of heat exchanger,to obtain the most dangerous structure. And according
JB4732-95 "Steel Pressure Vessels - analysis and design standards" to conduct strength check,as the most dangerous structure appears at the center of the tubes near the tube sheet.where the maximum strain is 0.0048mm, the maximum displacement is 0.22mm. It illuminates the design meets the design requirements for strain and displacement are smaller here.
Keywords: shell and tube heat exchanger, heat stress, fluid-structure interaction analysis, algor software
目录
第1章绪论 (1)
第一节管壳式换热器的类型 (1)
一、固定管板式换热器 (1)
二、浮头式换热器 (2)
三、Ｕ形管式换热器 (2)
四、填函式换热器 (3)
五、换热管 (3)
六、管壳式换热器特殊结构 (4)
七、管壳式换热器性能比较 (5)
第二节管壳式换热器设计概述 (6)
第三节管壳式换热器有限元分析概述 (8)
第2章管壳式换热器热力计算 (8)
第一节任务书要求 (8)
第二节符号定义 (9)
第三节热力计算过程 (9)
第四节热力设计评述 (20)
第3章换热器的结构设计 (20)
第一节壳体、管箱厚度计算和进出口结构 (21)
第二节管子与管板的连接 (21)
第三节折流板结构 (22)
第四节换热器装配图和主要结构零件图 (23)
第4章换热器的有限元分析 (26)
第一节换热器有限元分析的假设和分析方法 (26)
第二节Algor 多物理场耦合有限元分析软件介绍 (27)
第三节换热器有限元分析模型的建立 (27)
第四节换热器模型简化 (28)
第五节换热器管程模型有限元耦合分析 (29)
一、换热器管程的稳态流场分析 (30)
二、换热器管程稳态温度场分析和热应力耦合分析 (32)
(一)换热器管程稳态温度场分析 (32)
(二)换热器热应力耦合分析 (34)
三、换热器重要部件有限元分析 (35)
四、换热器壳程流体换热耦合分析 (37)
五、换热器有限元分析总结 (38)
第5章总结 (39)
参考文献 (40)
致谢 (41)
i
第1章绪论
管壳式换热器是把管子与管板连接，再用壳体固定的一种比较常用换热器，与其他类型换热器相比，管壳式换热器制造容易，生产成本低，选材范围广泛，清洁方便，适应性强，处理量大，且能适应高温环境工作。

在化工、炼油、原子能、建筑、机械、交通等许多技术领域中均有广泛的应用。

如化工生产中的加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器、再沸器等；又如热力发电厂中的空气预热器、蒸汽过热器、凝汽器和冷水塔等，为了满足不同生产条件的需要，各工业部门采用多种多样的管壳式换热器[1]。

由传热学理论可知道，热交换是一种复杂的过程，它是由系统内两部分的温度差异而引起的，热量总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分。

传热的基本方式有热传导、对流和辐射3种，因此在管壳式换热器中，热量总是从热流体传给冷流体，起加热作用的热流体又称加热介质如水蒸汽、烟道气、导热油或其他高温流体等；起冷却作用的冷流体又称冷却介质如空气、冷冻水、冷冻盐水等[1-2]。

在热交换过程中，热冷流体的温度是因整个流程而不断变化的，即热流体的温度由于放热而下降，冷流体的温度由于吸热而上升。

适应于各种换热条件，管壳式换热器有多种形式。

每种结构形式都有其特点和适用范围，只有熟悉和掌握这些特点，并根据生产工艺具体情况，才能进行合理选型和正确的设计，如图1-1所示为一种常用的管壳式换热器示意图。

图1-1 管壳式换热器示意图（BEM）[3]
第一节管壳式换热器的类型
一、固定管板式换热器
固定式管壳换热器的两端管板采用焊接方式与壳体连接固定，如图1-2所示。

这种换热器的结构简单紧凑,在相同壳体直径内，排管数量最多；往往是管板兼法兰。

适用于管、壳程温
差不大或者管、壳程温差较大,但压力不高，壳程介质干净或虽结垢,但可以通过化学清洗能清除的场合。

由于此类换热器集中了管壳是换热器的优点，因此在工程上应用比较广泛。

图1-2 固定管板换热器示意图（BJM）[3]
二、浮头式换热器
浮头式换热器结构如图1-3所示，浮头换热器针对固定管板是换热器的缺点在结构上进行了改进，两端管板只有一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由移动，该端称为浮头。

