管壳式换热器设计选型

l
有1.5、2、3、4.5、6、9m
④折流挡板
安装折流挡板的目的是为了提高管外
对圆缺形挡板，弓形缺口的常见高度 取壳体内径的20%和25% 国标挡板间距： 固定管板式：100、150、200、300、450、600、700mm 浮头式：100、150、200、250、300、350、450 （或480）、600mm
3、流速的确定
换热器常用流速的范围
介质 流速 管程流速 ，m/s 壳程流速 ,m/s 1.0-2.0 0.8-1.5 0.5-1.5 0.5-1.5 0.5-37 0.2-1.5 >1.0 >0.5 0.8-1.8 0.4-1.0 0.5-1.5 5-30 0.3-0.8 2-15 循环 水 新鲜水 一般液 体 易结垢 液体 低粘度 油 高粘 度油 气体
（2）换热器减少热损失
（3）管、壳程的决定应做到便于除垢和修理，以保证运行的可靠性 （4）应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来 讲，顺流式就优于逆流式 （5）对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄露，应特别注意其密 封性，密封不仅要可靠，而且应要求方便及简洁 （6）应尽量避免采用贵金属，以降低成本
t1
qm1 T1 t2 qm1 T2
实例
二.设计步骤
1.求出换热器的热流量 2.作出适当的选择并计算
t m
3.根据经验估计传热系数 K 估 ，计算传热面积 A 4.计算冷、热流体与管壁的 5.压降校核 6.计算传热系数，校核传热面积
7. 选用一台合适的离心泵
三. 设计结果
• 换热器的型号
• 离心泵的型号
管外清洗方便
0.14 1 低粘度 w 0.14 高 粘 度 液 体 被 加 热 1.05 w w 0.95 高 粘 度 液 体 被 冷 却 w
1.管径和管内流速： 选用Ф 25×2.5传热管（碳钢），取管内流速
0.5m/s
2.管程数和传热管数
单程传热管数：
ns
V

4
58
2 i
d u
按单管程设计， 所需的传热管长度为：
S L 10.8m d o n s
现取传热管长为6m，
• 则管程数：
L NP 2 l
• 总管数58×2＝116
列管式换热器易燃、易爆液体 和气体允许的安全流速 液体名称 乙醚、 二硫化碳、 苯 <1 甲醇、 丙酮 乙醇、 汽油 <2－3 <10 氢气
安全流速，m/s
≤8
材质的选择
1.碳钢 2.不锈钢
换热管布置和排列间距
常用换热管规格有ø19×2mm, ø25×2mm(不 锈钢）, ø25×2.5mm（碳钢）, 排列方式：正方形直列、正方形错列、 三角形直列、三角形错列、同心圆排列
⑤管程给热系数 i
Re 1000 物性系数在定性温度下求得
d i ui Cp i 0.023 di
qv NP i 2 0.785d i n
若 i
0.8
0.3 ~ 0.4
m

• 年处理量：6000kg/h， • 煤油从140℃－40 ℃ • 循环水入口温度：30 ℃－40 ℃ • 煤油压力：0.3MPa • 循环水压力：0.4MPa
1.选择换热器类型
考虑季节操作，选用带有膨胀节的 固定管板式换热器
2.流动空间及流速的确定
由于循环冷却水较易结垢，为便于 水垢清洗，应使循环水走管程，油走壳 程，选用Ф 25×2.5的碳钢管，管内流速 取0.5m/s。
图形表示
管板
• 管板的作用是将受热管束连接在一起， 并将管程和壳程的流体分隔开来。 • 管板与管子的连接可胀接或焊接 • 管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆 连接两种。
封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，其作用
是控制及分配管程流体。
壳体
壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上 焊有接管，供壳程流体进入和排除之用
原则： 不洁净和易结垢的液体宜在管程 ①
② 腐蚀性流体宜在管程
③ 压强高的流体宜在管内 ④ 饱和蒸汽宜走壳程 ⑤ 被冷却的流体宜走壳程 ⑥ 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热
器，宜将给热系数大的流体通入壳程
⑦ 流量小而粘度大的液体一般以壳程为宜
列管式换热器内常用的流速范围
不同粘度液体的流速
0.14
若 0 太小，则可减少挡板间距
实例
Ⅴ.压降校核
① 管程阻力校核
u l Pt 3 f t N P i 2 d
N P : 管程数
f t : 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
3 Pt N P 改变管程数，应兼顾传热与流体压降两方面 的损失
• 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
流动设计
• 计算压降，为换热器的辅助设备提供选 择参数
结构设计
• 根据传热面积的大小计算其主要零部件 的尺寸
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。
列管式换热器的工艺设计
1、根据换热任务和有关要求确定设计方案 2、初步确定换热器的结构和尺寸 3、核算换热器的传热面积和流体阻力 4、确定换热器的工艺结构
设计方案的设计
1、换热器类型的选择 固定管板式换热器 浮头式换热器 U型管换热器 填料函式换热器
2、流动空间的选择
原则 （1）传热系数较小的一个，应流动空间较 大，使传热面两侧的传 热系数接近
食品工程原理课程设计
管壳式换热器的选型
换热器的设计
• 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。
列管式换热器的设计
1、热力设计 2、流动设计 3、结构设计 4、强度设计
热力设计
0.14
0 i N P.8
K 估 ，则改变管程数重新计算或重新估计 K 估
实例
⑥壳程给热系数
Re 2000 Re 10 ~ 2000
1 0.55 0 0.36 Re Pr 3 w de 1
0.14
0 0.5 Re0.507 Pr 3 de w
。直径小于400mm的壳体通常用钢管制
成，大于400mm的可用钢板卷焊而成。
壳体材料根据工作温度选择，有防腐要
求时，大多考虑使用复合金属板。
壳体内径的计算
• 单程管： • • •
D t nc 1 2 3d 0
t－－－是管心距，mm do－－－换热管外径，mm nc－－－－－横过管束中心线的管数，该值与管
确定物性数据
壳程油的定性温度为： T＝90℃ 管程流体的定性温度为： t＝35 ℃
根据定性温度查处煤油和水物性
• • • • 密度 定压必热容 导热系数 粘度
计算总传热系数
QO mo c p t o t1 t 2 t m t1 ln t 2 QO wi c p t i Re d i ui i
T1 t1 ln T2 t 2
t 2，求对数平均推动力
t m逆 进行 修正 t 2 t1 T1 T2 P R T2 t1 t1 t 2 t m t m逆 查图得到
实例
Ⅲ.根据经验估计传热系数 K 估，
计算传热面积 A
qm1Cp1 T1 T2 K估 A估t m逆
Pt P允 必须调整管程数目重新计算
实例
② 壳程阻力损失
2 2B u0 Ps Ff 0 NTC N B 1 N B 3.5 f s D 2
NB :
NTC :
B: D:
折流板数目 横过管束中心线的管子数 折流板间距 壳体内径
i
i d i u i i i 0.023 d i i

