换热器换热面积选型计算方法

2、计算管程、壳程压强降
根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压 强降。验算结果是否满足工艺要求。若压强降不符合要求， 要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规 格的换热器，重新计算压强降直至满足要求。
3、核算总传热系数
计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻，再计算 总传热系数K’，比较K的初设值和计算值，若 K’/K=1.15~1.25，则初选的换热器合适。否则需另设K值， 重复以上计算步骤。
nc 横过管束中心线的管子数； N B 折流挡板数； h 折流挡板间距，m； D 壳体内径，m； u0 按壳程流通截面积A0 计算的流速，m / s, 而A0 h( D nc d 0 )
液体流经换热器的压强降为10~100kPa，气体为1~10kPa。
设计步骤
1、试算并初选设备规格
p2 3(
u 2
2
)
2.壳程流动阻力
用埃索法计算壳程压强降，即
' ' p ( p p 0 1 2 )F s Ns
p1' 流体横过管束的压强降，Pa；
' p2 流体通过折流板缺口的压强降，Pa；
Fs 壳程压强降的结垢校正系数，液体可取1.15，气体可取1.0
考虑到外界因素的影响，根据经验取实际传热面积为估算 值的1.15倍，则实际传热面积为：
Ap 1.15 A 22.07m2
4.井水用量
m= Q1 c pi ti
376.8 103 = 4.51kg / s 16250.8kg / h 3 4.174 10 40 20
主要物性参数表
介质 植物油 井水 性质 热流体 冷流体 密度 kg/m3 950 995.7 比热 kJ//(kg· ℃) 2.261 4.174 粘度 Pa· s 0.742× 10-3 0.801× 10-3 热导率 W/(m· ℃) 0.172 0.618
三、估算传热面积
1.热流量
Q1 m1c p1t1 6000 2.261 140 40 1.3566 106 kJ / h 376.8kW
壳体上常安有放气孔和排液孔，排出不冷凝气体和冷 凝液等。
5.接管
换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即
4Vs d u
Vs——流体的体积流量，u——流体在接管中的流速
流速u的经验值可取为： 对液体 u =1.5~2m/s；对蒸气u =20~50m/s ； 对气体u =（0.15~0.2）p/ρ (p为压强，kPa； ρ为气体密度)。
九、材料选用
材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等来选用。
目前常用的金属材料有：碳钢、不锈钢、低合金钢、 铜和铝等。
非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。
十、流体流动阻力（压强降）的计算
1.管程流动阻力
总阻力等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口之和。 一般进、出口阻力可忽略不计，管程总阻力的计算式为：
管壳式换热器结构
• 管箱（封头） • 壳体 • 内部结构（包括管束等）
接管 壳体 壳程
折流挡板
封头（ 端盖、管箱）
管程
管束
管板
单管程固定管板换热器
一、流体流径的选择-冷、热流体走管程或壳程
① 不洁净和易结垢的液体宜在管内-清洗比较方便 ② 腐蚀性流体宜在管内-避免壳体和管子同时腐蚀，便于清 洗 ③ 压强高的流体宜在管内-免壳体受压，节省壳程金属消耗 量 ④ 饱和蒸汽宜走管间-便于及时排除冷凝液 ⑤ 有毒流体宜走管内，使泄露机会较少 ⑥ 被冷却的流体宜走管间-可利用外壳向外的散热作用 ⑦ 流量小或粘度大的液体，宜走管间-提高对流传热系数 ⑧ 若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管间-减 少热应力 上述各点若不能同时兼顾，应视具体情况抓主要矛盾。
式中: t—管心距，m；nc —横过管束中心线的管数； b’—管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 .
正三角形排列：n c 1.1 n 正方形排列： n c 1.19 n
b ' (1 ~ 1.5)d0
多管程壳体内径：
D 1.05t
N ——排列管子数目；t—管心距
N

——管板利用率
• 板间距过大，流体难于垂直地流过管束，使对流传热系 数下降。
系列标准中，采用的h（mm）值为： • 固定管板式：150,300,600；
• 浮头式：150,200,300,480和600.