由于管板可以自由浮动,不受温差应力的困扰,其结构复杂,内浮头密封困难,锻件多,造价高。

维修时可只更换管束,适用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况。

图1-3 AES、BES浮头式换热器示意图[3]
三、Ｕ形管式换热器
U型管式换热器的结构如1-4图所示，每根管子都弯成U 形，进、出口分别安装在同一管板的两侧，再将该侧管箱用隔板分成两室，由于只有一块管板，管子在受热或冷却时，可以自由伸缩。

其结构简单，能耐高温，耐高压，但管束不易清洗，拆换管子也不容易。

因此要求通过管内的流体是洁净的。

这种换热器壳用于温差变化很大，高温或高压的场合。

图1-4 双壳程U型管式换热器（AFU）[3]
四、填函式换热器
填函式换热器结构示意图如图1-5所示，其管束可自由伸缩,壳程和管程都可以拆开清洗,结构简单,适用管、壳程温差大工况。

耐压、耐温及密封能力差,工作压力不超过40MPa,不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质。

它有两种形式，一种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填料函密封，以保证管子的自由伸缩。

当换热器的管子数目很少时，才采用这种结构，但管距比一般换热器要大，结构复杂。

另一种形式是在列管的一端与外壳作成浮动结构，在浮动处采用整体填料密封，结构较简单，但此种结构不宜用在直径大，压力高的情况。

图1-5 滑动管板式填料函换热器示意图[3]
五、换热管
换热管是管壳式换热器的传热元件,采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接有效的方法。

国内已使用的换热管有以下几种。

(1)螺纹管螺纹管也称低翅片管,用光管轧制而成,适用于管外热阻为管内热阻1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大,腐蚀易结垢物料的换热[4]。

(2)Ｔ形翅片管用于管外沸腾时,可有效降低物料泡核点,沸腾给热系数提高1.6～3.3倍,是蒸发器、重沸器的理想用管[5]。

(3)表面多孔管该管为光管表面形成1层多孔性金属敷层,
该敷层上密布的小孔能形成很多汽化中心,强化沸腾传热[5]。

(4)螺旋槽纹管可强化管内物流间的传热,物料在管内靠近管壁部分流体顺槽旋流,另一部分流体呈轴向涡流,前一种流动有利于减薄边界层,后一种流动分离边界层并增强流体扰动,传热系数提高1.3～1.7倍,但阻力降增加1.7～2.5倍[5]。

(5)波纹管为挤压成形的不锈钢薄壁波纹管,管内、外都有强化传热的作用,但波纹管换热器承压能力不高,管心距大排管少,壳程短路不易控制[3, 6]。

六、管壳式换热器特殊结构
(1) 双壳程结构在换热器管束中间设置纵向隔板,隔板与壳体内壁用密封片阻挡物流内漏,形成双壳程。

适用场合:①管程流量大壳程流量小时,采用此结构流速可提高一倍,给热系数提高1.2～1.倍。

②冷热物流温度交叉时,单壳程换热器需要多台以上才能实现传热,用1台双壳程换热器不仅可以实现传热,而且可得到较大传热温差。

(2) 螺旋折流板换热器螺旋折流板可防止死区和返混,压降较小。

物流通过这种结构换热器时温度存在明显的径向变化,故不适用于有高热效率要求的场合。

(3) 双管板结构在普通结构的管板处增加个管板,形成的双管板结构用于收集泄漏介质,防止两程介质混合。

(4) 高温高压密封结构①金属环垫(八角垫或椭圆垫)。

该结构加工简单,密封可靠,但对于大直径、高压加氢换热器金属耗量大、金属垫难以加工且密封不可靠。

此种结构适用于压力为6～9MPa直径小于1000mm的工况。

②螺纹锁紧环结构。

同钢垫圈密封结构相比,其优点为密封可靠性好,金属耗量较少。

但机加工件较多,结构复杂,设计计算繁琐,造价昂贵,不能准确排除管壳程间介质内漏,拆卸检修比较复杂。

结构见图1-6。

图1-6 螺纹锁紧环结构[3]
③密封盖板封焊型这种结构具有螺纹锁紧环结构所具备的许多优点,不同的是,它的管箱部分密封是靠在盖板外周上施行密封焊来实现。

④Ω环密封结构。

1种新型高压换热器密封结构,其优点是主螺栓预紧载荷和操作载荷较小,减小了设备法兰与主螺栓的尺寸和质量;拆卸检修方便、密封可靠;制造简单,造价低以及直径、压力、温度适用范围广。