0.8
c p ui i

0.4
1 K do d bd 1 Rsi o o Rso i di d i d i o QO S Kt m
工艺结构尺寸
流动空间选择的具体措施
（1）宜于通入管内空间的流体 不清洁的流体 体积小的流体 有压力的流体 腐蚀性强的流体 与外界温差大的流体 （2）宜于通入管间空间的流体 当两流体温度相差较大时，α值大的流体走管间 若两个流体给热性能相差较大时，α值小的流体走管间 饱和蒸汽走管间 黏度大的流体走管间 泄露后危险性大的流体走管间
盐类，其溶解度随着温度上升而降低，为了防止盐类 析出，形成垢层，工业冷却水出口温度应小于 45C
若根据
P 、 在图上找不到相应的点，表明 R
此种流型无法完成指定换热任务，应改为其他流 动方式。
化时，可能使 急剧下降，影响操作的稳定性， 应改为其他流动方式。
若
0.8 ，经济上不太合理，且操作温度变
子排列方式有关
• 正三角形排列：
正方形排列：
nc 1.1 N
nc 1.19 N
多管程排列
D 1.05
N---排列管子数目
N

----管板利用率（正三角形排列2管程：0.7-0.85；
>4管程：0.6-0.8 正方形：2管程：0.55-0.7 ; >4管程：0.45-0.65
设计示例
根据 A估 初选换热器
实例
Ⅳ.计算冷、热流体与管壁的
①确定冷、热流体走管程或壳程
②确定管内流速
ui
qv n 0.785d NP
2 i
n 管子数 N P 管程数
核定管壳式换热器内常用流速范围
③根据所选换热管确定管子的排列
目前我国国标采用 25mm 2.5mm 和 19mm 2mm 管长
A NTd 0 l
A
A计
1.10 ~ 1.20
否则重新估计 K 估 ，重复以上计算 实例
冷却介质的选择是一个经济上的权衡问题，按设
备费用和操作费用的最低原则确定冷却介质的最优出 口温度 t 2opt
根据一般经验过程要有一定的推动力， t 10C m 冷却介质若是工业用水，含有 CaCO3 、MgCO3 等
do S o BD1 t
壳程流速及雷诺数为
煤油处理量 /(3600* 煤油密度） uo 壳程流通截面积 Re＝
o o o
wk.baidu.comuo
一.设计任务书
T 1. 已知热流体热量 qm 1 ，温度 T1、 2 ，
冷却介质 温度 t 1
2. 确定换热面积及选定换热器
3. 选用一台合适的离心泵
换热器核算
1.热量衡算 由于采用圆缺形折流板，可采用克恩公式
o 0.55 1/ 3 o o 0.36 Re o Pr de w
0.14
当量直径，若是正三角形排列
3 2 2 4 t do 2 4 de d o
壳体流通截面积
2 3 液体粘度 10 N S m 最大流速 m
流体种类
流速
ms
壳程
s
管程
一般流体
>1500 1500~500 500~100 100~35 35~1 <1
0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4
0.5~3 0.2~1.5 >0.5 3~15
易结垢流体 >1 气体 5~30
a. 较大 b. 给热效果较差 c. 大
• 流程安排
Ⅰ.求出换热器的热流量
q Cp 根据已知条件 T1 、T2 、 1 、Cp2、 m 1 ，
求Q
Q qm1C p1 T1 T2
实例
Ⅱ.作出适当的选择并计算 t m
①流向的选择 一般逆流优于并流 ②确定冷却介质出口温度
t m 逆
③对
T1 t1 T2 t 2
u0 :
F:
按壳程流动面积 A BD N d 计算所得的壳程流速 管子排列形式对压降的校正系数
0 TC 0
f0 : Ps P允
壳程流体摩擦系数
可增大挡板间距
实例
Ⅵ.计算传热系数 校核传热面积
根据流体的性质选择适当的 垢层热阻 R
1 1 1 R K估 i 0
Q A计 Kt m