七、外壳直径的确定
要求：壳体内径等于或稍大于管板的直径。 单程管壳体内径：
D t (nc 1) 2b'
先流体的压强、防腐蚀和清洗等要求，再校核对流传热系数和压强降。
二、流体流速的选择 •增加流速
对流传热系数↑ ，污垢热阻↓→总传热系数 ↑ →传热面积↓ 流动阻力↑和动力消耗↑
还需考虑结构上：
一定传热面积
高流速→管子数目↓→较长管子或增加程数
管子太长不易清洗，且管长都有一定标准； 程数增加使平均温度差下降
常用的流速范围
流体种类 一般流体 易结垢流体 气体 流速 管程 0.5~3 >1 5~30 壳程 0.2~1.5 >0.5 3~15
不同粘度液体的流速
液体粘度 >1500 1500~500 500~100 最大流速 0.6 0.75 1.1
100~35
35~1 <1
1.5
1.8 2.4
三、流体两端温度的确定
p
i
(p1 p2 )Ft Ns N p
p1、p2 分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，Pa；
Ft 结垢校正因数，对 25mm 2.5mm取1.4，对19mm 2mm取1.5 ；
N p 管程数；Ns 串联的壳程数。
l u 2 p1 d 2
便于清洗，适 于壳程流体易 结垢的场合； 但对流传热系 数较正三角形 的低。
介于正三角 形和正方形 之间。
4. 管间距t
管间距:两相邻换热管中心的距离。其值的确定需要考虑 以下几个因素： ① 管板强度； ② 清洗管子外表面时所需要的空隙； ③ 换热管在管板上的固定方法。 通常，胀管法取t =（1.3~1.5）d0，且相邻两管外壁间距不 应小于6mm，即t≥6+d0 焊接法取t =1.25d0。
12 14
八、主要附件
1.封头
方形：用于直径小的壳体（<400mm）； 圆形：用于大直径的壳体。
2.缓冲挡板
为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进 料管口装设缓冲挡板
3.导流筒
壳程流体的进、出口与管板间存在一段流体不能流动 的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导 流筒。
4.放气孔、排液孔
五、管程和壳程数的确定
1.管程数
当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时， 有时会使管内流速较低，对流系数较小。 为提高管内流速，可采用多管程。 但管程数过多，管程流动阻力加大，增加动力费用；多程 会使平均温度差下降；多程隔板使管板上可利用面积减少 标准中管程数有：1、2、4和6程，多程时应使每程管子数 大致相等。 管程数m计算：
二、确定物性数据
1．定性温度
对于粘度低的流体，其定性温度可取流体进出口温度的平 均值。所以， 壳程流体的定性温度为： 管程流体的定性温度为： 2．物性参数
T 140 40 90C 2
20 40 t 30C 2
定性温度下，管程流体(井水)、壳程流体（植物油）有关 物性参数由《主要物性参数表》得出。
2.平均传热温差 先按照逆流计算，得
tm逆
(140 40) (40 20) 49.7C 140 40 ln 40 20
3.传热面积 由于壳程植物油的压力较高，故可选取较大的K值。假设 K=395W/ (m2· ℃)则估算的传热面积为：
Q1 376.8 103 A 19.19m2 K tm 395 49.7
Ns 串联的壳程数。
p1' Ff 0 nc ( N B 1)
源自文库
2 u0
2
2 u 2 h ' p2 N B (3.5 ) 0 D 2
F 管子排列方法对压强降的校正因素， 正三角为0.5,转角正方形为0.4，正方形为0.3；
f0 壳程流体的摩擦系数，当Re0 500时，f0 5Re00.228
六、折流挡板
作用： ①提高壳程内流体的流速；
②加强湍流强度； ③提高传热效率； ④支撑换热管。
形式：
圆缺形
圆盘形
最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内 径的10%~40%，一般取20%~25%。
两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径D的（0.2~1）倍。
• 板间距过小，不便于制造和维修，阻力较大；
换热器课程设计
第三节 换热器计算方法
换热器：在不同温度的流体间传递热能的装置
称为换热器。 在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中 广泛使用各种换热器，且它们是上述行业的通用 设备，占有十分重要的地位。
1、热力设计 根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运 行参数，并进行传热计算。 计算出总传热系数、传热面积 2、流动设计 计算压降，为换热器的辅助设备提供选择参数 3、结构设计 根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸 4、强度设计 应力计算。考虑换热器的受力情况，特别是在 高温高压下换热器的受压部件应按照国家压力容 器的标准设计。
实例
设计任务书
将6000kg/h的植物油从140℃冷却到40℃，井水进、
出口温度分别为20℃和40℃。要求换热器的管程和壳
程压强降均不大于35kPa。
工艺设计计算
一、确定设计方案
1．选择换热器的类型 两流体的变化情况：热流体进口温度140℃，出口温度40℃； 冷流体进口温度20℃，出口温度40℃。 考虑冷热流体间温差大于50℃，初步确定选用浮头式换热器。 2．流程安排 与植物油相比，井水易于结垢，如果其流速太小，会加快 污垢增长速度使换热器传热速率下降。植物油被冷却，走壳 程便于散热。因此，冷却水走管程，植物油走壳程。
u m u'
u——管程内流体的适宜流速；u’——管程内流体的实际流体。
2.壳程数
当温差校正系数 t 低于0.8，可采用壳方多程。 如：在壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体 内流经两次，称为两壳程。 但由于隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一 般不采用壳方多程的换热器，而是几个换热器串联使用
一般，设计时冷却水两端温度差可取为5~10℃。
四、管子的规格和排列方法
1.管径
应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面 的流速范围
a. 小直径管子单位传热面积的金属消耗量小，传热系数 稍高，但容易结垢，不易清洗，用于较清洁的流体； b. 大直径管子用于粘性大或易结垢的流体。
目前列管式换热器系列标准中管径具有： Φ 25mm × 2.5mm、 Φ 19mm × 2mm
① 确定流体在换热器中流动途径。
② 根据传热任务计算热负荷Q。
③ 确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的形 式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性。 ④ 计算平均温差，并根据温度差校正系数不应小于0.8 的原则，决定壳程数。 ⑤ 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况， 选定总传热系数K值。 ⑥ 由传热速率方程，初步算出传热面积，并确定换热器 的基本尺寸。
正三角形排列 ——2管程：0.7-0.85； >4管程：0.6-0.8 正方形排列 —— 2管程：0.55-0.7 ; >4管程：0.45-0.65
计算得到的壳内径应圆整。
壳体标准尺寸
壳体外径 /mm
最小壁厚 /mm
325
8
400 500 600 700
10
800 900 1000 1100 1200
若冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确 定两端温度的问题。 若其中一个流体已知进口温度，则出口温度应由设计者 来确定。
例如：用冷水冷却某热流体，冷却水进口温度可根据当地 气温条件作出估计，出口温度需根据经济衡算来决定。
为节省水量，出口温度提高，则传热面积要大些；
为减少传热面积，出口温度降低，则要增加水量。
2.管长
以清洗方便及合理使用管材为原则
合理的换热器管长：1.5m、2m、3m、6m等 管子长度与公称直径之比，一般为4～6 ，对直径小 的换热器可取大些。
3.管子排列方法
正三角形、转角正三角形、正方形、转角正方形等
管板强度高；流体走短路 机会少，且扰动较大，因 而对流传热系数较高；相 同壳程内排更多管子。