其结构见图1-7。

图1-7 Ω环密封结构[3]
七、管壳式换热器性能比较
各种管壳式换热器特点如下表1所示
表 1 各种管壳式换热器特点比较
类型特点
管
壳
式换热器列
管
式
固定管
板式
刚性结构
用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管
间不能清洗
带膨胀节
有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压
力
浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合
U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函
式
外填料函
管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及
压力较高的介质
内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式
结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固
定床反应器中
套管式
能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷
凝器或预热器
在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,Ｕ形管式和浮头式换热器相当。

固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。

在刘凯和,张素香的研究中，对3种换热器进行综合性能对比，3种换热器综合性能见表1,表中紧凑性是换热器总传热面积与其体积的比值,该值越大占地面积越小。

经济性是指单位传热面积的金属耗量,该值越小造价越低。

价格比指相同工况和材料下的相对价格比,并以固定管板作为基数。

表2中换热器采用公称压力2.5MPa,6000mm 管长作对比[7-8]。

表 2 三种换热器的综合性能比较
m-
3
m-2
1200 800 1200
60 31
47 37
48 40
从表中可以得出，在同等条件下,固定管板式换热器结构最紧凑,Ｕ形管式和浮头式换热器相当。

固定管板式换热器最经济,浮头式换热器较差。

若工况允许,选择换热器的次序为固定管板式、Ｕ形管式、浮头式。

第二节管壳式换热器设计概述
立式管壳式换热器的设计步骤分以下几部分：
1）换热器的热力计算
热力计算的主要任务是根据设计初参数，计算出换热器中的传热系数，传热量，总传热面积等；
主要设计步骤
（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能
（2）计算传热量，并确定第二种流体的流量
（3）确定流体进入的空间
（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据
（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核
（6）选取管径和管内流速
（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核
（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的
1.15~1.25倍
（9）选取管长
（10）计算管数
（11）校核管内流速，确定管程数
（12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等
（13）校核壳程对流传热系数
（14）校核平均温度差
（15）校核传热面积
（16）计算流体流动阻力。

若阻力超过允许值，则需调整设计。

其设计流程图如图1-8立式固定式换热器详细设计流程图所示
2）换热器结构设计
主要包括管程面积计算，壳体设计，进出口接管尺寸设计，热补偿，密封面与垫片类型确定，其他结构部件设计
图1-8 固定管板式换热器设计详细流程图
第三节管壳式换热器有限元分析概述
随着计算机技术的提高以及计算流体力学和有限元分析方法的蓬勃发展，有限元数字模拟方法已经成为在换热器设计和分析过程中缩短设计周期和节约资源的重要手段。

采用有限元分析方法各种换热器的流场、温度场及压力场等进行研究，能够详尽地预测管束支撑对流场、换热过程对换热器的影响及由热应力引起的热应变对换热器结构的影响，有利于提高换热器的综合性能，并设计出性能更优秀的、更适合设计要求的换热器。

采用有限元分析不仅直观、灵活、费用低、周期短，而且还能够处理和预测更复杂的实际工作情况。

本论文通过建立三维实体模型对设计的换热器采用简化模型，并通过使用algor多物理场有限元分析软件对设计的立式固定管板式换热器的管程、壳程和换热器重要部件进行有限元，包括稳态流场分析、温度场分析、流固耦合分析等。

通过采用有限元分析的方法，采用实际简化的换热器模型对设计换热器在实际工况下工作进行了详细分析。

第2章管壳式换热器热力计算
第一节任务书要求
根据任务书知，立式固定管壳式换热器的主要设计参数有：
1、换热器热交换功率为200KW
2、管程介质为水，工作压力为5MPa，进出口温度为300/200℃
3、壳程介质为空气，工作压力为0.8MPa,进出口温度为150/230℃
4、工作介质和冷却介质的流速应在合适的范围内，应保证总流阻损失满足规定范围，并且工质在换热器内的压降应在允许范围内（<50kpa）
5、每年按300天计，每天24小时连续运行。

第二节 符号定义
第三节 热力计算过程
（1） 管程工作介质水流量s W ：
2003600
1486.4/(-) 4.844(300200)
s p i o Q W kg h
c T T ⨯=
==-
(3-1)
（2） 冷却空气流量i
W
2003600//()9946.7/1.034088(230150)
i pi i o kJ h
W Q c t t kg h ⨯=-=
=⨯- (3-2)
（3） 流体的平均温度m T 和m t
因给热系数公式要求，要用流体的算术平均温度，分别计算管程和壳程的平均温度
0.5()0.5(300200)250m i o T T T C =+=+= 0.5()0.5(150230)190m i o t t t C =+=+=
（4） 平均温度下的物性参数
250m t C =时，水的物性数据：
粘度
5
10.9810.pa s μ-=⨯ 密度 3799.0/kg m γ=
导热系数 0.6176/()W m C λ= 定压比热容
4.844/()
p c kJ kg C =
225m T C =时，空气的物性数据：
粘度 0.0000264.pa s μ=
密度 35.558263/kg m γ=
导热系数 0.03852/()W m C λ= 定压比热容
1.034088/()
p c kJ kg C =
（5） 平均有效温差m t ∆：
计算逆流条件下的对数平均温差：
2()()(300200)(230150)
89.6284()300200
ln ln
230150()i o o i m i o o i T t t t t C
T t T t ------∆=
==---- (3-3)
（6） 决定通入空间，选取管径和管内流速：
为了保证换热器的安全使用，决定水走管内，空气通管间。

并选用20 2.5mm φ⨯的4BsTF 黄铜管。

考虑到主要热阻在管间空气侧，故管内水取较低的流速，5/i w m s =。

（7） 计算传热系数k
1） 管程给热系数i α：
流动在管管内其流动阻力和传热膜系数与流体在管内的流动状态有关，流动状态以雷诺数的大小来区分Re>10000为湍流，Re=2300~10000为过渡流
0.025799
Re 727680.67
0.0001098i i d w γ
μ
⨯⨯=
=
= (3-4)
由Re 727680.6710000=>所以流体在管内的流动为湍流，式（3-5）计算管程给热系数
0.80.4
0.023()()
p i i i i c d w d μγλαμλ= (3-5)
0.80.4
0.6176 4.8440.395280.023
(727680.67)()0.0200.6176⨯=
254640.98/()W m C =
2） 壳程传热膜系数o α
换热器内装有圆缺形挡板（弓形折流板），通常缺口面积取25%的壳体内截面积，空气的流速为1.5m/s ：
0.025 1.5 5.558263
Re 7895.26
0.0000264i i d w γ
μ
⨯⨯=
=
= (3-6)
由Re=7895.26<10000,所以选用kern 法[9]计算壳程传热膜系数o α：其中假设流体流过每根管子中最窄通道的流速为3m/s 。

0.551/30.14
0.36()()()
p e o o e w
c d u a d μρλμμλμ= (3-7)
0.551/3
0.038520.020056 3.0 5.558263 1.0340880.000026436000.36
()()0.0200560.00002640.03852⨯⨯⨯⨯=
0.140.0000264()0.0001098⨯ 2139.6891/()W m C =
3） 传热系数k
由于工作介质都是以蒸汽的形式工作，工作过程中处于相当较干净的环境，所以假设水和空气的绝热污垢系数为：
20.000344/i r m C W =
20.000172/o r m C W =
又管壁导热系数查传热学附录2，取2145/w w m C λ=。

由式（3-8）计算换热器换热系数
w o o o o i o
0w m i i i d d d d
111=+r +()+r ()+()k a l d d a d (3-8) 10.00250.0250.02510.025
0.000172()0.000344()()
139.6891450.02250.02054640.980.0200.007924
=
++++=
2128.1592/k W m C ∴
=
（8） 传热面积F
'2
2003600
62.68115128.159289.6284o m Q F m k t ⨯=
==∆⨯ (3-9)
考虑到10%的面积裕度，则所需传热面积为：
'21.1 1.162.6811569F F m =⨯=⨯≈
（9） 排管和管程设计
取管心距 1.28 1.280.0250.032o t d m ==⨯=，管长为 4.5l m =。

1) 管数：
'
69
1980.025(4.50.06)T o F N d l ππ=
=≈⨯⨯- (3-10)
2) 排管：考虑管内空间分两程，程内按正三角错列排布，程间为矩形排布，具体见换
热器装配图。

3) 实际排管根数为199根，另有12根折流板固定杆位置。

壳体内径520i D mm = 排管直径'473i D mm ≈
接近中心线管排上的管子数： 15c N =根
圆缺区内的管数：,36T w N =根（其中有2根为折流板固定杆） 折流板上的管孔数：163B N =根（其中有6根为折流板固定杆） 一个错流区域流体所经过的主要收缩次数：8N θ= 圆缺区内错流的有效收缩次数：3w N = 旁挡数：0N δ=（即不设旁挡）
装设切口高度为25%的圆缺形折流板，取板间距150h mm =，则折流板数为： ' 4.50.06128.60.15N -=-=
实取折流板数28N =块，则靠近两管板端的间距为195mm,其余中间的板间距均为150mm 。

（10） 复核传热系数
1) 管程水的给热系数i α
管程的实际水速：
2
1486.375
4.306236/36007990.20.020w m s ==⨯⨯⨯
'0.8
20.4.306236(
)54640.9848486.49/()5
i i
w a a W m C w ===实际选用
（
）
2) 壳程油的给热系数o α
由式（3-11）计算壳程的当量直径o d ：
2222
0.521990.0250.0265740.521990.025i T o i T o D N d d m
D N d θ--⨯===++⨯ (3-11) 由式（3-12）计算流体横过管束时的通流面积1F ：
2
1(1/)0.150.52(125/32)0.01477i o F hD d t m =-=⨯-= (3-12)
由式（2-129）计算折流板切除高度H ：
2sin (/4)0.25i i
H D D θ== (3-13)
由此得 2sin (/4)0.25θ=
由式（3-14）计算折流板的弦长b ：
sin(/2)0.52sin 600.45033321i b D m
θ=== (3-14)
由式（3-15）计算弓形面积F ϕ：
2(/2)1()222i i D
b D H F ϕθ-=-
(3-15)
2
0.52
0.52(
0.250.52)0.5220.5(
) 2.09332
23π-⨯=⨯-⨯
20.035377m =
由式（3-16）计算横面积与壳体横面积之比β：
2225
0.907(
)0.907()0.553632o d t β=== (3-16)
由式（3-17）计算圆缺区内的流通面积2F ：
22(1)0.035377(10.5536)0.015792F F m ϕβ=-=-= (3-17)
由式（3-18）计算几何平均流通面积m F ：
2120.014770.0157920.015272454m F F F m =⨯⨯= (3-18)
单位面积的质量流量：
9946.6350.015272454s m m W G F =
=
(3-19)
22
651279/()180.9109546/(()kg m h kg m s == 雷诺数：
0.025180.911
Re 171317.1919
0.0000264o m
m d G μ
⨯=
=
= (3-20)
普兰特准数：
1034.0880.0000264
Pr 0.708721
0.03852p c μ
λ
⨯=
=
= (3-21)
由式（3-22）计算壳程给热系数o α：
1
0.60.6
0.14
3
1.72
(Re)(Pr)(
)o o o
w
d d λ
μαμ= (3-22)
1
0.60.6
0.14
30.038521.72(0.032)(171317.1919)(0.708721)()0.025w
μμ=
0.14
2413.8126(
)/()w
W m C μμ= 假设 0.14
(
)0.91w
u u = 所以 2413.81260.91376.5695/()o W m C α=⨯=
3) 传热系数：
110.00250.0250.0250.000172()0.000344376.56951450.02550.020o k =+++
10.025
()
48486.490.020+
550.0026560.000172 1.69033100.00043 2.5780410--=++⨯++⨯
0.003300236=
所以 2303.0086347/()o k W m C =
（11） 校核有效平均温差
300200
1.25230150
i o A o i T T R t t --=
==--。